軸類零件形狀誤差智能檢測平臺(tái)

陳天寶，林志熙，楊文博

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

1 引言

軸類零件形狀誤差圓度、圓柱度誤差測量方法大致有兩類。一類是采用近似的測量，兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法等，只適用于低精度零件的檢驗(yàn)。另一類是符合誤差定義的方法，例如在坐標(biāo)測量機(jī)上按要求測量被測零件各橫截面輪廓各測點(diǎn)的坐標(biāo)值，再利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算誤差值。測量精度高，但一般價(jià)格昂貴。

因此，文中設(shè)計(jì)了一種軸類零件形狀誤差的智能檢測平臺(tái)。采用電渦流位移傳感器，利用MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，借助MATLAB優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)軸類零件形狀誤差的數(shù)據(jù)處理，并開發(fā)了友好界面，自動(dòng)生成檢測報(bào)告，實(shí)現(xiàn)采集、測量、評(píng)定的一體化。最后通過測量實(shí)例證明這種方法的優(yōu)越性，值得在企業(yè)、高校實(shí)驗(yàn)室推廣使用。

2 系統(tǒng)組成

采用電渦流傳感器檢測軸類零件半徑變化量，將主軸形狀誤差的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接，利用MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱，編寫軟件程序構(gòu)建虛擬儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 信號(hào)采集硬件選型

選用上海測振自動(dòng)化儀器有限公司的YDYT9800系列三線制一體化電渦流位移傳感器作為采集工具。該傳感器適用于機(jī)械的位移、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳感器的分辨率和量程都有較大的選擇范圍，可以根據(jù)檢測零件尺寸大小和精度選擇相應(yīng)規(guī)格的傳感器。

位移傳感器根據(jù)檢點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制位移特性曲線圖如圖2所示。擬合得出U=2.504×d-1.264，其中d為探頭與被測表面的距離，U為兩端的端電壓。其檢定結(jié)果如表1所示。

采用NI USB-6251數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡單通道采樣率總計(jì)1MS/s；2路模擬輸出；24路數(shù)字I/O；高達(dá)1MHz的USB總線關(guān)聯(lián)數(shù)字I/O，可使用板載波形再發(fā)生器則關(guān)聯(lián)數(shù)字I/O可高達(dá)10 MHz；每條輸入通道包括7檔可編程的輸入范圍±100mV ～±10V，模擬和數(shù)字觸發(fā)，以及兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

數(shù)據(jù)測量和處理使用類型是單端輸入。選用NIscc-68型的接線盒。調(diào)用MATLAB的采集工具箱編寫控制NI采集卡的程序。使MATLAB可以控制NI的DAQ采集卡。將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱的數(shù)據(jù)采集軟件可用于控制信號(hào)輸入、輸出，還可當(dāng)做定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具備DAQ設(shè)備部分系統(tǒng)的功能。既可以同步訪問幾個(gè)測量設(shè)備也可以訪問單個(gè)設(shè)備。能夠主動(dòng)檢測并讓它自行疊代更新，依據(jù)處理的結(jié)果來測試參數(shù)設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集工具箱包含三種組件：M-文件函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動(dòng)接口。通過這3種組件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集硬件的互聯(lián)與信息傳遞[1]。利用MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱編寫程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MATLAB/GUI設(shè)計(jì)系統(tǒng)人機(jī)交互界面完成系統(tǒng)集成。采樣時(shí)間、采樣頻率的設(shè)置則根據(jù)測量精度要求由特性參數(shù)（set）加以設(shè)定。采樣點(diǎn)數(shù)=采集頻率×采集時(shí)間，采樣點(diǎn)數(shù)越多，測量精度越高，但效率降低。程序設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)處理

評(píng)定圓度、圓柱度誤差的常用方法有最小區(qū)域法（MZC）、最小二乘法（LSC）、最小外接圓（柱）法（MCC）及最大內(nèi)接圓（柱）法（MIC）。其中只有最小區(qū)域法才是符合國標(biāo)的定義，符合最小條件。它所得誤差值是唯一的、最小的。根據(jù)GB 1598—80《形狀和位置公差一檢測規(guī)定》中提出的“最小條件原則”，即評(píng)定時(shí)被測要素相對(duì)其理想要素的最大變動(dòng)量應(yīng)為最小[2]。

圖2 位移特性曲線圖

表1 檢定結(jié)果

圖3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)思路

設(shè)各橫向測量截面上的采樣點(diǎn)Pi的坐標(biāo)值為（ xi，yi，zi）（ i = 1，2，…，n，n 為測點(diǎn)數(shù)），而在某一測量截面內(nèi)，采樣點(diǎn)到理想圓心的距離。

