基于LabVIEW大長(zhǎng)徑比圓管軸線直線度精密測(cè)量系統(tǒng)的研究*

王少鋒，申毅，劉文婧

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在當(dāng)前研究背景下，針對(duì)長(zhǎng)度2.7 m左右，直徑35 mm的大長(zhǎng)徑比炮筒直線度測(cè)量時(shí)，因?yàn)閮?nèi)孔直徑過小，管內(nèi)壁粗糙度較大，采用傳統(tǒng)方法檢測(cè)直線度較為困難.與此同時(shí)，因?yàn)榇祟惔箝L(zhǎng)徑管件主要應(yīng)用于炮筒等軍工產(chǎn)品中，所以相關(guān)大長(zhǎng)徑比管件的后期直線度測(cè)量和后續(xù)的校直問題已經(jīng)成為了亟需解決的問題之一[1].

奧地利的AVL公司研制出了一種電容式測(cè)量深孔直線度移動(dòng)鋼筒的傳感器，可以測(cè)出被測(cè)孔的直線度[2]，但在實(shí)際應(yīng)用過程中造價(jià)過高.Pont F D U[3]發(fā)明的槍管直線度檢測(cè)裝置將光學(xué)成像原理與螺旋測(cè)微儀應(yīng)用于槍管的直線度檢測(cè)，該方法在實(shí)際測(cè)量過程中對(duì)于環(huán)境要求過于苛刻，不宜使用在工廠中.南京理工大學(xué)張培林教授等通過對(duì)激光發(fā)射器和PSD(Position-Sensitive Detector)靶標(biāo)的研究提出了一種深孔直線度測(cè)量方法即光軸法，但是在被測(cè)件長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，該方法比較笨重，不便于操作[4].

綜合考慮上述方法的優(yōu)劣勢(shì)，本次測(cè)量針對(duì)長(zhǎng)度2.7 m、內(nèi)孔直徑35 mm的管件，采用光軸法來測(cè)量深孔軸線直線度.

1 直線度檢測(cè)系統(tǒng)的組成及測(cè)量原理

1.1 直線度測(cè)量系統(tǒng)的組成

提出的測(cè)量系統(tǒng)主要由：1.激光發(fā)射器；2.小孔測(cè)量靶；3.接收靶；4.自適應(yīng)性支撐腿；5.推桿；6.電纜組成.該系統(tǒng)的具體組成如圖1所示.

圖1 測(cè)量原理圖

本系統(tǒng)的工作流程：氦氖激光器發(fā)出的激光直接射向可以在圓管中移動(dòng)的測(cè)量元件，測(cè)量元件的中心變化可以反映出身管被測(cè)截面中心位置的變化，裝在截面上的PSD可以實(shí)時(shí)獲得激光器光點(diǎn)的位置坐標(biāo)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過電纜送至讀數(shù)顯示器處.讀數(shù)顯示器將數(shù)據(jù)通過zigbee網(wǎng)絡(luò)[5]將測(cè)量信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸至計(jì)算機(jī).經(jīng)過軟件處理后可以得到光點(diǎn)實(shí)際位置，再經(jīng)過徑向偏移量算法算出各測(cè)量點(diǎn)徑向偏移量，即可獲得圓管的直線度值.

1.2 測(cè)量系統(tǒng)硬件介紹

1.2.1 He-Ne激光器

激光發(fā)射器的主要作用是在直線度測(cè)量過程中發(fā)射出準(zhǔn)直光線，因?yàn)榧す獍l(fā)射器發(fā)射出的激光有能量高、方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故本次課題選取激光光線作為準(zhǔn)直光線，其工作原理為依靠氖氣產(chǎn)生激光光束，而氦氣因?yàn)槠錃怏w的穩(wěn)定性，可以穩(wěn)定激光發(fā)射功率且可以為激光發(fā)射提供必要的工作環(huán)境，而且氦氣還可以改變激光光線原本的波長(zhǎng)以針對(duì)于不同工作環(huán)境的測(cè)量，一般情況下主要使用波長(zhǎng)為0.65 μm的紅光.本次設(shè)計(jì)所采用的氦氖激光器實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 氦氖激光器

