一種新型便攜式智能氣電測(cè)微儀的研發(fā)

辛百靈 陳桂芳

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南，三門(mén)峽 472000)

0 引言

在目前機(jī)械加工行業(yè)，機(jī)械零件的精度檢測(cè)量?jī)x分為機(jī)械式、光學(xué)式、電感式和氣動(dòng)式，氣動(dòng)量?jī)x是唯一非接觸式測(cè)量，適用于零件的精密測(cè)量，尤其是薄壁零件和高精度零件因無(wú)測(cè)量力而備受歡迎。目前行業(yè)內(nèi)廣泛使用的有浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x、電子柱式氣電測(cè)微儀和SPC氣電測(cè)量工作站等，每一種量?jī)x都有其使用范圍，不能很好的與現(xiàn)代智能化生產(chǎn)相適應(yīng)，為此，我們研發(fā)了一種能夠完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、在線檢測(cè)、多通道多參數(shù)檢測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、即時(shí)處理的方便攜帶的新型智能氣電測(cè)微儀，該儀器集氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)、氣電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)、信息通訊技術(shù)、SPC統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)于一體，適用于機(jī)械加工行業(yè)各種類(lèi)型企業(yè)機(jī)械零件檢測(cè)的需要。

1 氣動(dòng)量?jī)x檢測(cè)特點(diǎn)分析

氣動(dòng)量?jī)x的測(cè)量原理是利用噴嘴擋板機(jī)構(gòu)，將間隙(位移)變化轉(zhuǎn)化為氣體流量或壓力的變化，再將這一變化通過(guò)浮標(biāo)或指針或液柱或電子柱顯示出來(lái)[1]。測(cè)量介質(zhì)為壓縮空氣，氣動(dòng)測(cè)量裝置與被測(cè)零件之間不直接接觸，是非接觸式測(cè)量。氣動(dòng)量?jī)x依據(jù)被測(cè)參數(shù)不同與不同測(cè)量頭配合使用，指示或顯示被測(cè)尺寸相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的變化量，屬于比較式測(cè)量。

1.1 浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x檢測(cè)特點(diǎn)

浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x實(shí)物圖如圖1所示,該量?jī)x曾經(jīng)是應(yīng)用最為廣泛的一種氣動(dòng)量?jī)x，其主要組成為空氣過(guò)濾器、空氣穩(wěn)壓器、指示部分和測(cè)量裝置，其工作原理是把被測(cè)量的尺寸變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空氣流量的變化的一種測(cè)量?jī)x器，當(dāng)壓縮空氣通過(guò)錐度玻璃管時(shí)流量的變化使得浮在管內(nèi)的浮標(biāo)位置發(fā)生相應(yīng)變化，刻度尺上浮標(biāo)位置的變化量就是被測(cè)尺寸的變化量。

圖1 浮標(biāo)式氣動(dòng)測(cè)量?jī)x實(shí)物圖

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；裝配、調(diào)試、維修方便；價(jià)格低廉。

不足：刻度尺人為讀數(shù)，有誤差；多管量?jī)x的各管之間存在相互干擾現(xiàn)象；不能提供測(cè)量信號(hào)，不適用于自動(dòng)化測(cè)量。

1.2 電子柱式氣電測(cè)微儀

電子柱式氣電測(cè)微儀實(shí)物圖如圖2所示。該量?jī)x采用了嵌入式單片機(jī)技術(shù)，是模擬氣電電子柱的更新?lián)Q代的數(shù)字化產(chǎn)品，更是浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x的替代產(chǎn)品。它是把被測(cè)量的尺寸變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的氣壓變化，通過(guò)氣電轉(zhuǎn)換器將氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由發(fā)光管組成的電子光柱顯示測(cè)量數(shù)值的一種測(cè)量?jī)x器。

圖2 電子柱式氣電測(cè)微儀實(shí)物圖

優(yōu)點(diǎn)：采用了單片機(jī)技術(shù)，進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代，具有了智能化測(cè)量功能和USB、RS232/RS485、I/O等接口。指示部分采用了發(fā)光電子柱顯示，讀數(shù)更直觀清晰；設(shè)置液晶顯示屏，中文菜單操作界面,可人機(jī)交互方便操作，同時(shí)直接顯示檢測(cè)數(shù)值；可多臺(tái)拼裝，搭配不同氣動(dòng)測(cè)頭，可實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)測(cè)量。

