基于位移傳感器的汽車門鎖鉚點高度測量系統(tǒng)

勒系遙，吳靜靜

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122; 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

在汽車門鎖的生產(chǎn)裝配過程中,鉚點高度檢測是裝配質量檢查的一道重要工序。傳統(tǒng)檢查方式依靠人工使用千分尺、塞規(guī)等量具進行手動測量,這種檢查方式效率低下,容易視覺疲勞,人力成本高[1],已不能滿足生產(chǎn)的需求,因此設計一種汽車門鎖鉚點高度自動檢測系統(tǒng)是有必要的。

常規(guī)的高度測量方式主要可以分為接觸式測量和非接觸式測量[2]。非接觸式測量主要以光學原理為基礎,包括激光三角法、機器視覺法和激光掃描法等[3]。燕必希等人[4]設計了一種綜合應用激光三角法和機器視覺測量技術的方法實現(xiàn)了對不同高度的小零件的測量,高度上最大誤差小于0.032 mm。接觸式測量主要使用接觸式傳感器來獲取高度信息,根據(jù)原理可以分為電感式、電容式、電阻式以及霍爾式等[5]。李琪[6]基于三坐標測量機設計了一種智能測量系統(tǒng),實現(xiàn)對圓孔、圓臺、凹槽高度的高精度智能測量。接觸式測量也適用于復雜表面的測量,史藝廣[7]提出了一種基于三坐標的螺紋軸線測量方法,解決了與螺紋軸線相關形位誤差測量的難題。

以上文獻方法中,基于光學原理的非接觸測量方式容易受到門鎖表面潤滑油的干擾而產(chǎn)生誤差,在產(chǎn)線工況下存在局限性,而接觸式測量對測量表面要求不高,測量精度高,因此，接觸式測量方式更適合本文工況下汽車門鎖鉚點高度的測量。本文基于電阻式位移傳感器設計了一種汽車門鎖鉚點高度測量系統(tǒng),包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

1 總體方案設計

1.1 鉚點高度測量原理

在鉚點高度測量系統(tǒng)中,設置3只位移傳感器獲取門鎖鎖面高度數(shù)據(jù),并利用旋轉裝置旋轉一定角度后多次采集并根據(jù)最小二乘法法擬合鎖平面。利用所有鎖面測量傳感器擬合的鎖平面對單個鎖面測量傳感器擬合的微鎖平面進行誤差修正。另設置4只位移傳感器采集待測的4個鉚點的高度數(shù)據(jù)并進行誤差校正。最后建立空間直角坐標系,計算鉚點到臨近微鎖平面的距離即為所求鉚點高度。

1.2 測量系統(tǒng)總體設計

本文系統(tǒng)總體結構示意如圖1所示。系統(tǒng)工作過程如下：順序控制卡控制傳動裝置移載夾具和門鎖工件到測量位置,觸發(fā)接近開關,順序控制卡收到到位信號后氣缸推動位移傳感器接觸汽車門鎖,工控機收到開始命令后采集所有位移傳感器信號,經(jīng)過工控機軟件的處理計算出鉚點高度,并根據(jù)判定閾值得出最終檢測結果,最后將結果顯示并返回給順序控制卡。

圖1 鉚點高度測量系統(tǒng)結構示意

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 位移傳感器

本文系統(tǒng)鉚點高度的測量精度要求是0.01 mm,鉚點到鎖平面高度范圍為-1～2 mm,考慮后選擇MIRAN米朗科技KTR10系列傳感器,該傳感器可以穩(wěn)定輸出標準電壓信號,量程為25 mm,線性精度為±0.1 %,精度為0.01 mm,解析度高,溫漂小,滿足系統(tǒng)測量精度要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡將傳感器的模擬量信號轉換為工控機可處理的電壓數(shù)字量信號。考慮到本文系統(tǒng)需采集14路傳感器信號,傳感器輸出電壓范圍為0～10 V,數(shù)據(jù)采集卡選擇亞為YAV USB 16AD,該數(shù)據(jù)采集卡采用RS—232或485串口通信方式,可采集16路AI信號,采集精度不大于0.01 %,ADC分辨率為16 bit,滿足系統(tǒng)測量要求。

2.3 電源穩(wěn)壓模塊

傳感器供電電壓的穩(wěn)定性至關重要[8]。位移傳感器供電電源選擇直流24 V電源以及一個15 V和一個9 V的降壓穩(wěn)壓模塊,輸出9 V直流電壓供給位移傳感器,經(jīng)過二級降壓穩(wěn)壓可以很好提高傳感器輸出信號的穩(wěn)定性。經(jīng)實際測試,二級穩(wěn)壓后的輸出電壓穩(wěn)定在9.18 V,滿足系統(tǒng)要求。

