軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器的設(shè)計

徐 斌，王 英，洪 榛

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

軸瓦作為汽車發(fā)動機的關(guān)鍵零件，對發(fā)動機的性能發(fā)揮起著關(guān)鍵的作用.在發(fā)動機裝配中，連桿瓦和曲軸連桿頸、曲軸瓦和曲軸主軸頸配合間隙的大小，是影響發(fā)動機性能的重要因素.配合間隙越小，發(fā)動機產(chǎn)生的噪音就越小，故障率也越低.為了減小配合間隙，通常采用分組互換裝配法[1]將同向偏差的配件列入同一組，因此軸瓦的分選至關(guān)重要.因為軸瓦形狀特殊，所以國際上通常依據(jù)軸瓦壁厚測量結(jié)果對軸瓦進行分選[2]，分選后軸瓦才能進入裝配.

歐美國家軸類零件自動化檢測起步較早，典型的三坐標(biāo)軸瓦檢測機(如LDM Terrameter)精度高，短期穩(wěn)定性好，但效率低.另外，英國Uniscan Instruments 公司的OSP500LM光學(xué)表面輪廓檢測系統(tǒng)，也可以快速進行大面積非接觸檢測.上述兩種軸瓦檢測設(shè)備只能進行離線抽樣檢測，不適合軸瓦在線快速檢測.率先實現(xiàn)軸瓦在線測量的是德國米依測試科技公司.其dimemsionControl軸瓦壁厚和輪廓檢測系統(tǒng)采用視覺幾何量傳感器系統(tǒng)，對測試環(huán)境要求較高，對產(chǎn)品的識別速度較慢，在好的光學(xué)環(huán)境下識別速度也只能達到4 s/片[2].

近年來，國內(nèi)高校和研究院所也開始研發(fā)軸瓦自動檢測分選系統(tǒng).上海交通大學(xué)機械學(xué)院研發(fā)的軸瓦自動檢測分選系統(tǒng)[3]、北京機科院研制的軸瓦自動分選機[4]、無錫允新機械公司研制的軸瓦分選機，以及中國計量學(xué)院研發(fā)的軸瓦壁厚自動檢測與分選系統(tǒng)[5]，在線檢測速度都不算高，完成一片軸瓦的檢測與分選平均要用3.5～4 s.

本文對國內(nèi)外軸瓦分選設(shè)備的檢測和分選效率進行分析，采用虛擬儀器技術(shù)對軸瓦分選系統(tǒng)進行改進設(shè)計，將上位機與下位機PLC結(jié)合起來，以軸瓦壁厚實測數(shù)據(jù)為控制參數(shù)，使軸瓦的分選閉環(huán)進行，通過虛擬儀器對測量數(shù)據(jù)的快速采集和統(tǒng)計處理、上位機與下位機的快速通訊，軸瓦分選速度達到2.5 s /片.

1 軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器組成

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1151-2012 內(nèi)燃機主軸瓦及連桿軸瓦技術(shù)條件和GB/T12613.7 滑動軸承 卷制軸套 第7部分:薄壁軸套壁厚測量),軸瓦的分選依據(jù)在于軸瓦壁厚的實際測量數(shù)據(jù)[6].本文設(shè)計的軸瓦壁厚檢測與分選裝置由軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械平臺組成(圖1).用PC上位機實現(xiàn)軸瓦壁厚測量數(shù)據(jù)采集與處理，用PLC實現(xiàn)測量平臺上軸瓦上料輸送、固定、測量、分選所有動作的控制.分析可知，影響該系統(tǒng)軸瓦檢測與分選效率的因素主要有：測量信號采集與傳輸?shù)男省⒈诤駭?shù)據(jù)的處理效率、上下位機之間的通訊速度.

