Design and Realization of the Online Detection System

for Large Diameter Work Pieces

代永俊　李欽奉　蘇世杰　錢(qián)慧潔

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212003)

大直徑工件在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Realization of the Online Detection System

for Large Diameter Work Pieces

代永俊李欽奉蘇世杰錢(qián)慧潔

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

摘要：針對(duì)大直徑工件的幾何誤差和外部尺寸的檢測(cè)，采用Microsoft Visual Studio．Net 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了大直徑工件在線檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)、傳感器以及數(shù)控立車三者之間相互通信以及不同測(cè)量項(xiàng)目對(duì)應(yīng)數(shù)控程序的自動(dòng)生成，實(shí)現(xiàn)固定在數(shù)控立車刀架上的高精度激光位移傳感器的數(shù)據(jù)采集。測(cè)量結(jié)束后調(diào)用Matlab優(yōu)化工具箱模塊對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用得出，該套檢測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于大直徑工件的多項(xiàng)目測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)的功能，具有較高精度。

關(guān)鍵詞：大直徑工件在線檢測(cè)Matlab優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)

Abstract：For detecting the geometric error and external dimensions for large diameter work pieces, with Microsoft Visual Studio.Net 2010 as the developing platform, the online detection system for large diameter work pieces is designed. Through achieving the inter-communication among computer, sensor, and CNC vertical lathe, and automatic generation of NC program in different measurement project, thus the data acquisition of high precision laser displacement sensor fixed on the turret of vertical lathe is implemented. After measurement completed, the measured data are processed by calling Matlab optimization toolbox module, to ensure the accuracy of the calculation results. The practical application shows that the detection system can be applied in multiple project measurement of large diameter work pieces, it implements online detection and offers higher accuracy.

Keywords：Large diameter work piecesOnline detectionMatlab optimizationDetection system

0引言

目前，工業(yè)上對(duì)于工件檢測(cè)大多是通過(guò)品質(zhì)檢測(cè)人員使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法來(lái)完成。隨著大型機(jī)械設(shè)備向著復(fù)雜化、精密化方向發(fā)展，對(duì)于這些設(shè)備所需要的大尺寸工件的檢測(cè)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。采用人工進(jìn)行大直徑工件品質(zhì)檢測(cè)存在著不足，主要體現(xiàn)在檢測(cè)效率低、檢測(cè)一致性差、檢測(cè)結(jié)果容易受檢測(cè)人員的主觀因素影響。特別是當(dāng)大直徑工件在移至專用檢測(cè)工作臺(tái)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生二次定位誤差，而且效率低，甚至可能對(duì)工件造成損壞[1]。隨著工業(yè)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)和非接觸檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟。與傳統(tǒng)的品質(zhì)檢測(cè)相比，自動(dòng)控制和非接觸檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，可以做到實(shí)時(shí)在線、非接觸、無(wú)損和高精度的檢測(cè)，省時(shí)省力，并可以避免測(cè)量過(guò)程中檢測(cè)人員主觀因素造成的錯(cuò)誤。對(duì)于工件的在線檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者也做過(guò)研究。劉川、季洪彪開(kāi)發(fā)了中小型金屬工件在線檢測(cè)系統(tǒng)[2]；馮占軍、王磊等研究了基于激光傳感器的工件外徑尺寸檢測(cè)系統(tǒng)[3]；賁春雨、鄭宇等研究了大尺寸直徑非接觸光電檢測(cè)系統(tǒng)[4]。上述研究的系統(tǒng)都存在一定的局限性。

本文開(kāi)發(fā)了一種大直徑工件在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將數(shù)控立車、高精度激光傳感器以及計(jì)算機(jī)串聯(lián)在一起，并融合了Matlab的計(jì)算，不僅能夠完成大直徑工件的多種檢測(cè)項(xiàng)目，還能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)在線、非接觸檢測(cè)。

1檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

大直徑工件在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示，主要由以下部分組成。

① 數(shù)控立車，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)的基礎(chǔ)，測(cè)量過(guò)程中大直徑工件與激光位移傳感器的運(yùn)動(dòng)都是由機(jī)床本體驅(qū)動(dòng)的。

② 激光位移傳感器，采用的是KEYENCE開(kāi)發(fā)的CMOS激光位移傳感器IL-065，它的測(cè)量范圍為20 mm，基準(zhǔn)距離為65 mm，顯示分辨率為2 μm，檢測(cè)性能穩(wěn)定。

③ 數(shù)控系統(tǒng)，采用西門(mén)子802d SL數(shù)控系統(tǒng)，使用DIN 或ISO標(biāo)準(zhǔn)編程，具有如下優(yōu)點(diǎn)：易于操作使用、高可靠性、適用于工業(yè)環(huán)境、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、布線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)可根據(jù)需求提供各種組合[5]。

④ 計(jì)算機(jī)，作為整個(gè)系統(tǒng)的載體，與數(shù)控立車、激光位移傳感器進(jìn)行通信，完成發(fā)送或獲取有效數(shù)據(jù)。

圖1　在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件原理圖

圖2　數(shù)控立車簡(jiǎn)圖

2檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

2.1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大直徑工件在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

① 實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)管理，主要包括待加工工件的種類及尺寸參數(shù)、數(shù)控立車參數(shù)以及傳感器參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)檢測(cè)做準(zhǔn)備。

② 實(shí)現(xiàn)測(cè)量項(xiàng)目管理，需要對(duì)加工工件外部尺寸和幾何公差進(jìn)行檢測(cè)，將其進(jìn)行統(tǒng)一管理，方便生成數(shù)控測(cè)量程序。

③ 實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序管理，根據(jù)輸入的工件測(cè)量參數(shù)、測(cè)量項(xiàng)目自動(dòng)生成數(shù)控測(cè)量程序，為發(fā)送模塊做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)控程序發(fā)送模塊包括串口設(shè)置和測(cè)量程序發(fā)送兩部分。前者主要設(shè)置與機(jī)床進(jìn)行串口通信的基本參數(shù)，后者負(fù)責(zé)將生成的測(cè)量文件通過(guò)串口傳輸至數(shù)控系統(tǒng)。

④ 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，保存采集得到的數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)處理結(jié)果、相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)以及數(shù)控程序。

根據(jù)上述目標(biāo)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　在線檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的具體流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

2.2　數(shù)控程序生成

數(shù)控程序的生成是整個(gè)在線檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。對(duì)于不同的測(cè)量項(xiàng)目和測(cè)量參數(shù)，數(shù)控程序會(huì)有所不同，但是由于不同測(cè)量項(xiàng)目的數(shù)控程序格式一致，可能會(huì)有相同的部分。根據(jù)這種情況，在線檢測(cè)系統(tǒng)在處理數(shù)控程序生成時(shí)，將程序分成程序頭、主程序、程序尾三部分進(jìn)行處理，最后將三個(gè)部分合并，形成總的數(shù)控程序。對(duì)于三部分程序分別建立三個(gè)模板文件，保存至相應(yīng)目錄，模板文件中有可替換的關(guān)鍵字，在生成數(shù)控程序時(shí)，根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目和測(cè)量參數(shù)調(diào)用模板文件并將關(guān)鍵字替換，生成相應(yīng)的數(shù)控程序。

不同的工件和不同的測(cè)量項(xiàng)目，測(cè)量的起始點(diǎn)會(huì)有所不同，對(duì)于程序頭模板，將起始坐標(biāo)作為關(guān)鍵字并替換生成新的程序頭文件。在起始點(diǎn)坐標(biāo)確定后，根據(jù)不同的測(cè)量項(xiàng)目，傳感器移動(dòng)方向、移動(dòng)距離、停頓時(shí)間以及M指令是一個(gè)重復(fù)的過(guò)程，可以通過(guò)循環(huán)程序?qū)⑸鲜龈麝P(guān)鍵字進(jìn)行替換，生成新的主程序文件。最后在整個(gè)工件測(cè)量完成時(shí)，傳感器停放位置等作為關(guān)鍵字進(jìn)行替換，完成新的程序尾文件。由此，將三個(gè)新文件在另一個(gè)文件里合并，整個(gè)數(shù)控程序完成。下面給出主程序模板文件。

