秦自瑞，于連棟，孟廣燦

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 23009)

液壓傳動在車輛、起重運輸機械、工程機械、礦山設(shè)備及其他機械中具有廣泛的應(yīng)用。油缸作為液壓傳動中不可或缺的組成部分，其內(nèi)徑各參數(shù)的精度，將直接對傳動系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

對類似于油缸內(nèi)壁的孔徑測量方法，一般分為直接測量法和間接測量法［1－9］。直接測量法是利用兩點或三點定位，直接測量出孔徑的方法。其常用測量工具包括內(nèi)徑千分尺、萬能測長儀、臥式測長儀等，通用長度測量工具和內(nèi)徑測微儀、柔性坐標(biāo)測量機等專用的孔徑測量工具，但此類測量方法效率低、誤差大，且不易用于深孔徑和高精度產(chǎn)品的在線測量。間接測量法是利用三點定一圓原理，測出被測孔圓周上任意三點的坐標(biāo)值，然后根據(jù)相關(guān)算法，求出圓心坐標(biāo)，再換算出孔徑尺寸和其他參數(shù)。此類方法效率高、誤差小，可用于在線檢測，本檢測系統(tǒng)采用的就是間接測量法。

1 測量系統(tǒng)概述

測量系統(tǒng)的設(shè)計思想是，將4個高精度位移傳感器安裝在所設(shè)計的傳感器夾具上，并將其放入被測油缸的內(nèi)部，在氣浮導(dǎo)軌的牽引下，平穩(wěn)通過被測量油缸。將所獲得的位移傳感器的信號變化量，傳送至上位機，應(yīng)用間接測量方法的原理，將所測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)變化量，通過最小二乘擬合數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理運算，進(jìn)而獲得油缸內(nèi)壁所需的多項參數(shù)。

本檢測系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成。其中，硬件部分主要由4個高精度位移傳感器、4通道電感箱、數(shù)據(jù)采集卡、氣浮導(dǎo)軌及上位機組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電感位移傳感器一端接至4通道電感箱，然后將其4路電壓信號的輸出端連接至數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道口，數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的A/D功能模塊對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過PCI總線接口傳輸至上位機，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。與此同時，上位機通過PCI總線向數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部傳送各種氣浮導(dǎo)軌的控制信號，進(jìn)而控制氣浮導(dǎo)軌的運動，這樣就實現(xiàn)了上位機對現(xiàn)場4個位移傳感器信號的采集和氣浮導(dǎo)軌控制信號的傳輸。軟件部分主要是基于VB 6.0的上位機數(shù)據(jù)采集和處理軟件的開發(fā)設(shè)計。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體框圖

2 硬件部分簡介

檢測系統(tǒng)主要目的是檢測油缸內(nèi)壁的圓柱度、直線度和直徑等參數(shù)，因該檢測系統(tǒng)測量精度要求范圍是(－15 μm，+15 μm)，且為動態(tài)測量，所以所選傳感器必須是精度高、響應(yīng)速度快的位移傳感器。根據(jù)以上要求，系統(tǒng)選用瑞士TESA公司的電感位移傳感器，也稱電感測頭，其為半橋型傳感器，將位移變化轉(zhuǎn)化為電信號，測量范圍是 ±0.5 mm，軸向行程 1.25 mm，靈敏度是73.75 ±0.5 mV(V/mm)，是線性誤差 ＜0.2%，重復(fù)度 ＜0.2 μm。

由于所選的傳感器的供電電源要是13 kHz的5 V交流電壓源，為保證傳感器輸出信號的高穩(wěn)定性和傳輸?shù)谋憬菪?，為其配備了通道電感箱?/p>

因在檢測過程中，需要接受大量的傳感器信號傳入上位機進(jìn)行實時處理和分析，這就需要高速且大容量的數(shù)據(jù)采集裝置，系統(tǒng)采用研華公司的PCI－1711高速數(shù)據(jù)采集卡，為用戶提供了所需的測量和控制功能，可提供16通道單端 A/D輸入，12 bit A/D轉(zhuǎn)換，采樣率最高可達(dá)100 kHz，每個輸入通道的增益可單獨編程，用戶可根據(jù)每個通道不同的輸入電壓類型來選擇不同的增益系數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的輸入范圍設(shè)定，卡上1 kB采樣FIFO緩沖器，可編程計數(shù)器/定時器，自動通道/增益掃描［10］。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集