1.送料皮帶 ；2.擋料板；3.機械爪；4.擋板氣缸； 5.測量架；6.分選皮帶；7.分選氣缸；8.分選槽.圖1 軸瓦壁厚分選裝置示意圖

為了提高檢測效率，以虛擬儀器LabVIEW平臺作為上位機來開發(fā)測量軟件.虛擬儀器是計算機技術(shù)和儀器技術(shù)高度結(jié)合的當(dāng)今主流測量技術(shù)，通過傳感器與計算機深度融合，達到快速測量的目的.通過虛擬儀器OPC(OLE for Process Control)通信，軸瓦壁厚測量、軸瓦上料測控平臺控制和測量數(shù)據(jù)處理均在一個虛擬儀器中進行.利用計算機可對數(shù)據(jù)進行高速處理和大容量存儲的性能，軸瓦壁厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計和軸瓦數(shù)據(jù)分析得以快速完成，并可通過OPC模塊將數(shù)據(jù)快速傳送至下位機.軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器的組成如圖2所示.

圖2 軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器的組成

該虛擬儀器采用德國海德漢MT1287長度計測量軸瓦壁厚，由數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對長度計數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機；PC機對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示、存儲、分類之后，通過OPC傳送給下位機PLC，由PLC控制整個測控平臺的運行.測控平臺包括軸瓦自動進料、自動混料、軸瓦壁厚檢測和軸瓦分選四部分.

軸瓦位置檢測由光電傳感器實現(xiàn)，軸瓦通過進料皮帶被傳送到待測區(qū)域，觸發(fā)待測區(qū)域的光電傳感器，PLC接收光電傳感器信號，通過控制機械爪將軸瓦移到檢測區(qū)域.檢測區(qū)域的光電傳感器檢測到軸瓦之后，PLC按光電傳感器信號控制定位氣缸，對軸瓦進行定位.定位氣缸完成定位以后，PLC控制長度計測頭的伸出，同時通過OPC模塊給上位機發(fā)送觸發(fā)信號，上位機通過數(shù)據(jù)采集卡讀取長度計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)軸瓦壁厚的測量.

PC機對測量數(shù)據(jù)進行處理，得到軸瓦壁厚統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分選結(jié)果，并通過OPC將分選結(jié)果發(fā)送給PLC.PLC按上位機發(fā)送的軸瓦分選結(jié)果控制機械爪和分選裝置的動作，機械爪將測量區(qū)域的軸瓦夾到分選皮帶上，軸瓦隨著皮帶移動，PLC控制對應(yīng)的分選氣缸，根據(jù)分選結(jié)果將皮帶上的軸瓦推入對應(yīng)的分選槽中.

軸瓦壁厚檢測的硬件參數(shù)如表1所示.海德漢MT1287長度計具有測量范圍大、檢測精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點.信號采集卡采用IK220計數(shù)卡，該計數(shù)卡采集速度較快.

2 軸瓦在線檢測與分選虛擬儀器軟件設(shè)計

本文以LabVIEW 應(yīng)用程序為平臺開發(fā)的軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器，采用模塊化架構(gòu)，使軸瓦壁厚測量、軸瓦上料測控平臺控制和測量數(shù)據(jù)處理無縫集成.

該虛擬儀器主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、軸瓦壁厚測量模塊、測量數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計模塊、數(shù)據(jù)存儲與查詢模塊(圖3).

表1 軸瓦壁厚檢測的硬件參數(shù)

圖3 軸瓦在線檢測與分選虛擬儀器的軟件功能模塊

軸瓦實際壁厚測量數(shù)據(jù)與相應(yīng)型號軸瓦分選標(biāo)準(zhǔn)的偏差分布決定了軸瓦的分選結(jié)果.為了實現(xiàn)快速分選，將軸瓦壁厚實際測量數(shù)據(jù)與不同型號軸瓦分選標(biāo)準(zhǔn)都存儲在數(shù)據(jù)庫中.軸瓦型號和分選標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置由參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)；在線測量數(shù)據(jù)的采集、處理和分選由在線測量模塊實現(xiàn).

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

在軸瓦被測之前將需要的參數(shù)寫入系統(tǒng)中，包括軸瓦的型號、分級標(biāo)準(zhǔn)等.在軸瓦測量時，直接從系統(tǒng)中取出對應(yīng)的軸瓦信息，作為設(shè)定值.軸瓦壁厚測量參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示.

