基于LabVIEW 的圓度誤差在線檢測(cè)系統(tǒng)＊*

史少杰 張洛平 侯振宇 劉成甫

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003)

工業(yè)生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)體零件是應(yīng)用最廣泛的一種，而圓度誤差是高精度回轉(zhuǎn)體零件的一項(xiàng)重要精度指標(biāo)，它往往是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中圓度誤差測(cè)量大都是近似測(cè)量，如以千分尺或游標(biāo)卡尺等為測(cè)量工具，其測(cè)量結(jié)果的可靠性差，且效率低。能有效對(duì)圓度誤差進(jìn)行測(cè)量的儀器主要有圓度儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、CCD 等方式，但在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，由于CCD精度較低，而圓度儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x成本過(guò)高，并且工件的加工和測(cè)量需要分開(kāi)進(jìn)行，增加了工件二次裝夾加工過(guò)程產(chǎn)生的安裝誤差，同時(shí)降低了生產(chǎn)效率，因此也都不適合車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)也隨之向著數(shù)字化、智能化和虛擬化發(fā)展。利用LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)了一套圓度在線測(cè)量與磨削加工同步進(jìn)行的圓度誤差檢測(cè)分析系統(tǒng)。本系統(tǒng)以數(shù)控滾子磨床為研究對(duì)象，針對(duì)回轉(zhuǎn)件磨削加工過(guò)程，集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、圓度判定于一體，通過(guò)將差值反饋給控制系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在線修正磨削偏差，實(shí)現(xiàn)磨削精度的控制。

1 圓度誤差在線測(cè)量系統(tǒng)總體方案

本研究所采用的在線測(cè)量系統(tǒng)，如圖1 所示，主要由測(cè)頭機(jī)構(gòu)、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PC 機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電動(dòng)機(jī)等相關(guān)部件組成。

系統(tǒng)工作時(shí)，測(cè)頭接觸工件，產(chǎn)生位移變化量;通過(guò)測(cè)頭機(jī)構(gòu)中的線性差動(dòng)位移傳感器LVDT 將位移變化量轉(zhuǎn)換為與位移成正比的電壓信號(hào);該信號(hào)經(jīng)由調(diào)理電路放大;通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡中的A/D 轉(zhuǎn)換電路，將信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由數(shù)據(jù)采集卡完成該數(shù)字信號(hào)的采集，完成信號(hào)的前段處理。上傳到PC中，利用labVIEW 軟件平臺(tái)對(duì)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用最小二乘法原理，求得圓度誤差，并和標(biāo)準(zhǔn)圓度進(jìn)行擬合，對(duì)其誤差進(jìn)行分析和評(píng)定。將誤差精度范圍之外的數(shù)據(jù)反饋到運(yùn)動(dòng)控制卡中，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)砂輪進(jìn)行進(jìn)給補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)磨削精度的控制。

2 測(cè)頭機(jī)構(gòu)及測(cè)量原理

測(cè)頭機(jī)構(gòu)主要由測(cè)頭、測(cè)桿和測(cè)頭座構(gòu)成，測(cè)頭、測(cè)桿固定在測(cè)頭座上，如圖2 所示。

磨削加工時(shí)，將工件固定在機(jī)床兩頂尖之間。機(jī)床磨削加工完成之后，測(cè)頭在電動(dòng)機(jī)的控制下徑向運(yùn)動(dòng)，直至測(cè)頭與工件接觸，調(diào)整位置，使工件卡在上下兩測(cè)頭之間，位置如圖2 所示。在測(cè)量過(guò)程中，保持測(cè)頭固定不動(dòng)，工件隨主軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中測(cè)頭產(chǎn)生位移偏移量，并帶動(dòng)測(cè)桿產(chǎn)生微小的角度偏移，通過(guò)杠桿原理測(cè)桿帶動(dòng)差動(dòng)變壓器式傳感器，并通過(guò)電感變化輸出一系列電壓信號(hào)。這些信號(hào)再通過(guò)一系列的調(diào)理、轉(zhuǎn)換、采集等，最終通過(guò)接口上傳到PC 機(jī)。

3 圓度誤差在線測(cè)量分析系統(tǒng)

LabVIEW 是一種基于圖形編程語(yǔ)言(G 語(yǔ)言)的測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)。該平臺(tái)提供了豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號(hào)處理函數(shù)庫(kù)，并且大多數(shù)函數(shù)都針對(duì)工程應(yīng)用特別優(yōu)化，許多函數(shù)的輸入/輸出接口直接就是Hz、dB等工程應(yīng)用單位;高級(jí)信號(hào)處理工具包中的一些函數(shù)還會(huì)考慮數(shù)據(jù)塊之間的銜接，便于對(duì)實(shí)際工程中的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行處理。LabVIEW 還可以非常方便地與各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和硬件進(jìn)行交互通信，可以實(shí)現(xiàn)包含硬件和軟件的完整系統(tǒng)，對(duì)真實(shí)信號(hào)進(jìn)行采集、在線分析、處理、輸出等操作，而不只是基于純軟件的算法仿真或?qū)σ延袛?shù)據(jù)進(jìn)行離線的后處理。另外交互式的開(kāi)發(fā)環(huán)境非常便于調(diào)試，用戶(hù)可根據(jù)真實(shí)的信號(hào)嘗試不同的信號(hào)處理算法，從而快速確定最有效的算法［1］。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理時(shí)，很容易因?yàn)橥庠谝蛩氐仍虍a(chǎn)生噪聲信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)失真，為了還原采集到的電信號(hào)的物理意義，分析計(jì)算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征，這就需要利用濾波技術(shù)來(lái)消除這些數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，使得測(cè)量的數(shù)據(jù)能更好地反映工件截面圓的真實(shí)輪廓。