由PCI－1711進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的編程方式可分為3種:軟件觸發(fā)方式、中斷方式和DMA方式［11］。軟件方式就是軟件命令觸發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該方式編程相對簡單，但采集數(shù)據(jù)速度較慢，多用于低速數(shù)據(jù)采集;中斷傳輸方式比軟件傳輸方式采樣速度高，模擬量輸入中斷傳輸方式有兩種:一種方式是每一次轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個中斷;另一種方式是把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存在FIFO中。根據(jù)硬件的不同，當(dāng)FIFO半滿或全滿時產(chǎn)生一個中斷，設(shè)備驅(qū)動接收到中斷后會發(fā)送不同的事件告知用戶當(dāng)前采樣狀態(tài);DMA方式是三者中數(shù)據(jù)傳輸最快的，數(shù)據(jù)在沒有CPU介入的情況下直接在設(shè)備和內(nèi)存間傳輸，設(shè)備驅(qū)動會探測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并發(fā)送合適的事件通知用戶［12－13］。系統(tǒng)在軟件程序中調(diào)用動態(tài)鏈接庫，采用DMA方式下的FIFO功能進(jìn)行信號數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是用的第3種方式——DMA方式，結(jié)合Visual Basic 6.0開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 DMA方式數(shù)據(jù)采集流程

3.2 數(shù)據(jù)處理

用4個電感位移傳感器測量油缸內(nèi)壁的參數(shù)，其根本原理是通過把測量截面的4個傳感器所測得的位移變化量，轉(zhuǎn)化為其所在坐標(biāo)平面內(nèi)的坐標(biāo)值，然后通過這4個坐標(biāo)值，利用最小二乘擬合，擬合出此油缸被測量截面的實際圓心位置坐標(biāo)和油缸直徑。該測量過程的關(guān)鍵點在于將電感位移傳感器所測量的變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的坐標(biāo)值的變化。在理想的情況下，夾具上所安裝傳感器的軸線正交，軸線的交點和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的中心重合，以此相交軸線為坐標(biāo)軸、相交點為原點建立直角坐標(biāo)系，那這4個位移傳感器所測得轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)則分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)。

3.2.1 最小二乘擬合原理

假設(shè)所測量截面為XY，4個位移傳感器所測量轉(zhuǎn)化后的位置坐標(biāo)分別為 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，P3(x3，y3)，P4(x4，y4)此4 點均在所擬合的圓上，理想圓方程為

所謂求擬合圓，即確定上式中圓心坐標(biāo)(x0，y0)和半徑的值。按最小二乘法定義，應(yīng)該以求目標(biāo)F(x0，y0，的最小值來定參數(shù)。其中

經(jīng)一系列推導(dǎo)之后，求解結(jié)果為

其中

只有當(dāng)圓心坐標(biāo)(x0，y0)足夠小時，才能作線性變換C=++R2。若(x0，y0)不是足夠小，會帶來線性誤差，這時需以求得的圓心坐標(biāo)(x0，y0)為新坐標(biāo)的原點，對測量數(shù)據(jù)點進(jìn)行坐標(biāo)平移后在進(jìn)行最小二乘擬合，直到求得坐標(biāo)(x0，y0)為足夠小［14－15］。本測量系統(tǒng)的擬合圓心坐標(biāo)(x0，y0)足夠小，所以測量坐標(biāo)不用進(jìn)行坐標(biāo)變換。

