馮春鵬，袁俊杰

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144)

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基于虛擬儀器的工件軸徑測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮春鵬，袁俊杰

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144)

針對(duì)車削加工中工人對(duì)于小型零件軸直徑的測量問題，提供了一種基于虛擬儀器的自動(dòng)化車削軸直徑的測量方法。結(jié)合機(jī)床車削加工的特征，搭建加工軸直徑測量系統(tǒng)，利用美國NI公司的軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)軟件界面的開發(fā)及圖形處理功能的實(shí)現(xiàn)。硬件結(jié)構(gòu)包括工作臺(tái)、數(shù)字千分尺、單片機(jī)采集儀和PC機(jī)，軟件結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、分析模塊等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)具有操作簡單、開發(fā)周期短、測量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)該軸徑測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為以后機(jī)床加工中自動(dòng)化測量研究打下基礎(chǔ)。

車削零件 軸徑測量 虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集

0 引言

軸類零件是各種機(jī)械設(shè)備以及裝置中應(yīng)用最廣泛的一種零件，機(jī)械零件的靈活性以及加工成本決定手動(dòng)機(jī)床的應(yīng)用仍然占有一部分比重。工人師傅在車削加工簡易的軸類零件時(shí)，需要不斷采用千分尺來測量所加工的軸類零件的直徑，以趨于最終達(dá)到目標(biāo)尺寸。軸徑測量是機(jī)械測量中的一個(gè)重要的研究方向，在測量技術(shù)中占有重要的地位。傳統(tǒng)的軸徑測量方法是采用手動(dòng)千分尺測量，不僅浪費(fèi)加工所用時(shí)間，而且對(duì)于復(fù)雜零件不易操作。伴隨著科技的日新月異，自動(dòng)化結(jié)合PC機(jī)顯示測量是目前研究和發(fā)展的重點(diǎn)[1]。本文設(shè)計(jì)的工件軸徑測量系統(tǒng)，基于虛擬儀器的自動(dòng)化測量方案，采用上下位機(jī)的通信方式，能夠在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示測量直徑，良好的人機(jī)交互界面，不僅提高了測量精度，而且操作簡便實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 測量裝置原理

圖1 軸徑測量系統(tǒng)方案圖

本測量裝置采用STM32芯片作為采集器芯片，對(duì)一對(duì)互相垂直正交的數(shù)顯游標(biāo)卡尺所測量的軸徑值進(jìn)行采集，運(yùn)用美國NI公司開發(fā)軟件LabVIEW對(duì)其進(jìn)行上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)。當(dāng)操作人員需要對(duì)軸徑值進(jìn)行測量之時(shí)，兩個(gè)互相垂直的游標(biāo)卡尺置于已加工軸類零件上，數(shù)顯游標(biāo)卡尺上顯示出數(shù)據(jù)，按下腳踏板確認(rèn)采集當(dāng)前數(shù)據(jù)，并存于上位機(jī)上顯示，每隔一個(gè)固定距離依次測量軸徑值，上位機(jī)XY圖顯示歷史測量數(shù)據(jù)，并保存用于后續(xù)的分析處理。系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

本測量系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，作為信號(hào)采集終端的數(shù)字游標(biāo)卡尺、腳踏控制器，STM32單片機(jī)采集器和PC機(jī)顯示界面的上位機(jī)組成。由X軸和Y軸兩個(gè)互相正交的數(shù)字千分尺分別測量兩個(gè)方向上的軸徑值。腳踏板控制器由單線控制腳踏板組成，當(dāng)一次測量完畢之后按下腳踏板可顯示并保存所測量的值，并且由上位機(jī)界面依次顯示出軸徑測量值，并且將軸徑值測量過程的偏差變化顯示在波形圖表上。

1.2 裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1-游標(biāo)卡尺；2-不銹鋼管支撐架； 3-測量游標(biāo)； 4-固定螺栓槽；5-支撐底座圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

該測量裝置的主體結(jié)構(gòu)是一對(duì)互相正交的具有數(shù)字顯示功能的游標(biāo)卡尺，主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)相互正交裝置的設(shè)計(jì)。游標(biāo)卡尺的兩端具有固定的螺栓槽，可用于固定于矩形固定架上。固定架的距離是根據(jù)兩個(gè)游標(biāo)卡尺的測量最大值來選擇。本設(shè)計(jì)裝置固定框架長300 mm，寬200 mm，采用細(xì)不銹鋼管作為支撐材料，底座采用易于制作的木質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)的硬件選擇