式中j、k、q理想軸線方向向量，u、v、g為理想軸線位置向量。

因此軸類零件形位誤差的評(píng)定就轉(zhuǎn)化為這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最小值求解問題。

Matlab的優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）中含有一系列的優(yōu)化算法函數(shù)，本類問題屬于求解無約束條件非線性極小值。上述這兩個(gè)多元函數(shù)的極小值求解，采用fminsearch和Fminunc這兩種函數(shù)即可求出在指定點(diǎn)附近的最小值。[3]

文中還設(shè)計(jì)了友好的可視化界面，將傳感器采集數(shù)據(jù)輸入界面，選定方法，即可求得圓度圓柱度誤差值，并繪制誤差示意圖，直觀明了。最后生成word檢測報(bào)告。[4-5]

5 測量實(shí)例

圖4 檢測平臺(tái)示意圖

測量一直徑為25mm，長度50mm的圓棒料。檢測平臺(tái)示意圖如圖4所示。選用探頭直徑5mm，量程1mm，精度0.001mm的YDYT98電渦流位移傳感器。將傳感器安置在零件上方，由于測量頭有ф5直徑的小平面，調(diào)整測量頭處于檢測外圓的最高點(diǎn)附近即可檢測測量頭到該外圓表面的最高點(diǎn)的距離變化量，由傳感器的安裝高度尺寸減去這一數(shù)值，即為零件的半徑變化量。通過對(duì)采樣時(shí)間、采樣頻率、測量截面間距的設(shè)置，計(jì)算出各采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

圖5 圓度誤差評(píng)定界面

圖6 圓柱度誤差評(píng)定示意圖

打開MATLAB設(shè)計(jì)的界面。輸入采樣頻率20Hz。采樣時(shí)間5S。點(diǎn)擊開始采集按鈕采集數(shù)據(jù)，一圈采集100個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)生成txt文件并保存到指定的文件中。以便將來存取方便。采集完一個(gè)界面后進(jìn)行圓度誤差評(píng)定，處理界面見圖5所示。在圖像處理界面框中，左邊視圖為被測輪廓實(shí)際輪廓，右邊為誤差擬合示意圖，可以看出，兩同心圓包容被測圓輪廓時(shí)，至少有四個(gè)實(shí)測點(diǎn)里外相間地在兩個(gè)包容圓上，滿足交叉準(zhǔn)則的評(píng)定。說明該系統(tǒng)是正確的。

通過滾珠絲桿帶動(dòng)檢測滑座軸向移動(dòng)4mm，測量十個(gè)截面，共一千個(gè)采樣點(diǎn)。將采集到的數(shù)據(jù)載入界面中進(jìn)行圓柱度誤差數(shù)據(jù)處理。圓柱度誤差示意圖如圖6所示。左邊視圖中間的軸線為理想圓柱面的中心線。最內(nèi)層紫色圓柱面是過最內(nèi)點(diǎn)的內(nèi)包容圓柱面，最外層淡藍(lán)色圓柱面則是過最外點(diǎn)的外包容圓柱面。而中間折面則是實(shí)際被測圓柱者面，從該折面可以看出該外圓表面呈現(xiàn)兩頭大，中間小的馬鞍形趨勢。該圖片還可旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放，將該圖片旋轉(zhuǎn)至右邊的俯視圖狀態(tài)，可知內(nèi)外包容面包容零件的外圓柱表面，說明數(shù)據(jù)處理是正確的。

點(diǎn)擊評(píng)定方法，還可用其他三種方法對(duì)工件進(jìn)行誤差評(píng)定。通過對(duì)圖像的觀察可知這些方法均滿足評(píng)定要求，驗(yàn)證了計(jì)算程序的可行性。

最后點(diǎn)擊菜單欄的生成報(bào)告，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以word輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。包括采樣點(diǎn)坐標(biāo)、各方法運(yùn)算得到的誤差值以及評(píng)定圖像，直觀明了。

6 結(jié)語

由測量實(shí)例可以看出：文中設(shè)計(jì)的軸類零件智能檢測平臺(tái)，利用電渦流傳感器，在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，成本低，采集效率好，評(píng)定精度高，符合國標(biāo)的定義，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)可視化。該裝置還可推廣至軸類零件位置誤差各檢測項(xiàng)目的檢測，在實(shí)際應(yīng)用中有較好的推廣價(jià)值。