圖4 軸瓦壁厚測量參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面包括軸瓦型號的添加、刪除以及修改.所有的產(chǎn)品參數(shù)都會顯示在界面的列表里，對表中參數(shù)進行添加、刪除或者修改的時候，參數(shù)列表會自動將數(shù)據(jù)更新.該模塊的另一個功能是設(shè)置軸瓦的分級標(biāo)準(zhǔn)，在軸瓦檢測完成以后，通過程序?qū)y得的數(shù)據(jù)與設(shè)置的分級標(biāo)準(zhǔn)進行比較，確定被測軸瓦屬于哪一等級，然后將信息發(fā)送給PLC，PLC控制設(shè)備對軸瓦進行分選，使得不同等級的軸瓦被推入不同的分選槽中.

參數(shù)添加、刪除、修改的實現(xiàn)都是基于事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，在界面上放置相應(yīng)按鈕，點擊按鈕時就會觸發(fā)對應(yīng)的程序.刪除功能實現(xiàn)的程序如圖5所示.添加與修改功能實現(xiàn)的程序與刪除程序類似.軸瓦型號參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，在刪除軸瓦型號之前首先查詢數(shù)據(jù)庫中是否存在對應(yīng)軸瓦型號，如果存在則刪除；如果不存在則提示用戶該型號不存在.軸瓦型號的查詢與刪除通過SQL語句實現(xiàn).

圖5 刪除功能實現(xiàn)程序

2.2 在線測量模塊

在線測量模塊的功能包括軸瓦壁厚數(shù)據(jù)采集、批次參數(shù)設(shè)置、過程監(jiān)控以及上位機與下位機之間的通信管理.數(shù)據(jù)采集子模塊實現(xiàn)長度計數(shù)據(jù)的采集與處理，其采集時刻取決于PLC下位機發(fā)出的觸發(fā)信號.軸瓦壁厚數(shù)據(jù)經(jīng)上位機處理被發(fā)送給下位機，用于軸瓦的分選.軸瓦的分選依據(jù)是數(shù)據(jù)庫中存儲的軸瓦壁厚標(biāo)準(zhǔn)參數(shù).

2.2.1 軸瓦壁厚測量原理

本文對軸瓦壁厚的測量是基于長度計實現(xiàn)的，其測量原理如圖6所示.長度計測頭與球形體之間沒有軸瓦的時候，測頭伸出直接與球形體密切接觸，如圖6(a)所示.此時長度計為零點位置，記錄此時長度計測頭伸出長度的讀數(shù)x.測量軸瓦的時候，軸瓦固定在球形體與測頭之間，如圖6(b)所示.此時長度計測頭伸出長度的讀數(shù)為y.軸瓦壁厚d的計算公式為：

d=x-y

(1)

圖6 基于長度計的軸瓦壁厚測量原理

2.2.2 長度計數(shù)據(jù)采集與處理

軸瓦壁厚測量原始數(shù)據(jù)來源于海德漢MT1287長度計.長度計測頭與軸瓦壁測量區(qū)域接觸，輸出的電壓信號被傳送到海德漢IK220數(shù)據(jù)采集卡，用LabVIEW編程時調(diào)用IK220動態(tài)鏈接庫，獲得長度計的讀數(shù)，按壁厚測量原理將長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軸瓦壁厚數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫.

長度計的初始位置和測量位置由光電傳感器監(jiān)測，光電傳感器監(jiān)測到長度計測頭到達初始位置或測量位置時，PLC就會收到來自光電傳感器的信號.PLC通過OPC模塊給PC機發(fā)送信號，PC機讀取長度計數(shù)據(jù).IK220高速數(shù)據(jù)采集卡每25 μs采集一次.通過LabVIEW內(nèi)置OPC模塊編寫通信管理軟件，在收到下位機定位信號后開始讀取長度計數(shù)據(jù)，以減小其測量誤差；同一位置多次重復(fù)測量，以減小隨機誤差；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中該型號軸瓦的標(biāo)準(zhǔn)壁厚數(shù)據(jù)截取有效測量數(shù)據(jù)，以排除粗大誤差.對型號為C1960L,標(biāo)準(zhǔn)厚度為2.000 mm的標(biāo)準(zhǔn)軸瓦進行檢測，測得的10組數(shù)據(jù)如下：2.000 8 mm、2.001 1 mm、2.001 3 mm、1.999 5 mm、2.000 9 mm、2.000 7 mm、2.000 4 mm、2.002 0 mm、2.001 4 mm、2.001 2 mm.