1.2.2光電靶位置傳感器

光電靶主要是由接收靶靶標(biāo)、導(dǎo)電器件、中央控制單元和發(fā)光元件組成，導(dǎo)電單元分為2個(gè)獨(dú)立部分，2個(gè)獨(dú)立部分又由多個(gè)互相絕緣的部分組成.如果有激光光束擊中靶標(biāo)上的某個(gè)部分時(shí)，該區(qū)域的導(dǎo)電層會(huì)自動(dòng)連接，從而得到該激光光束具體的擊中位置，中央控制器檢測(cè)到電流導(dǎo)通后會(huì)使得對(duì)應(yīng)相關(guān)位置的發(fā)光單元發(fā)光[6].其實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 光電靶位置傳感器

1.2.3三自由度激光微調(diào)平臺(tái)

在設(shè)計(jì)中，激光器微調(diào)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)中基準(zhǔn)軸線的確定影響巨大，保證激光器的固定是全方位的，固定激光發(fā)射器后，使其可以實(shí)現(xiàn)水平方向、豎直方向與發(fā)射角度三自由度的微調(diào)，確?？焖偾覝?zhǔn)確地確定基準(zhǔn)軸線.實(shí)物圖如圖4所示.

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試時(shí)，整體測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示.

圖4 激光發(fā)射器微調(diào)平臺(tái)

圖5 現(xiàn)場(chǎng)效果圖

2 測(cè)量系統(tǒng)LabVIEW軟件的編制

2.1 LabVIEW軟件概述

通過前面設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可以知道，直線度最終可以由PSD的位置信號(hào)經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理得到，其中就有2個(gè)問題，一是PSD信號(hào)如何提取，另一就是提取出數(shù)據(jù)之后運(yùn)用什么平臺(tái)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此，需要一套與之配套的軟件系統(tǒng)來進(jìn)行這兩方面的操作，LabVIEW軟件具備與其它儀器進(jìn)行連接控制及把復(fù)雜運(yùn)算圖形化的功能，通過編寫軟件程序，可以很好地完成采集信號(hào)的提取及處理工作，從而得到最終的軸線直線度大小[7].

2.2 測(cè)試軟件的結(jié)構(gòu)和模塊

利用LabVIEW程序軟件設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的軟件，設(shè)計(jì)包括2個(gè)主要部分：即測(cè)試界面的設(shè)計(jì)和程序框圖的設(shè)計(jì).測(cè)試界面主要是通過前面板上的一些圖形化控件構(gòu)成，在測(cè)試界面完成后，用戶運(yùn)行軟件時(shí)可以展現(xiàn)出各種可視化的界面信息，包括測(cè)試控制按鈕、顯示波形、參數(shù)設(shè)置界面等信息.程序框圖則是程序運(yùn)行的主體部分，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理的流程都是在程序框圖中反映出來的[8].

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃.圖6是基于虛擬儀器的圓管直線度測(cè)量系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖.利用主程序控制所有程序的運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存功能.軟件的任務(wù)主要包括初始化儀器，設(shè)置測(cè)量所需要的各種參數(shù)，并采集數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，把測(cè)試結(jié)果寫到保存文件中，后期可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此記錄文件的讀取，最后軟件進(jìn)行打包，便于查看.

圖6 測(cè)量系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖

在測(cè)試之前得對(duì)儀器進(jìn)行初始化配置，分模塊編寫相應(yīng)軟件，整個(gè)直線度測(cè)試系統(tǒng)的程序模塊包括：數(shù)據(jù)采集和測(cè)量模塊、處理程序模塊、顯示程序模塊、保存程序模塊.測(cè)量系統(tǒng)前面板如圖7所示.

圖7 軟件前面板圖

2.3 測(cè)試軟件的數(shù)據(jù)接收和測(cè)量程序模塊

數(shù)據(jù)的接收模塊：通過測(cè)量裝置測(cè)量到的偏差數(shù)據(jù)通過zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)由讀數(shù)顯示器傳輸?shù)浇邮掌魈帲B接接收器并安裝插件，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái).接收器如圖8所示，單次測(cè)量數(shù)據(jù)形式如圖9所示.