G04U%time%

∥停頓時(shí)間

M56M

∥指令執(zhí)行

X%coordinatex%Y%coordinatey%Z%coordinatez%

∥傳感器移動(dòng)坐標(biāo)

2.3　系統(tǒng)各部分通信

系統(tǒng)通信主要包括三部分，分別是計(jì)算機(jī)與傳感器、計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)以及傳感器與數(shù)控系統(tǒng)。以下具體介紹三部分通信的內(nèi)容。

傳感器控制器的接觸端子與數(shù)控立車的PLC某一繼電器觸點(diǎn)連接，數(shù)控系統(tǒng)需要在內(nèi)部PLC增加特殊的M指令。該M指令執(zhí)行時(shí)，控制PLC的某一輸出繼電器觸點(diǎn)閉合。在數(shù)控程序運(yùn)動(dòng)到指定的待測(cè)點(diǎn)時(shí)，便執(zhí)行M指令。當(dāng)該M指令執(zhí)行時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)即通過(guò)內(nèi)部PLC對(duì)應(yīng)的輸出繼電器觸點(diǎn)向傳感器控制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，控制傳感器即進(jìn)行一次采樣，如圖5所示。

圖5　M指令的執(zhí)行過(guò)程

傳感器控制器的控制端子通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)USB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。為了能將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給Microsoft Visual Studio．Net 2010編寫(xiě)的系統(tǒng)控制軟件中，使用Microsoft Visual Studio．Net 2010提供的串口通信控件SerialPort。在程序中將SerialPort的各個(gè)參數(shù)設(shè)置成與傳感器和計(jì)算機(jī)之間連接的串口的各個(gè)參數(shù)相同，這樣就完成了兩者之間的通信。在完成通信后，SerialPort需要發(fā)送一串特定的字符串，才能完成對(duì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，具體程序如下。

SerialPort1.RtsEnable = True

∥啟用請(qǐng)求發(fā)送

SerialPort1.DtrEnable = True

∥True接就緒

tmpByte(0) = 83

tmpByte(1) = 82

…

tmpByte(10) = 10

SerialPort1.Write(tmpByte, 0, 10)

∥發(fā)指令

本文采用的數(shù)控立車的數(shù)控系統(tǒng)為西門(mén)子802d SL，數(shù)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是在線檢測(cè)的基礎(chǔ)[6]。同樣，用RS-232轉(zhuǎn)USB將數(shù)控立車與計(jì)算機(jī)進(jìn)行硬件連接，在程序中繼續(xù)添加SerialPort控件并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。由于生成的數(shù)控程序不能直接發(fā)送，需要將數(shù)控程序轉(zhuǎn)化為ASCII碼才能發(fā)送，具體通程序如下。

SerialPort2.RtsEnable = True

∥啟用請(qǐng)求發(fā)送

SerialPort2.DtrEnable = True

∥接就緒

NC =System.IO.File.ReadAllText(…)

∥讀取數(shù)控程序

NCAsc = AsciiStringToHexString(NC)

∥生成數(shù)控程序的ASCII碼

n =Len(NCAsc) / 2 - 1

ReDimtmpByte(n)

Fori = 0 To n

tmpByte(i) = Mid(NCAsc, i * 2 + 1, 2)

Next

SerialPort2.Write(tmpByte, 0, 10)