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括兩臺(tái)數(shù)字千分尺、一臺(tái)單片機(jī)采集儀和一臺(tái)PC機(jī)。

本系統(tǒng)采用桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司數(shù)字式標(biāo)尺，分辨率為0.01 mm，采用1.5 V的電源供電，可單獨(dú)用紐扣電池，也可通過數(shù)據(jù)線供電。由特定的串口線與單片機(jī)采集器相連，采集器與PC上位機(jī)通信進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)處理。數(shù)字千分尺采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為24位二進(jìn)制編碼，掃描周期為20 ms。數(shù)字千分尺上設(shè)置了測量單位鍵、置零鍵、開關(guān)鍵和設(shè)置鍵等4個(gè)功能鍵，方便設(shè)置與測量[2]。

單片機(jī)采集儀通過通訊協(xié)議與數(shù)字千分尺通信，系統(tǒng)選用傳統(tǒng)的STM32F103作為控制主芯片，其高性能的ARM32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，最高集成512 K的Flash存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。芯片的供電電壓2.0 V～3.6 V，能夠滿足一般低功耗應(yīng)用的要求?？刂瓶ㄍ庠O(shè)三路RS232轉(zhuǎn)串口通道，用于信號(hào)的采集與輸出。三路信號(hào)分別為X軸千分尺、Y軸千分尺和腳踏板按鈕。

圖3 軸徑測量系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

腳踏控制器與鼠標(biāo)功能類似，內(nèi)置采樣保持芯片，在采集過程中需要對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集和保存時(shí)，只需要腳踏控制板按鈕就可以實(shí)現(xiàn)。工作人員采用腳踏控制按鈕的方式來確定本次的采樣測量，并不影響千分尺的使用，簡單易行，方便可靠。下位機(jī)與上位機(jī)之間采用RS232串行總線數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于目前市場上的筆記本電腦大多數(shù)無外設(shè)RS232串行總線接口，為方便使用本系統(tǒng)，采用PL2303作為轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行RS232-USB的轉(zhuǎn)換[3]。圖3所示為該軸徑測量系統(tǒng)硬件實(shí)物圖。

3 軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖4 上位機(jī)程序流程圖

本測量系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，要求能夠?qū)崟r(shí)依次顯示出所測量加工工件軸徑值，并且將加工偏差變化顯示在波形圖表上。由于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集器與上位機(jī)采用串行總線的連接方式，軟件設(shè)計(jì)過程中PC機(jī)在訪問采集器和數(shù)字千分尺時(shí)的協(xié)議如下：初始化程序，設(shè)置NASA端口，采集操作命令，存儲(chǔ)器操作與數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

軟件部分的設(shè)計(jì)采用美國國家儀器(NI)公司生產(chǎn)的LabVIEW軟件，是一種圖形化的編程軟件。采取G語言即框圖取代文本的編程語言，有別于傳統(tǒng)文本編程語言通過掃描指令和代碼先后的文本順序來決定程序的運(yùn)行順序，LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流的運(yùn)行方式，可以并行運(yùn)行多個(gè)程序循環(huán)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)處理器的多線程能力[4]。采用VISA與其它儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口，上位機(jī)界面的前面板如圖5所示。其中列表框顯示軸徑測量值；波形圖顯示軸徑測量值的偏差變化量。

圖5 上位機(jī)顯示界面

測試過程如下所示：運(yùn)行上位機(jī)程序，對(duì)用戶界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括其中的串口號(hào)設(shè)置，目標(biāo)尺寸的設(shè)置，測試人員以及測試時(shí)間的輸入。點(diǎn)擊開始按鈕，程序開始運(yùn)行。數(shù)字千分尺上顯示出軸徑測量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按下腳踏板按鈕采集測量數(shù)據(jù)，上位機(jī)列表框中顯示當(dāng)前測量值，當(dāng)前實(shí)際測量值與目標(biāo)尺寸的偏差值顯示在XY波形圖表。依次變換測量位置，按步驟進(jìn)行測試，最終列表框顯示歷史測量數(shù)據(jù)，波形圖顯示依次測量的偏差值的變化趨勢。表1為串口的默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。