LabVIEW 提供了眾多信號(hào)處理中用到的數(shù)字濾波器。這些濾波器主要在【函數(shù)】/【信號(hào)處理】/【濾波器】函數(shù)選版及其包含的函數(shù)子選版節(jié)點(diǎn)對(duì)象中。這里采用中值濾波法。圖3 為設(shè)計(jì)的中值濾波器的程序面板，圖4a 為原始信號(hào)，圖4b 為濾波后的信號(hào)。

數(shù)字濾波器利用計(jì)算機(jī)濾波程序完成濾波，不需要硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配的問(wèn)題，并且性能高，不會(huì)因?yàn)闇囟?、濕度的影響產(chǎn)生誤差，這是模擬濾波器所不具備的［2］。經(jīng)濾波處理的數(shù)據(jù)明顯抑制了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中噪聲的干擾和影響。

3.2 圓度誤差評(píng)定原理

最小二乘圓是指一個(gè)穿過(guò)實(shí)際被測(cè)輪廓的圓，它所處的位置使實(shí)際被測(cè)輪廓上各測(cè)點(diǎn)至它的距離的平方和最小，其圓心被稱(chēng)為最小二乘圓圓心。用最小二乘圓法評(píng)定圓度誤差的數(shù)值和中心都是唯一的，評(píng)定結(jié)果也不易受到個(gè)別大誤差的影響［3］，能反映整個(gè)實(shí)際輪廓的綜合情況，所以采用最小二乘法來(lái)評(píng)定圓度誤差。圖5 是圓度誤差測(cè)量原理圖。

以回轉(zhuǎn)體被測(cè)截面的回轉(zhuǎn)中心O為圓心，Pi為第i個(gè)采樣點(diǎn)(i=1，2，……，n;n為采樣點(diǎn)數(shù)目)，O'為最小二乘圓圓心，其坐標(biāo)為(a，b)，R為最小二乘圓半徑，ri為Pi點(diǎn)測(cè)量半徑。e=為偏心距。θi為O'Pi與O'x軸的夾角。根據(jù)最小二乘原理［3－5］，可得最小二乘圓半徑和圓心坐標(biāo)分量為

則最小二乘評(píng)定法的圓度誤差為

式中:ξi=Δri－acosθi－bsinθi，i=1，2，…，m;m為測(cè)量點(diǎn)數(shù)目。

3.3 數(shù)據(jù)分析

使用LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)的程序稱(chēng)為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱(chēng)VI。所有的VI 都包括3 個(gè)部分:程序前面板、程序框圖和圖標(biāo)/連接器。在程序前面板使用控件模板設(shè)置如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖標(biāo)、圖形和其他設(shè)備，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序框圖中，每個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼。軟件總體流程圖如圖6 所示。

根據(jù)圓度誤差評(píng)定原理所描述的最小二乘圓法圓度誤差的測(cè)量原理，使用LabVIEW 中的公式節(jié)點(diǎn)、數(shù)組函數(shù)以及For 循環(huán)語(yǔ)句來(lái)建立這個(gè)數(shù)學(xué)模型。新建VI，打開(kāi)程序框圖面板，公式節(jié)點(diǎn)和For 循環(huán)位于函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)子模板上，數(shù)組函數(shù)位于函數(shù)→編程→數(shù)組→數(shù)組最大值與最小值。利用公式節(jié)點(diǎn)求出最小二乘圓軌跡，利用Array Max＆Min 求出數(shù)組元素中的最大值和最小值，在前面板中顯示出誤差曲線［6］。該模塊可對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和計(jì)算。程序框圖如圖7 所示。

根據(jù)圓度誤差最小二乘原理，自動(dòng)計(jì)算出最小圓半徑、圓心坐標(biāo)及圓度誤差。在前面板顯示基圓、最小二乘圓和工件圓度誤差曲線。用戶(hù)可以在LabVIEW軟件前面板對(duì)采集并分析處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。又可以從誤差分析系統(tǒng)中讀入數(shù)據(jù)，根據(jù)選定程序處理模塊進(jìn)行誤差分析。

4 結(jié)語(yǔ)

基于LabVIEW 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的圓度誤差在線檢測(cè)分析系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試已基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)將測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用軟件替代傳統(tǒng)圓度儀的硬件功能，簡(jiǎn)化了檢測(cè)設(shè)備，提高了圓度誤差數(shù)據(jù)處理速度和精度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化和可視化。

［1］侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫. LabVIEW7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］江征風(fēng).測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2010.

［3］顧偉峰，汪世益.虛擬技術(shù)下環(huán)形零件圓度誤差測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)儀器儀表，2008(4):47 －50.

［4］GB/T 7235 －87，產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)評(píng)定圓度誤差的方法半徑變化量測(cè)量［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.1987:184 －201.

［5］王穗輝.誤差理論與測(cè)量平差［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

［6］劉剛，王立香，張連俊.Labview8.2 中文版編程及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.