∥發(fā)指令

2.4　聯(lián)合Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

在線檢測(cè)系統(tǒng)利用Microsoft Visual Studio.Net 2010進(jìn)行編程。但是由于在線檢測(cè)的過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)比較多，其數(shù)學(xué)計(jì)算能力不強(qiáng)，編程復(fù)雜，對(duì)程序設(shè)計(jì)人員要求高，開(kāi)發(fā)效率低，故聯(lián)合對(duì)數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的Matlab進(jìn)行混合編程。為了使混合編程方法能夠脫離Matlab運(yùn)行環(huán)境，也能夠供其他編程語(yǔ)言調(diào)用，本文采用生成COM組件的方法供Microsoft Visual Studio．NET 2010調(diào)用。此方法生成過(guò)程簡(jiǎn)單，并且便于模塊化[7]。

利用Matlab的優(yōu)化工具箱，可以求解線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題[8]。該優(yōu)化方法可以應(yīng)用于本系統(tǒng)所采集到數(shù)據(jù)的大量計(jì)算，得出相應(yīng)測(cè)量項(xiàng)目。在本系統(tǒng)測(cè)量項(xiàng)目的M函數(shù)編寫(xiě)完成后，利用deploytool命令生成工程名為fun.prj、類名為funClass、函數(shù)名為myfun的通用COM組件。當(dāng)函數(shù)編譯正確后，會(huì)在相對(duì)路徑的distrib文件出現(xiàn)后綴名為.dll的文件，至此COM組件就已成功生成。此時(shí)，在Microsoft Visual Studio．Net 2010編寫(xiě)的系統(tǒng)控制軟件中，將之前生成的.dll文件添加引用，這樣COM組件就添加到程序中。

Microsoft Visual Studio．Net 2010在調(diào)用組件函數(shù)時(shí)需要通過(guò)程序聲明，才能完成調(diào)用，簡(jiǎn)單的聲明調(diào)用程序如下：

Dim function As New funNative.funclass

∥聲明組件

…

fval=function.myfun(x,y)

∥調(diào)用組件

3應(yīng)用實(shí)例

以某型大直徑缸套的檢測(cè)為例，說(shuō)明該系統(tǒng)的實(shí)用性和快捷性。

① 參數(shù)輸入。某型缸套的具體測(cè)量部分關(guān)鍵參數(shù)輸入如表1所示。

表1　測(cè)量參數(shù)輸入

② 數(shù)控程序的發(fā)送。在線檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)生成數(shù)控測(cè)量程序，此時(shí)需要將數(shù)控程序發(fā)送給數(shù)控立車。由于數(shù)控系統(tǒng)一般遵循“接收數(shù)據(jù)方先做好準(zhǔn)備”的原則，點(diǎn)擊數(shù)控系統(tǒng)面板上的Program Manager鍵，系統(tǒng)界面切換到程序管理界面，在此界面上按下讀入鍵，系統(tǒng)進(jìn)入接收等待狀態(tài)。此時(shí)，在系統(tǒng)控制軟件的界面按發(fā)送鍵，即可完成數(shù)控程序的傳輸。

③ 數(shù)據(jù)采集。在數(shù)控程序發(fā)送完成后，便可以開(kāi)始運(yùn)行程序。在運(yùn)行的過(guò)程中系統(tǒng)控制軟件會(huì)自動(dòng)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示。

④ 數(shù)據(jù)處理。在所有數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)控制軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，然后通過(guò)Matlab進(jìn)行計(jì)算，最后在系統(tǒng)控制軟件中顯示計(jì)算結(jié)果，并保存生成報(bào)表。

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大直徑工件多項(xiàng)目進(jìn)行了在線、非接觸測(cè)量，通過(guò)將數(shù)控系統(tǒng)、激光傳感器及其控制器以及計(jì)算機(jī)融為一體,完成了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)采用Microsoft Visual Studio．Net 2010和Matlab混合編程，大幅提高了系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算精度。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單快捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，理論上對(duì)于測(cè)量大直徑工件的尺寸不受限制。

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中圖分類號(hào)：TH73；TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507021

修改稿收到日期：2015-01-09。

第一作者代永俊(1990-)，男，現(xiàn)為江蘇科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事先進(jìn)制造系統(tǒng)及其適能技術(shù)方面的研究。