表1 串口默認(rèn)參數(shù)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)的軸徑測量系統(tǒng)，給下位機(jī)系統(tǒng)通電，各部分電路開始工作，打開PC機(jī)上位機(jī)軟件LabVIEW程序，進(jìn)入人機(jī)操作界面，點(diǎn)擊開始按鈕，輸入正確的串口號(hào)，運(yùn)行界面程序。在指定路徑之下，存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行保存采集的軸徑值。圖6為界面上XY波形圖顯示軸徑測量偏差值變化，表2為測量樣品在XY方向的測量值。

圖6 40 mm車削軸軸徑測量偏差值變化

每隔一段固定的距離(10 mm)測量該零件的直徑，當(dāng)數(shù)顯游標(biāo)卡尺數(shù)據(jù)固定之后，按下采集器腳踏板，此時(shí)上位機(jī)列表框里顯示一組XY數(shù)據(jù)記錄與上位機(jī)上。依次移動(dòng)距離并按下腳踏板，則得到一組如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 40 mm標(biāo)棒測試數(shù)據(jù)

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于軸徑值測量數(shù)據(jù)的后期處理，可以分析誤差產(chǎn)生的原因，估算測量誤差的大小以及提出如何能夠在加工生產(chǎn)過程中采取相應(yīng)措施減小誤差。

有限次測量中算數(shù)平均值最接近于真值，作為測量結(jié)果最可靠。本次測量中X軸的平均測量值為40.017 mm，Y軸的平均值為40.021 mm，總體的平均測量值為40.019 mm。相對(duì)誤差的計(jì)算由下式表示：

式中：δ為相對(duì)誤差值；da為軸徑測量平均值；dm為車削軸徑目標(biāo)值。

將平均值40.019 mm，目標(biāo)值40.00 mm帶入公式中得，相對(duì)誤差值δ為0.047%。

隨機(jī)誤差以及測量精度的存在，各個(gè)測量值的不同，測量的可靠程度一般用標(biāo)準(zhǔn)差來表示[6]。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為：

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；ds為實(shí)際軸徑測量值。

將表2中的平均值數(shù)據(jù)帶入上式中得出σ=0.019。由結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)差值僅為0.019，小于測量極限偏差值0.1，證明測量數(shù)據(jù)離散程度小，數(shù)據(jù)可靠。如圖7所示為軸徑測量實(shí)際值變化趨勢。

圖7 40 mm軸徑實(shí)際測量數(shù)據(jù)變化趨勢

測量誤差及偏差產(chǎn)生的原因可能有多個(gè)：測量裝置本身零點(diǎn)誤差和基準(zhǔn)誤差，也是一般測量儀器誤差中的主要來源；測量過程中軸件對(duì)于溫度高低和測量力大小要求；車削機(jī)床自身的系統(tǒng)誤差及工作人員的操作誤差等[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，使用該系統(tǒng)測量軸類零件直徑，誤差范圍在0.1%以下水平，精度能夠達(dá)到1 μm；可以實(shí)現(xiàn)0 mm～200 mm的測量范圍， 能夠滿足一般軸徑測量。通過分析實(shí)

驗(yàn)結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軸徑值測量的功能。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字式千分尺和單片機(jī)采集器，創(chuàng)新性地結(jié)合使用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)出車削工件軸徑測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車削加工過程中軸徑實(shí)時(shí)在線測量、顯示與存儲(chǔ)功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)高度融合，降低了硬件制作難度，能夠自動(dòng)顯示出測量數(shù)據(jù)，克服一般人工使用游標(biāo)卡尺檢測方法存在的操作困難效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)靈敏性和靈活度也有了很大的提高[8]。系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好美觀，操作簡單，易于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，極大減少了成本。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測試結(jié)果良好。

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Design of shaft diameter measurement system based on virtual instrument

FENG Chunpeng, YUAN Junjie

In order to solve the problem of manual measurement of the diameter of small parts in turning process, we put forward an automatic measurement method based on virtual instrument. We established a shaft diameter measurement system, and developed the software interface and realized the graphic processing function with LabVIEW. The hardware of the system included a work platform, digital micrometers, an SCM acquisition instrument and a PC. The software of the system included date acquisition module, display module, analysis module, etc. Experiment results showed that, the system was easy to operate, fast to develop, and accurate in measurement. The system has laid foundation for further study on automatic measurement in lathe machining.

turning parts，shaft diameter measurement，virtual instrument，data acquisition

TH13;TH12

A

1002-6886(2016)06-0032-04

馮春鵬(1992-)，男，山東聊城人，在讀碩士，專業(yè)方向?yàn)闇y控技術(shù)。

2016-04-27