3 軟件系統(tǒng)設計

本文系統(tǒng)軟件運行流程如圖2所示。主要包括傳感器誤差校正、基準誤差校正及鉚點高度計算與判定3個部分。

圖2 鉚點高度測量系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件采集位移傳感器信號后，根據(jù)輸入電壓轉換獲得單次電壓數(shù)據(jù),多次采集求電壓平均值以減小誤差得到傳感器穩(wěn)定電壓值；然后，經(jīng)過電壓補償?shù)膫鞲衅髡`差校正方法校正位移傳感器的自身非線性誤差,以及基準誤差校正以校正傳感器安裝引入的誤差,提高測量精度；最后，建立坐標系擬合鎖平面方程,計算鉚點高度H。將H與設定閾值進行比較判定鉚點是否“合格”,并將檢測結果顯示和保存。

4 測量方法設計

4.1 基于電壓補償?shù)膫鞲衅髡`差校正方法

根據(jù)位移傳感器量程選擇22組不同高度的標準量塊對傳感器進行標定,采集不同高度下傳感器輸出電壓擬合理想輸出電壓—位移的定度直線,并計算各位移值下實際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差,如圖3所示。

圖3 位移傳感器標定曲線

分析圖3可知：1)傳感器輸出電壓與壓縮距離不是理想線性關系；2)傳感器輸出電壓在不同壓縮值下誤差不同,測量時應調整傳感器安裝高度使傳感器在較好的線性區(qū)間內(nèi)工作。計算傳感器的理想輸出電壓V與壓縮x距離的關系如式(1)所示

V=kx+Va

(1)

式中k為電壓與位移的比例系數(shù),約為338.8 mV/mm；Va為圖3理想定度直線與Y軸的截距。

為了消除位移傳感器自身非線性原因帶來的誤差,對傳感器的輸出電壓進行電壓補償。根據(jù)多次標定試驗得到傳感器在不同輸出電壓下的補償電壓如表1所示。

表1 傳感器輸出電壓補償 mV

采用線性插值[9]方法來計算補償電壓Vc。根據(jù)傳感器實際輸出電壓Vi，查表1找到最小輸出電壓區(qū)間[VOL,VOH](VOL≤Vi≤VOH)以及補償電壓區(qū)間[VcL,VcH],進行線性插值計算找到準確的補償電壓Vc,Vc的線性插值和補償后傳感器輸出電壓V計算如式(2)所示

(2)

4.2 基準誤差校正方法

4.2.1 鉚點高度測量模型

為了確定位移傳感器輸出電壓與鉚點高度的關系,根據(jù)工件與位移傳感器的安裝位置關系,建立系統(tǒng)的測量模型示意如圖4所示。

圖4 鉚點高度測量模型示意

假設傳感器實際輸出電壓Vi,根據(jù)式(1)和式(2)求得Vi和傳感器壓縮距離x的關系如式(3)所示

(3)

以夾具平面為基準,建立空間直角坐標系,式(3)求得的傳感器壓縮距離x即為三維坐標的z值,根據(jù)預先測量的鉚點和鎖平面測量點的二維坐標(xi,yi)得到待測鉚點的三維坐標點集{(xr,yr,zr)}和鎖平面測量點的三維坐標點集{(xp,yp,zp)},將{(xp,yp,zp)}采用最小二乘擬合[10]得到鎖平面方程p(x,y,z),如式(4)所示

(4)

將函數(shù)f分別對系數(shù)A,B,C求一階導數(shù)可求解出A,B,C的值,如式(5)所示

(5)

根據(jù)空間中點到平面的距離關系如式(6)所示,計算鉚點到鎖平面的距離H,H即為所求鉚點高度

(6)

4.2.2 基準平面誤差校正方法

根據(jù)4.2.1節(jié)的高度測量模型圖4(b)分析系統(tǒng)誤差。假設鉚點測量傳感器與鎖平面測量傳感器的壓縮距離差為ΔH,鉚點高度為H?？芍`差來源主要有兩個：1)不同傳感器的安裝高度差Δh;2)夾具的系統(tǒng)誤差e?？芍,H,Δh和e間的關系如式(7)所示

ΔH=H+Δh+e

(7)

為了消除誤差e和Δh,用標準量塊和所有鎖平面測量傳感器的擬合平面對每個傳感器的測量數(shù)據(jù)進行修正。具體校正方法如下：

Step1 采集各只傳感器未壓縮時的初始電壓{Vi}；

Step2 水平放置一個標準量塊,將所有傳感器下降接觸標準量塊并壓縮合適的距離,采集各只傳感器的電壓{V′i},測量鉚點高度時減去{Vi}和{V′i}校正誤差Δh；

Step3 測量鉚點高度時,所有傳感器下降接觸門鎖工件,采集鉚點測量傳感器電壓{V″r},再將3只鎖面測量傳感器多次旋轉角度θ后采集電壓{V″p1}{V″p2}{V″p3},并對數(shù)據(jù)進行篩選去除誤差較大的值,然后，根據(jù){V″p1}{V″p2}{V″p3}擬合出鎖平面方程p(xp,yp,zp)；

