陳 挺,茅振華,周聞青,毛曉輝,葉 欣,盧 歆,陳元杰,汪黎棟,吳春暉

(浙江省計量科學研究院,浙江 杭州 310018)

LabVIEW平臺的平面螺紋測量系統(tǒng)研制

陳 挺,茅振華,周聞青,毛曉輝,葉 欣,盧 歆,陳元杰,汪黎棟,吳春暉

(浙江省計量科學研究院,浙江 杭州 310018)

基于極徑變化,建立了平面螺紋螺旋線誤差測量與評價模型,基于LabVIEW平臺,研制了一套高準確度動態(tài)測量盤絲平面螺紋測量系統(tǒng).本系統(tǒng)采用高準確度線性光柵及圓光柵系統(tǒng)測量平面螺紋的極徑和極角,采用PLC系統(tǒng)控制伺服電機來帶動精密氣浮主軸旋轉,采用CCD激光位移傳感器配合線性光柵在測量前對平面螺紋進行調平調心,以提高測量準確度.與三坐標測量機(CMM)測量結果比對表明,本系統(tǒng)已達到預期設計要求,可在計量部門和企業(yè)推廣使用.

平面螺紋;LabVIEW平臺;PLC系統(tǒng);極徑極角;螺旋線誤差

自定心卡盤是機床的重要附件,主要功能是固定、夾緊并精確定位加工件[1].卡盤盤絲平面螺紋的準確度決定了機床主軸對工件的夾持定位準確度,進而極大也影響加工準確度.近年來,隨著精密制造業(yè)的發(fā)展,機械制造加工行業(yè)為了提高加工質量,越來越重視卡盤盤絲平面螺紋的準確度,也對平面螺紋的檢測準確度提出了更高的要求.

對盤絲平面螺紋的準確度檢測有靜態(tài)分點測量法和動態(tài)連續(xù)測量法.由于受檢測技術與裝備的限制,目前我國大多數(shù)卡盤廠家較多采用靜態(tài)分點測量法,所用工具為萬能工具顯微鏡,完成一次測量需要30 min[2].這種方法效率低、調整復雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣、測量準確度低.馬睿等提出了一種采用三坐標測量機來檢測平面螺紋的新方法,不過該方法還是基于靜態(tài)測量,其測量復雜且比較費時[1].山東大學研制的平面螺紋動態(tài)測量儀是目前為止較完善的檢測平面螺紋專用測量儀,該儀器以單片機為控制核心,集測量、分析于一體,可快速方便動態(tài)測量平面螺紋的各種誤差[2].然而,這臺在2004年研制的儀器采用感應同步器,因其電路復雜、無上位機連接、數(shù)據(jù)輸出不便和測量數(shù)據(jù)無法保存,加之在實際應用中測量系統(tǒng)不穩(wěn)定且重復性較差,故檢測準確度和效率未能達到要求[1].

本文基于LabVIEW軟件平臺,研制了一臺高準確度平面螺紋動態(tài)測量系統(tǒng).即采用高準確度的線性光柵和圓光柵系統(tǒng),伺服電機及氣浮主軸的旋轉機構,LabVIEW與PLC協(xié)同編程、一同工作,及增加調平調心平臺,可對平面螺紋進行高準確度動態(tài)測量,測量簡單高效、測量準確度高、結果顯示實時直觀,測量數(shù)據(jù)可保存于上位機.

1 原理和系統(tǒng)組成

平面內的一動點沿一直線作勻速運動,同時該直線又繞線上一點作等速回轉運動,則動點的軌跡就是平面螺旋線,而沿著螺旋線所形成的、具有規(guī)定牙型的連續(xù)凸起就是平面螺紋.自定心卡盤的正面就是這種平面螺紋,保證卡爪夾緊和松開的同步性和同軸性.

平面螺紋曲線可由下式來表示：

ρ=P×θ/360+B.

(1)式(1)中:ρ—平面螺紋的極徑值,P—平面螺紋的螺距,θ—旋轉角度值,B—平面螺紋測量起始極徑值.從式(1)可知,當平面螺紋轉動Δθ角時,極徑變化為P×(Δθ)/360.圖1為平面螺紋曲線原理圖.

圖1 平面螺紋曲線原理圖Figure 1 Schematic diagram of the plane thread

平面螺紋各測量點關于前點的極徑變化Δρi為

Δρi=ρi+1-ρi.

(2)

平面螺紋實際測量點極徑ρi實際為

ρi實際=B+∑Δρi.

(3)

而平面螺紋理論極徑為

ρi理論=B+(P/360)·∑Δθi.

(4)

則平面螺紋螺旋線誤差δρi可由下式表示：

δρi=ρi實際-ρi理論=∑Δρi-(P/360)·∑Δθi.

(5)

式(2)～(5)中:i為測量點序號,i=0～n;Δθi為相鄰兩測量點的角度變化值;Δρi為此角度變化引起的極徑變化值.