通過接收器傳輸?shù)诫娔X端的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制格式，結(jié)合LabVIEW平臺(tái)中的串口函數(shù)與pc端口搭建數(shù)據(jù)接收平臺(tái).實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與采集.基于已采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合zigbee通訊協(xié)議，第9和10位數(shù)據(jù)即圖9中的“A9,33”代表測(cè)量點(diǎn)水平偏差，同理第17和18位數(shù)據(jù)即圖9中的“B7,FF”代表測(cè)量點(diǎn)垂直偏差量.

圖8 接收器連接電腦

圖9 單次測(cè)量數(shù)據(jù)形式

2.4 測(cè)試軟件的數(shù)據(jù)處理程序模塊

基于上述采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的算法將傳輸過來的16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并計(jì)算出該測(cè)量平面的垂直偏差量和水平偏差量(單位：mm).

以上文得到水平和垂直偏差為例.首先看后一位的第一位數(shù)如果為“0～9”，說明所測(cè)量到的數(shù)據(jù)為正值，如測(cè)量值為正，將后一位與前一位位置互換并舍去最后一位直接轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)數(shù)據(jù)位代表4個(gè)距離，所以在得到的十進(jìn)制數(shù)基礎(chǔ)上再乘以4，得到的數(shù)據(jù)單位為μm，所以要在得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再除以1 000，即為所得數(shù)據(jù).以“A9,33”數(shù)據(jù)為例，因?yàn)楹笠晃坏谝晃粩?shù)為“3”，所以測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為正，后一位與前一位互換位置并舍棄最后一位得到“33A”，直接轉(zhuǎn)十進(jìn)制數(shù)即為“826”，乘以4得到“3 304”，除以1 000得到“3.304”，即該測(cè)量點(diǎn)的水平偏差量為﹢3.304(單位：mm).

如若采取到的測(cè)量值為負(fù)，將后一位與前一位位置互換并舍去最后一位，每一個(gè)16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)并取反，最后得到的二進(jìn)制數(shù)在最后一位加1，得到的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)數(shù)據(jù)位代表4個(gè)距離，所以在得到的十進(jìn)制數(shù)基礎(chǔ)上再乘以4，得到的數(shù)據(jù)單位為μm，在得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再除以1 000，即為所得數(shù)據(jù).以“B7,FF”為例，因?yàn)楹笠晃粩?shù)的第一位數(shù)為“F”，所以該點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為負(fù)，互換位置并舍棄最后一位得到“FFB”，每一個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制并取反再加1得到二進(jìn)制數(shù)“000 000 000 101”，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)“5”乘以4得“20”，除以1 000得“0.02”，所以該測(cè)量點(diǎn)垂直偏差數(shù)據(jù)為“-0.02”.程序框圖如圖10所示.

圖10 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

2.5 測(cè)量點(diǎn)徑向偏差量和偏轉(zhuǎn)角度算法的研究

基于上文提到的帶有刻度的推桿推動(dòng)PSD靶標(biāo)不斷在管內(nèi)軸線移動(dòng)，激光發(fā)射器擊打在靶標(biāo)上的激光斑點(diǎn)因?yàn)楦鱾€(gè)截面直線度誤差導(dǎo)致激光斑點(diǎn)發(fā)生偏移，如圖11所示.h為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的水平偏差，mm；v為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直偏差，mm；δ即為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的徑向偏差量，mm；如式(1)所示.α為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角，°；計(jì)算如式(2)所示.

圖11 PSD接收靶示意圖

(1)

(2)

經(jīng)過處理的h值和v值基于上文研究的式(1)和(2)，求出該測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的徑向偏差量和偏轉(zhuǎn)角度，對(duì)后續(xù)圓管的校直工作有很大的參考價(jià)值.偏轉(zhuǎn)角度如圖12所示.

圖12 偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算

2.6 測(cè)試軟件的數(shù)據(jù)顯示程序模塊

該區(qū)域由“波形圖”、“表格”和“直線度”3個(gè)控件組成.“波形圖”控件由x軸和y軸組成，x軸表示測(cè)量距離，測(cè)量距離(單位：mm)為測(cè)量次數(shù)n乘以單次測(cè)量距離L；y軸表示不同測(cè)量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不同徑向偏差量數(shù)值，多次測(cè)量后形成波形圖.“表格”控件，測(cè)量過程的進(jìn)行，實(shí)時(shí)顯示各測(cè)量點(diǎn)的徑向偏差量數(shù)據(jù).“直線度”控件，顯示在當(dāng)前測(cè)量情況下，各測(cè)量點(diǎn)中，徑向偏差量的最大值(單位：mm).實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示.程序框圖如圖13所示.