Step4 由于每次上料誤差,每個門鎖的鎖平面p(xp,yp,zp)傾斜角度不一樣導致誤差e。計算時各測量點電壓{V″i}應減去該點在p(xp,yp,zp)平面中對應的高度值來校正誤差e,修正后的各測量點電壓{V″ii},進行后續(xù)鉚點高度的計算。

通過以上誤差校正方法,可有效消除系統(tǒng)誤差e和Δh,提高測量精度。

4.3 鉚點高度計算方法

Step1 將所有傳感器安裝固定,門鎖工件固定在夾具上；

Step2 將所有傳感器下降接觸門鎖工件并壓縮合適的距離,采集所有傳感器的電壓,再將3只鎖平面測量傳感器多次旋轉角度θ后采集電壓,得到4個鉚點和n個鎖平面的測量電壓{Vi}并進行數(shù)據(jù)篩選去除誤差較大的數(shù)據(jù)；

Step3 電壓補償與誤差校正。將Step2采集的測量電壓{Vi}根據(jù)4.1節(jié)和4.2節(jié)進行傳感器電壓補償和基準誤差校正,再根據(jù)式(3)計算各個測量電壓值對應位移值{zi}；

Step4 鎖平面擬合。建立空間直角坐標系,以位移值{zi}作為z值,得到4個鉚點的三維坐標{(xr,yr,zr)}和3只鎖平面測量傳感器測量點的三維坐標集合{(xp1,yp1,zp1)},{(xp2,yp2,zp2)和{(xp3,yp3,zp3)},根據(jù)最小二乘法分別擬合出3個表示局部鎖平面的微平面方程P1,P2,P3；

Step5 計算鉚點高度H。根據(jù)Step4中的4個鉚點的三維坐標以及式(6),選擇P1,P2,P3中鉚點的臨近平面作為計算平面P,計算鉚點到計算平面P的距離H,H即為所求鉚點高度。

5 試驗設計與分析

試驗環(huán)境為Intel?CoreTMi7—4790CPU配置的工控機,系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio2015,測試工件為實際汽車門鎖工件若干件。

5.1 重復測量精度試驗

根據(jù)本文方法校正傳感器誤差和消除系統(tǒng)誤差后,測量一件門鎖工件上所有(4個)待測鉚點的高度,每個鉚點重復測量10次,多次試驗并分析重復測量精度,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復測量精度試驗數(shù)據(jù) mm

由表2試驗數(shù)據(jù)可知,所測4個鉚點的高度與平均高度的最大偏差為0.011 mm,計算可得4個鉚點的重復測量精度為0.007 mm,重復測量精度在0.01 mm以內(nèi),滿足檢測精度要求。

5.2 基準誤差校正前后對比試驗

設置2種處理方法,一種進行基準誤差校正方法處理作為對照組,另一種不進行基準誤差校正方法處理作為實驗組,以重復測量精度作為評價指標,用以上2種處理方法分別對同一工件同一位置的鉚點重復測量10次高度,試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 基準誤差校正對比試驗數(shù)據(jù) mm

計算實驗組與對照組鉚點高度的平均值Hmean并使用式(8)計算重復測量精度R

(8)

計算得知，經(jīng)過誤差校正的對照組最大測量偏差為0.009 mm,重復測量精度為0.005 mm,而未經(jīng)過誤差校正的實驗組最大偏差為0.450 mm,重復測量精度為0.024 mm,遠大于經(jīng)過誤差校正的對照組。為更加直觀體現(xiàn)誤差校正方法處理前后的測量高度的重復情況,計算實驗組與對照組10組鉚點高度數(shù)據(jù)Hn與高度平均值Hmean之間的偏差,如圖5所示。可以看出,經(jīng)過誤差校正處理的對照組測量數(shù)據(jù)波動較小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,而未經(jīng)過誤差處理的實驗組各次高度數(shù)據(jù)極差大,測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。試驗表明，本文的誤差校正方法可以有效提高重復測量精度。

圖5 誤差校正前后測量高度偏差對比

6 結 論

本文設計了一種基于電阻式位移傳感器的汽車門鎖鉚點高度測量系統(tǒng),包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)采用了基于電壓補償?shù)膫鞲衅鳂硕ǚ椒▽ξ灰苽鞲衅鞯姆蔷€性誤差進行校正,并提出了一種基準誤差校正方法來消除傳感器安裝導致的系統(tǒng)誤差,提高了系統(tǒng)的重復測量精度,最后判定鉚點高度是否合格。經(jīng)試驗驗證,本文設計的汽車門鎖鉚點高度測量系統(tǒng)重復測量誤差小于0.01 mm,滿足汽車門鎖鉚點高度檢測的要求。