軸瓦壁厚多次測量的平均值為：

(2)

式中：xi為軸瓦壁厚每次測量的數(shù)據(jù)；n為測量次數(shù).

軸瓦壁厚單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(3)

根據(jù)t分布特點，取置信度為95%，則顯著度α=0.05，單次測量的極限誤差為：

δlimx=±tασ=±1.833×0.000 76=±0.001 39

(4)

式中，tα通過查詢置信度為95%、自由度為9的t分布表得到.

本文根據(jù)實際測量效果，采用中位值平均濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，以消除偶然因素造成的采樣值偏差.設(shè)濾波長度為N，則中位值平均濾波算法可描述為：連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，大小排序為x1′

(5)

可算得，濾波后軸瓦壁厚多次測量的平均值為2.000 80 mm.

濾波后軸瓦壁厚單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(6)

根據(jù)t分布特點，取置信度為95%，則顯著度α=0.05，單次測量的極限誤差為:

δlimx′=±tασ′=±1.833×0.000 33=

±0.000 61

(7)

顯然，中位值平均濾波后得到的軸瓦壁厚數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠.

2.2.3 過程監(jiān)控

以該批次軸瓦壁厚標(biāo)準(zhǔn)為中心趨勢，根據(jù)該型號軸瓦的壁厚偏差容許區(qū)間，設(shè)定壁厚分級區(qū)間，結(jié)合實測結(jié)果對軸瓦壁厚進行合格、偏大、偏小、不合格判別，將分選結(jié)果通過通信管理模塊發(fā)送給PLC下位機，由PLC控制分選氣缸將相應(yīng)的軸瓦推入相應(yīng)的分選槽中，實現(xiàn)軸瓦的分選.

2.3 存儲與查詢模塊

按當(dāng)前企業(yè)的生產(chǎn)效率，每天的軸瓦產(chǎn)量30多萬片.這意味著每天至少要處理60萬條長度計測量數(shù)據(jù)，對30多萬片軸瓦進行分選.大量的實測數(shù)據(jù)存儲、管理、查詢和統(tǒng)計，要求企業(yè)具有較高的產(chǎn)品質(zhì)量控制能力.

存儲與查詢模塊包括兩部分：數(shù)據(jù)存儲備份模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊.

在LabVIEW中調(diào)用數(shù)據(jù)庫連接工具包[7]，實現(xiàn)對Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫的訪問，并將測得的軸瓦壁厚數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫中.當(dāng)數(shù)據(jù)表中存在大量數(shù)據(jù)時，往表里寫數(shù)據(jù)的速度會變慢，而且在線查詢速度也會很低.為此，本文通過編程，上月所測得的全部數(shù)據(jù)會在本月初自動備份.同時，測試用表自動清空，以便記錄新的測試數(shù)據(jù).這樣大大加快了數(shù)據(jù)的存儲速度和軸瓦分選時的數(shù)據(jù)調(diào)用速度，提高了軸瓦的整體檢測速度.圖7所示為系統(tǒng)自動備份程序.

圖7 自動備份程序

數(shù)據(jù)查詢模塊根據(jù)查詢目的分為兩部分，即當(dāng)月數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢.當(dāng)月數(shù)據(jù)查詢用于軸瓦生產(chǎn)過程監(jiān)控，按時間、產(chǎn)品型號、分級標(biāo)準(zhǔn)查詢，查詢數(shù)據(jù)按偏大、偏小、合格、不合格給出4個等級，作為分選參數(shù)發(fā)送給下位機.歷史數(shù)據(jù)的查詢是根據(jù)企業(yè)需要統(tǒng)計一定時間內(nèi)的生產(chǎn)質(zhì)量控制情況，將上述4個等級、軸瓦產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，以餅狀圖的形式顯示出統(tǒng)計結(jié)果.

2.4 檢測流程優(yōu)化

在優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了進一步提高軸瓦檢測速度，本文對上位機軟件進行了優(yōu)化.原軸瓦壁厚檢測與分選設(shè)備流程為：將軸瓦定位以后，PLC控制長度計的測頭伸出，通過光電傳感器判斷測頭是否伸出到位，如果伸出到位，就將啟動測量的信號發(fā)送給上位機，上位機采集此時傳感器的數(shù)值.在這種方式下，長度計測頭伸出動作和給上位機發(fā)送啟動測量信號兩個過程在不同的時間段執(zhí)行，使得檢測速度降低.為了加快檢測速度，本文對檢測流程進行了優(yōu)化，在PLC發(fā)送啟動測量信號的同時，測頭伸出，上位機收到啟動測量信號后判斷長度計的測頭是否伸出到位.