圖2為采用極坐標動態(tài)等角度測量方式的測量裝置系統(tǒng)組成原理框圖，它包括極徑跟蹤與測量機構(A)、調平調心機構(B)和標準極角主軸機構(C).由安裝于標準極角主軸機構(C)中的圓光柵測得Δθi,由安裝于極徑跟蹤與測量機構(A)中的線性光柵測得Δρi.

圖2 系統(tǒng)組成原理框圖Figure 2 Block diagram of the system

本系統(tǒng)模塊架構如圖3.系統(tǒng)主要由PC工控機、PLC系統(tǒng)、旋轉電機及氣浮主軸旋轉系統(tǒng)、光柵讀數(shù)系統(tǒng)、氣缸切換系統(tǒng)、CCD位移傳感器系統(tǒng)、調平調心平臺等模塊及必要的機械結構等組成.

圖3 系統(tǒng)模塊架構圖Figure 3 Block chart of the module system

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 上位機軟件設計

圖4 程序的前面板Figure 4 Front panel of the program

上位機采用LabVIEW圖形化編程語言來設計.LabVIEW程序(VI)主要由前面板及框圖組成.前面板模擬真實儀器的面板,用于人機交互,負責用戶的參數(shù)輸入及測量結果的顯示.框圖是程序的源代碼,由子程序、函數(shù)、控制結構等組成[3].圖4給出了本系統(tǒng)LabVIEW程序的前面板.界面采用分功能設計[4],主要由電機參數(shù)設置模塊、電機狀態(tài)監(jiān)控模塊、螺紋參數(shù)輸入模塊、測量過程監(jiān)控模塊、參數(shù)實時顯示模塊、測量結果顯示模塊及相關的軟件控制模塊等.程序則采用結構化、模塊化設計.

2.1.1光柵讀數(shù)系統(tǒng)模塊

讀數(shù)卡通過USB線連接至上位機工控機USB端口,負責將線性光柵及圓光柵信號送入上位機的軟件平臺.由于讀數(shù)卡提供了DLL動態(tài)鏈接庫,因此在LabVIEW中,只需要調用DLL文件庫即可與讀數(shù)卡交互訪問數(shù)據(jù).

LabVIEW是通過調用庫函數(shù)節(jié)點來實現(xiàn)DLL文件的調用.在DLL調用面板相關參數(shù)設置頁面中,設置正確的返回變量的匹配類型及數(shù)據(jù)格式,至此可分別輸出線性位移值及旋轉角度值.圖5為部分光柵讀數(shù)模塊的程序框圖.

圖5 讀數(shù)程序代碼Figure 5 Block diagram of the data reading program

2.1.2 LabVIEW與PLC通訊

LabVIEW與PLC通訊方法有多種：通過PLC上另行購買加載232-BD通訊板進行串口通訊;基于MX component通信組件;基于OPC技術的數(shù)據(jù)通訊等[5-6].而其中基于OPC技術的數(shù)據(jù)通訊方式是最高效方便的方式,也是本系統(tǒng)所用的方法[7-8].

OPC是用于過程控制的對象嵌入鏈接(Object Linking and Embedding for Process Control)的簡稱,是用于連接基于Windows開發(fā)的應用程序與現(xiàn)場過程控制設備之間的開放性工業(yè)標準接口,而無關各硬件廠家的硬件種類、編程語言[9].

在NI OPC Servers選擇三菱的FX3U系統(tǒng)PLC,定義好COM口,傳輸速率等簡單的設置后,便可創(chuàng)建標簽(Tag),將各個變量與PLC程序中定義的軟元件M11、M12、M13、D500等寄存器地址一一綁定,以供后續(xù)LabVIEW程序使用.再在LabVIEW項目窗口中,創(chuàng)建約束變量,進而對與共享變量綁定的PLC程序中的寄存器地址進行讀寫.圖6為系統(tǒng)創(chuàng)建的共享變量圖.

圖6 共享變量圖Figure 6 Diagram of shared variables

2.1.3 激光位移傳感器模塊

本系統(tǒng)采用OPTEX公司的激光位移傳感器,使用標準直通9針RS232串口線與工控機的串口硬連接.在LabVIEW中,與串口儀器的通訊可以通過VISA的讀出和寫入來實現(xiàn).在VISA配置串口中,設定其VISA資源名稱為COM1,波特率為9 600,數(shù)據(jù)位為8位,停止位為1,無奇偶校驗位,進行串口的初始化.

按照控制器的操作手冊,指令采用固定的結構,采用十六進制ASCII碼發(fā)送.比如要讀取A通道傳感器得數(shù)據(jù),發(fā)送的指令格式為“STX MEASURE A ETX”,則對應ASCII碼以十六進制表示，即為02 4D 45 41 53 55 52 45 20 41 03.由控制器返回的格式為“STX 數(shù)據(jù)ETX”,也是以十六進制ASCII碼發(fā)送.圖7為CCD位移傳感器通訊程序代碼.用位移傳感器讀取的數(shù)據(jù),可用來監(jiān)測調整平面螺紋放置水平與否.