3.2.2 誤差處理

系統(tǒng)的測量誤差主要包括溫度變化引起的測量裝置變形誤差，傳感器精度誤差，傳感器安裝誤差等，由于測量環(huán)境可以進(jìn)行恒溫控制和所選傳感器為高精度傳感器，所以上述前兩項誤差可以忽略不計，但傳感器的安裝誤差應(yīng)該予以消除。傳感器的安裝誤差可分3個方面:

(1)坐標(biāo)系原點偏心誤差，即安裝位移傳感器的正交軸線的交點和被測件的中心有一點偏差。

(2)位移傳感器安裝軸線非正交引起的坐標(biāo)位置誤差。

(3)位移傳感器安裝軸線非正交和理想坐標(biāo)系原點偏心誤差在測量時所帶來的誤差。

由上述擬合方法，經(jīng)所編寫的軟件進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理，即可快速地得到油缸的直線度、圓柱度和油缸半徑。圖3為測量系統(tǒng)的軟件界面。

圖3 測量系統(tǒng)的軟件界面

4 結(jié)束語

介紹了的液壓油缸內(nèi)徑參數(shù)檢測的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，測量精度高、效率高，可用于在線檢測的環(huán)境中，通過測量出液壓油缸內(nèi)壁的直徑、直線度、圓柱度等參數(shù)，可快速地檢驗其產(chǎn)品是否符合出廠精度要求，具有很強的實用性，該系統(tǒng)可在產(chǎn)品的深孔參數(shù)檢測領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行推廣。

［1］ 尤政，梁晉文.高精度大型工件內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)［J］.航空計測技術(shù)，1995，15(2):3 －5，8.

［2］ 林葵生.大孔徑工件內(nèi)徑的測量［J］.計量與測試技術(shù)，1995(6)11－12.

［3］ 李均.數(shù)字式精密孔徑測量系統(tǒng)及其傳感器［J］.測控技術(shù)，1996，15(2):30 －31.

［4］ 喬亞天.梯度折射率光學(xué)與通信［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報，1999(6):39－42.

［5］ 李小娟，王黎，高曉蓉，等.超聲無損檢測成像技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，34(21):128 －130.

［6］ 徐安桃，付敬業(yè)，鄭義忠，等.小深孔內(nèi)徑電容傳感測量系統(tǒng)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2002，19(6):2460 －2463.

［7］ 石心余，吳樂軒，董秀麗，等.柴油機缸套內(nèi)徑和活塞外徑測量裝置的研制［J］.機械，2002，29(01):60－62.

［8］ 范旭東，郭立美.環(huán)規(guī)內(nèi)徑的測量及不確定度的評定［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2006(4):59－60.

［9］ 楊秀華，趙世平，廖俊必.一種光纖式數(shù)字塞規(guī)儀的設(shè)計［J］.中國測試技術(shù)，2004，3(2):14 －16.

［10］李文濤，肖俊生，江杰，等.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深孔測徑系統(tǒng)的設(shè)計［J］.嵌入式技術(shù)，2007(7):44－46.

［11］楊坤，徐海峰，毛學(xué)良.深孔內(nèi)徑光電檢測技術(shù)研究［J］.科技資訊，2008(19):7.

［12］ ADVANTECH CO，Ltd.PCI－1711 User Manual.(2010 －09－10)［2010 －03 －29］.http://www.advantech.com.cn.

［13］ Advantech Co.，Ltd.研華設(shè)備驅(qū)動冊［EB/OL］.(2011 －03 －02)［2012 －03 －25］http://www.advantech.com.cn/eAutomation.

［14］王少華，閆光輝，高鮮萍，等.基于PCI－1711板卡的駕駛員疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.天津工程師范學(xué)院學(xué)報，2010，20(2):33 －36.

［15］李錦，王琪，宮明廣，等.基于PCI－1712的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技廣場，2009(11):121 －124.

［16］張國雄.三坐標(biāo)測量機［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［17］劉書桂，李蓬，那永林.基于最小二乘原理的平面任意位置橢圓的評價［J］.計量學(xué)報，2002，23(4):245－247.