不足：多種參數(shù)測(cè)量需多臺(tái)拼裝，不太方便；雖然有的產(chǎn)品可以進(jìn)行多種規(guī)格被測(cè)參數(shù)的多程序設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)，但畢竟有限；雖然通過(guò)數(shù)據(jù)通訊功能可使現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)量?jī)x組成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)服務(wù)器用SPC測(cè)量軟件采集并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，形成SPC統(tǒng)計(jì)圖表，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化在線質(zhì)量管理，但畢竟不能在該量?jī)x上實(shí)現(xiàn)，達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

1.3 氣電測(cè)量SPC工作站

氣電測(cè)量SPC工作站是根據(jù)用戶(hù)要求定制的大型智能檢測(cè)儀器，其實(shí)物各不相同，但大體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由液晶顯示屏、工作臺(tái)、工控機(jī)、各種通道箱、SPC測(cè)量分析軟件等組成。測(cè)量原理是利用被測(cè)工件間隙變化引起氣壓變化，經(jīng)氣電轉(zhuǎn)換器把氣壓變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送至AD板卡對(duì)模擬電信號(hào)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字處理，并采用工控機(jī)技術(shù)，建立Access數(shù)據(jù)庫(kù)，使用SPC測(cè)量軟件，顯示屏可直接顯示各通道被測(cè)尺寸的測(cè)量值。

圖3 氣電測(cè)量SPC工作站實(shí)物圖

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)外接觸發(fā)按鈕可保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存，方便質(zhì)量管理人員對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)的追朔與查詢(xún)；使用SPC測(cè)量軟件能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)、分析、圖表繪制及測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出和備份，可對(duì)加工機(jī)床進(jìn)行工藝能力指數(shù)CP值、CPK值，PP、PPK值的計(jì)算和評(píng)定；設(shè)置多個(gè)相互獨(dú)立的通道(目前大多為12個(gè)通道)，用軟件模擬電子柱顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，代替多臺(tái)電子柱式測(cè)微儀的拼合。

不足：SPC工作站主要應(yīng)用在高精度、大批量零部件生產(chǎn)工廠的重點(diǎn)工序，以對(duì)重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。因其體積龐大，設(shè)置在固定場(chǎng)所，零件的檢測(cè)需操作者或送檢員送到工作站，由專(zhuān)職檢查員進(jìn)行檢測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，又不能在線檢測(cè)，達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

2 便攜式智能氣電測(cè)微儀

2.1 功能要求

1) 體積小，重量輕，便于攜帶；

2) 成本低，操作方便，適應(yīng)各類(lèi)機(jī)械加工企業(yè)；

3) 性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)于放置在加工機(jī)床旁邊；

4) 智能化程度高。能夠完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、在線檢測(cè)、多通道多參數(shù)檢測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、傳輸、測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、追朔與查詢(xún)。

2.2 測(cè)量原理

本儀器的測(cè)量原理為：穩(wěn)壓后的氣源通過(guò)可調(diào)節(jié)流閥由氣動(dòng)測(cè)頭(噴嘴)噴向被測(cè)面，隨著測(cè)量間隙的變化會(huì)引起氣體壓力的相應(yīng)變化[2]，經(jīng)高精度氣電轉(zhuǎn)換裝置把氣體壓力變化轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，送至A/D轉(zhuǎn)換板卡對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字處理，經(jīng)微型工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，在測(cè)量軟件界面顯示各通道被測(cè)尺寸的測(cè)量值。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工件尺寸公差界限，用軟件模擬光柱及顏色指示出被測(cè)工件合格與否。測(cè)量數(shù)據(jù)可保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存，方便提供給操作人員及后期質(zhì)量管理人員對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)的追朔、查詢(xún)，以及SPC統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)量原理框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)量原理框圖Fig.4 Block diagram of the measurement principle

2.3 硬件、軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主要?dú)鈩?dòng)測(cè)量元件選型

1) 壓縮空氣過(guò)濾器。根據(jù)氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)凈化空氣要求的塵?；蛞后w顆粒的直徑不大于5 μm[3],選用QGL-3A型三級(jí)空氣過(guò)濾裝置；

2) 空氣穩(wěn)壓器。氣動(dòng)量?jī)x穩(wěn)定的工作需要穩(wěn)定的氣壓源，必須將較高壓力的空氣降低并穩(wěn)定到規(guī)定的輸出壓力，且此壓力不受壓縮空氣流量的變化及氣源壓力波動(dòng)的影響，能保持輸出壓力恒定[1]。按此要求選擇T-10型精密減壓閥；