圖7 CCD位移傳感器模塊程序代碼Figure 7 Block diagram of the CCD sensor data reading program

2.1.4 動態(tài)測量平面螺紋模塊及實時顯示數(shù)據(jù)模塊

平面螺紋調平調心工作完成后,便可開始正式的測量工作.將極徑跟蹤系統(tǒng)升降到合適高度,使得驅動頭貼緊盤面的外側,再打開氣缸,使得測量頭貼緊盤面的內側,測量頭和驅動頭相互夾緊在盤面的內外側.驅動旋轉電機轉動,開始實時采集極角值和極徑值.設定電機定位角度為旋轉4圈1 440°,電機旋轉到位后,停止采集數(shù)據(jù),一次測量結束.設定電機的轉速為360°/min,則盤絲每隔1 s轉過6°,設定采集數(shù)據(jù)的循環(huán)等待時間1 000 ms,則每隔6°采集極徑和極角值,分別保存于極徑數(shù)組和極角數(shù)組,便于后續(xù)處理.同時將位移值與角度值捆綁成一個簇元素,插入數(shù)組,輸入到極坐標圖進行實時顯示.圖8為平面螺紋測量及數(shù)據(jù)實時顯示模塊程序代碼.

圖8 測量模塊及顯示模塊程序圖Figure 8 Block diagram of the test procedure and data indication program

2.1.5 主程序

在主程序中,采用While循環(huán)和事件結構相結合的方法,來及時、快速、不遺漏地響應軟件前面板按鍵用戶輸入的響應.采用事件結構,既避免CPU資源的浪費,又不會有事件被遺漏的情況[10].將事件結構放在While循環(huán)中,將上述不同的程序模塊放入不同的事件分支中,以響應不同的功能按鍵,實現(xiàn)不同的功能.同時并行放置另一個While循環(huán),用來顯示位移、角度、電機相關參數(shù)等,使得程序一開始執(zhí)行,在前面板就能顯示這些參數(shù)值,來實時顯示監(jiān)控程序運行過程中各參數(shù)值.

2.2 下位機軟件設計

本系統(tǒng)下位機采用三菱FX3U的PLC及伺服電機系統(tǒng).在PLC程序中定義了軟元件名稱M11(正向點動)、M12(反向點動)、M13(定位轉動)、M14(緊急制動)、M40(氣缸開關)等開關量,D500(定位轉速)、D502(定位角度)等數(shù)據(jù)寄存器,同時也定義了一些監(jiān)控電機狀態(tài)的數(shù)據(jù)寄存器.在上位機LabVIEW軟件平臺中對這些軟元件進行操作以控制電機的相關動作及氣缸的開關.

3 實驗數(shù)據(jù)

完成一個平面螺紋測量后,得到一組(Δρi,Δθi)數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理后,可得到相關測量結果.作為驗證,用三坐標測量機(CMM)測量同一個平面螺紋.兩組測量數(shù)據(jù)如表1.

表1 兩組測量結果

圖9顯示了本系統(tǒng)實際測量點與理論曲線的誤差分布示意圖,圖10為本系統(tǒng)實際測量點誤差與極角的分布圖，其中縱坐標表示極徑方向的誤差值.

圖9 實際測量點與理論曲線誤差示意圖Figure 9 Diagrammatic sketch of helix line error

圖10 實際測量點誤差與極角分布圖Figure 10 Distribution map of errors and the polar angle

4 結 語

本文建立了基于極徑變化的平面螺紋螺旋線誤差測量與評價模型,研制了一套基于LabVIEW平臺的平面螺紋自動動態(tài)測量系統(tǒng),包括機械結構部分、光柵讀數(shù)系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、CCD位移傳感器系統(tǒng)、調平調心機構及相關硬件軟件系統(tǒng).基于LabVIEW,高效簡便地集成了各個子模塊,實現(xiàn)了平面螺紋的高準確度動態(tài)測量.系統(tǒng)各結構清晰,功能明確,通過LabVIEW平臺得到有效整合.試驗結果表明研制的系統(tǒng)已達到預期設計要求,可以在計量部門和企業(yè)推廣使用.

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Development of measuring system for plane thread based on LabVIEW platform

CHEN Ting, MAO Zhenhua, ZHOU Wenqing, MAO Xiaohui, YE Xin, LU Xin, CHEN Yuanjie, WANG Lidong, WU Chunhui

(Zhejiang Province Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China)

A new measurement and evaluation model for helix line errors of plane thread was established based on the change of polar radius. An automatic measuring system for plane thread was designed and developed based on LabVIEW platforms. Linear and ring grating with high precision were used to measure the angles and radius of the plane thread in polar coordinates. A servo motor controlled by PLC was used to rotate the gas spindle. The plane thread was leveled and aligned to center by using the CCD laser displacement sensor and liner grating to improve the measurement accuracy. The experimental result proves that the system met the design requirements and can be used in metrology departments and enterprises.

plane thread; LabVIEW platform; PLC; polar angle and radius; helix line error

1004-1540(2015)02-0145-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.004

2014-12-19 《中國計量學院學報》網址：zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省質量技術監(jiān)督局科研項目(No.20120217).

TH865

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