圖13 數(shù)據(jù)顯示模塊程序框圖

2.7 測(cè)試軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序模塊

綜合考慮各種儲(chǔ)存文件格式的文件性能、程序兼容性、文件大小、文件支持的數(shù)據(jù)類型、文件的可維護(hù)性等因素，本次課題所采用的文件保存形式為docx，保存的文件中包含有波形圖、圖表、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量人員等相關(guān)信息[9].程序圖如圖14所示.

圖14 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序模塊

3 實(shí)驗(yàn)論證

將結(jié)合上文介紹的測(cè)量設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)與軟件結(jié)構(gòu)，針對(duì)長(zhǎng)度2.7 m，內(nèi)孔直徑30 mm的圓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

1)在新建項(xiàng)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體包括測(cè)試所需要的測(cè)試平面、激光發(fā)射器、3自由度激光器微調(diào)平臺(tái)、PSD測(cè)量靶、自適應(yīng)性支撐腿、帶刻度推桿、電纜、讀數(shù)顯示器等硬件進(jìn)行組裝.

2)激光發(fā)射器調(diào)零工作，第一步先將激光發(fā)射器放置于待測(cè)管件的一端，發(fā)射出準(zhǔn)直光線；第二步將連接好的PSD靶標(biāo)放于待測(cè)管件一端，對(duì)激光微調(diào)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，使讀數(shù)顯示器顯示的縱向偏差與橫向偏差為0，推動(dòng)推桿將PSD靶標(biāo)推至管件另一端，繼續(xù)對(duì)微調(diào)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，使這一點(diǎn)讀數(shù)也為0，拉動(dòng)推桿回到初始端調(diào)零，直至待測(cè)管件的兩端讀數(shù)顯示器都為0.如圖15所示.

圖15 讀數(shù)顯示器讀數(shù)為0

3)將接收器連接到電腦端，打開軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)如com口的選擇、單次測(cè)量距離的選擇、文件保存路徑的選擇.設(shè)置好的軟件面板如圖16所示.

圖16 軟件相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

4)運(yùn)行軟件，并將推桿按照軟件設(shè)置的單次測(cè)量距離進(jìn)行測(cè)量，到達(dá)測(cè)量點(diǎn)后注意推桿保持水平位置待讀數(shù)顯示器讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕.得到該點(diǎn)的徑向偏移量和偏轉(zhuǎn)角度.重復(fù)上述步驟，直至測(cè)量完整個(gè)管件.

5)待測(cè)量完整個(gè)管件后點(diǎn)擊“報(bào)表生成”按紐，生成如圖17所示的word文檔和表1的測(cè)量數(shù)據(jù).

圖17 測(cè)量數(shù)據(jù)波形圖

表1 測(cè)量管件各點(diǎn)偏差數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本課題針對(duì)長(zhǎng)度2.7 m、內(nèi)孔直徑30 mm的大長(zhǎng)徑比圓管直線度進(jìn)行檢測(cè)，以激光法射出的準(zhǔn)直光線作為基準(zhǔn)軸線，接收靶不停在內(nèi)孔中移動(dòng)，待讀數(shù)穩(wěn)定，求得該測(cè)量平面相對(duì)于基準(zhǔn)軸線的徑向偏移量，比較得到各個(gè)偏移量的最大值.發(fā)現(xiàn)管件徑向偏移量最大值往往出現(xiàn)在管件中部位置.分析管件加工過程，大致可分析出以下兩方面因素：①自然生產(chǎn)出的炮管因?yàn)榭趶叫￠L(zhǎng)度大，在加工過程中易導(dǎo)致管件中部位置加工受限；②在管件存放過程中保存不合理，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.綜合以上2個(gè)主要原因，使得徑向偏移量最大點(diǎn)出現(xiàn)在管件中部，結(jié)合數(shù)據(jù)中的徑向偏移量數(shù)據(jù)和偏移角度數(shù)據(jù)進(jìn)行校直處理.