3) 壓力傳感器。選擇精確度0.05% FS的壓阻式壓力傳感器SM5651；

4) A/D轉(zhuǎn)換器。選擇分辨率為16位的研華PCL型A/D轉(zhuǎn)換器。

2.3.2 硬件設(shè)計(jì)

外形設(shè)計(jì)要著眼于小型化，便于攜帶。整體結(jié)構(gòu)及電路采用工業(yè)集成模塊化設(shè)計(jì)，硬件采用微型工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理器、觸摸屏(配置鍵盤(pán)和鼠標(biāo))、A/D轉(zhuǎn)換板卡。外形圖如圖5所示。

圖5 便攜式智能氣電測(cè)微儀實(shí)物圖

2.3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用MicrosoftWIN7嵌入式操作系統(tǒng)，置入漢化版SPC測(cè)量系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性、方便性和測(cè)量系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)性、高效性。

2.4 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

2.4.1 主要功能

1) 以前使用的氣動(dòng)側(cè)頭、空氣過(guò)濾器仍可在該量?jī)x上使用；

2) 測(cè)量軟件可對(duì)工件各參設(shè)置、修改、模擬電子柱顯示，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠運(yùn)算、存儲(chǔ)和超差報(bào)警；

3) 測(cè)量軟件具有對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)分析功能：質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析、繪制標(biāo)準(zhǔn)偏差S、Cp值、Cpk值等工藝參數(shù)圖表；

4) 通過(guò)I/O接口可控制電機(jī)、氣缸、報(bào)警燈、測(cè)量按鈕等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件的在線自動(dòng)測(cè)控；

5) 通過(guò)模塊組合可實(shí)現(xiàn)一支到八支傳感器的任意組合運(yùn)算；

6) 設(shè)置4路氣電轉(zhuǎn)換通道，實(shí)現(xiàn)4路獨(dú)立的測(cè)量功能，完成一個(gè)工件多個(gè)工藝參數(shù)的同時(shí)測(cè)量或同一工藝參數(shù)的批量測(cè)量；

7) 可設(shè)置多套程序以進(jìn)行多種規(guī)格參數(shù)測(cè)量。其設(shè)置參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件校正值分別對(duì)應(yīng)程序存儲(chǔ)，使用時(shí)調(diào)出即可；

8) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊，真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)量?jī)x互聯(lián)、量?jī)x與SPC工作站互聯(lián)、量?jī)x與EMS管理系統(tǒng)互聯(lián)等 ，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可能出現(xiàn)異常的及時(shí)處理。同時(shí)方便了管理人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的追溯和查詢(xún)。

2.4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

指標(biāo)名稱(chēng)值測(cè)量方式手持(機(jī)械手)測(cè)量,觸發(fā)保存數(shù)據(jù)測(cè)量節(jié)拍/Hz2～3量程范圍/μm10～25數(shù)顯分辨率/μm0.1～0.2示值總誤差/μm0.4～1.0示值變動(dòng)性/μm0.2～0.5外形尺寸/mm420×350×350質(zhì)量/kg8

2.5 基本操作

該量?jī)x是數(shù)字化智能氣電測(cè)微儀，其操作方式因采用嵌入式計(jì)算機(jī)MicrosoftWIN7操作系統(tǒng)而與電子柱式式有很大區(qū)別?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹一下基本操作步驟。

開(kāi)機(jī)→出現(xiàn)WIN7操作界面→打開(kāi)測(cè)量系統(tǒng)軟件→測(cè)量系統(tǒng)操作界面，顯示操作菜單：參數(shù)設(shè)置、測(cè)量、SPC控制圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、關(guān)閉系統(tǒng)→參數(shù)設(shè)置→測(cè)量→數(shù)據(jù)導(dǎo)出或SPC控制圖→關(guān)閉系統(tǒng)(退出)。

根據(jù)測(cè)量任務(wù)，輸入相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，具體操作，詳見(jiàn)使用說(shuō)明書(shū)。

3 結(jié)語(yǔ)

本量?jī)x是與現(xiàn)代智能化生產(chǎn)相適應(yīng)的智能化精密測(cè)量?jī)x器。集氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)、氣電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)、信息通訊技術(shù)、SPC統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)于一體，適用于機(jī)械加工行業(yè)各種類(lèi)型企業(yè)機(jī)械零件檢測(cè)的需要。