長度計測頭伸出到位的判斷算法設(shè)計思路為：采用LabVIEW的延時程序，每隔50 ms獲取一次長度計測頭伸出長度數(shù)據(jù)，將相鄰兩次的測量結(jié)果進行比較，二者的差值必須小于已設(shè)定的穩(wěn)定差值.除此之外，在機械故障導(dǎo)致的長度計測頭被卡住而無法伸出的情況下，雖然兩次相鄰測量的差值小于穩(wěn)定差值，系統(tǒng)會記錄此時長度計的測量數(shù)據(jù)，但仍不能算入符合測量要求.為了避免這種問題，可通過軟件設(shè)置一個穩(wěn)定下限，長度計每次伸出的長度必須大于該下限才予以記錄，檢測過程須滿足長度計相鄰兩次測量的結(jié)果都大于穩(wěn)定下限且二者的差值小于穩(wěn)定差值，這才說明長度計伸出到位.優(yōu)化后，由于測頭伸出與發(fā)送啟動測量信號同時進行，縮短了檢測時間，而且通過軟件判斷長度計測頭是否伸出到位，更加可靠.

3 基于虛擬儀器的軸瓦在線分選實測

為了驗證軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器的檢測效率，本文選取型號為C1960L的軸瓦進行檢測和分選.此型號軸瓦內(nèi)圓直徑為60 mm,高度為19 mm,標(biāo)準(zhǔn)厚度為2.000 mm,對應(yīng)的分選標(biāo)準(zhǔn)為：厚度合格(1.997～2.002)mm,厚度偏大(2.002～2.004)mm,厚度偏小(1.994～1.997)mm，超過偏大偏小限值的為壁厚不合格軸瓦.

測量時將軸瓦放滿整個進料皮帶，共計57片軸瓦，啟動測量程序并開始計時，測量完成后停止計時，共用時143 s.其中54片軸瓦壁厚合格，3片偏小，每片軸瓦壁厚測量平均用時2.5 s.軸瓦壁厚在線檢測計時用戶界面如圖8所示.

圖8 軸瓦壁厚在線檢測計時用戶界面

與傳統(tǒng)的軸瓦壁厚自動檢測分選系統(tǒng)相比，該虛擬儀器的檢測效率較高，運行穩(wěn)定，能夠滿足軸瓦企業(yè)生產(chǎn)要求.

4 結(jié)束語

針對軸瓦生產(chǎn)企業(yè)對軸瓦壁厚檢測的要求，綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)，研制了一種軸瓦壁厚檢測與分選虛擬儀器.該儀器自動化程度高、檢測速度快、精度高.實測證明，軸瓦壁厚在線檢測與分選虛擬儀器的檢測與分選效率為2.5 s/片，檢測精度為±0.000 689 7 mm，滿足了軸瓦生產(chǎn)企業(yè)對軸瓦壁厚在線檢測與分選的要求.

[1] 任汝南，不等公差分組互換裝配法[J].機械工藝師，2001(2):42-44.

[2] 張劍雄，王文光，王石剛.軸瓦壁厚分選機精密測量與控制[J].計算機自動測量與控制，2001,9(4):9-10,17.

[3] 羅振軍，劉 利.軸瓦精密測量機計算機控制系統(tǒng)[J].液壓氣動與密封，2002(2):13-14.

[4] 裴俊平,李迎菊,賈曉紅.軸瓦類零件厚度的快速檢測方法[J].計量技術(shù)，2011(9):45-46.

[5] 上海內(nèi)燃機研究所.內(nèi)燃機主軸瓦及連桿軸瓦技術(shù)條件：GB1151-82[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1982.

[6] 鄒國慶.汽車軸瓦壁厚分組和自動分選設(shè)備[J].內(nèi)然機與配件,2013(7):19-22.

[7] 姚桂艷，常英麗.LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(16):16-17.