勒系遙，吳靜靜

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122; 2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)高度檢測是裝配質(zhì)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(jìn)行手動(dòng)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(shè)計(jì)一種汽車門鎖鉚點(diǎn)高度自動(dòng)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(xué)原理為基礎(chǔ),包括激光三角法、機(jī)器視覺法和激光掃描法等[3]。燕必希等人[4]設(shè)計(jì)了一種綜合應(yīng)用激光三角法和機(jī)器視覺測量技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(biāo)測量機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能測量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔、圓臺(tái)、凹槽高度的高精度智能測量。接觸式測量也適用于復(fù)雜表面的測量,史藝廣[7]提出了一種基于三坐標(biāo)的螺紋軸線測量方法,解決了與螺紋軸線相關(guān)形位誤差測量的難題。

以上文獻(xiàn)方法中,基于光學(xué)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(duì)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(diǎn)高度的測量。本文基于電阻式位移傳感器設(shè)計(jì)了一種汽車門鎖鉚點(diǎn)高度測量系統(tǒng),包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 鉚點(diǎn)高度測量原理

在鉚點(diǎn)高度測量系統(tǒng)中,設(shè)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(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)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(duì)單個(gè)鎖面測量傳感器擬合的微鎖平面進(jìn)行誤差修正。另設(shè)置4只位移傳感器采集待測的4個(gè)鉚點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)并進(jìn)行誤差校正。最后建立空間直角坐標(biāo)系,計(jì)算鉚點(diǎn)到臨近微鎖平面的距離即為所求鉚點(diǎn)高度。

1.2 測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(dòng)裝置移載夾具和門鎖工件到測量位置,觸發(fā)接近開關(guān),順序控制卡收到到位信號(hào)后氣缸推動(dòng)位移傳感器接觸汽車門鎖,工控機(jī)收到開始命令后采集所有位移傳感器信號(hào),經(jīng)過工控機(jī)軟件的處理計(jì)算出鉚點(diǎn)高度,并根據(jù)判定閾值得出最終檢測結(jié)果,最后將結(jié)果顯示并返回給順序控制卡。

圖1 鉚點(diǎn)高度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 位移傳感器

本文系統(tǒng)鉚點(diǎn)高度的測量精度要求是0.01 mm,鉚點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),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(hào)轉(zhuǎn)換為工控機(jī)可處理的電壓數(shù)字量信號(hào)。考慮到本文系統(tǒng)需采集14路傳感器信號(hào),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(hào),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(guān)重要[8]。位移傳感器供電電源選擇直流24 V電源以及一個(gè)15 V和一個(gè)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(jí)降壓穩(wěn)壓可以很好提高傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)際測試,二級(jí)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(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖2所示。主要包括傳感器誤差校正、基準(zhǔn)誤差校正及鉚點(diǎn)高度計(jì)算與判定3個(gè)部分。

圖2 鉚點(diǎn)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(hào)后，根據(jù)輸入電壓轉(zhuǎn)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(bǔ)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(zhǔn)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(biāo)系擬合鎖平面方程,計(jì)算鉚點(diǎn)高度H。將H與設(shè)定閾值進(jìn)行比較判定鉚點(diǎn)是否“合格”,并將檢測結(jié)果顯示和保存。

4 測量方法設(shè)計(jì)

4.1 基于電壓補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)量塊對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)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(jì)算各位移值下實(shí)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(biāo)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(guān)系；2)傳感器輸出電壓在不同壓縮值下誤差不同,測量時(shí)應(yīng)調(diào)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(jì)算傳感器的理想輸出電壓V與壓縮x距離的關(guān)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(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償。根據(jù)多次標(biāo)定試驗(yàn)得到傳感器在不同輸出電壓下的補(bǔ)償電壓如表1所示。

表1 傳感器輸出電壓補(bǔ)償 mV

采用線性插值[9]方法來計(jì)算補(bǔ)償電壓Vc。根據(jù)傳感器實(shí)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(bǔ)償電壓區(qū)間[VcL,VcH],進(jìn)行線性插值計(jì)算找到準(zhǔn)確的補(bǔ)償電壓Vc,Vc的線性插值和補(bǔ)償后傳感器輸出電壓V計(jì)算如式(2)所示

(2)

4.2 基準(zhǔn)誤差校正方法

4.2.1 鉚點(diǎn)高度測量模型

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

圖4 鉚點(diǎn)高度測量模型示意

假設(shè)傳感器實(shí)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(guān)系如式(3)所示

(3)

以夾具平面為基準(zhǔn),建立空間直角坐標(biāo)系,式(3)求得的傳感器壓縮距離x即為三維坐標(biāo)的z值,根據(jù)預(yù)先測量的鉚點(diǎn)和鎖平面測量點(diǎn)的二維坐標(biāo)(xi,yi)得到待測鉚點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)集{(xr,yr,zr)}和鎖平面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)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(duì)系數(shù)A,B,C求一階導(dǎo)數(shù)可求解出A,B,C的值,如式(5)所示

(5)

根據(jù)空間中點(diǎn)到平面的距離關(guān)系如式(6)所示,計(jì)算鉚點(diǎn)到鎖平面的距離H,H即為所求鉚點(diǎn)高度

(6)

4.2.2 基準(zhǔn)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(shè)鉚點(diǎn)測量傳感器與鎖平面測量傳感器的壓縮距離差為ΔH,鉚點(diǎn)高度為H?？芍`差來源主要有兩個(gè)：1)不同傳感器的安裝高度差Δh;2)夾具的系統(tǒng)誤差e。可知ΔH,H,Δh和e間的關(guān)系如式(7)所示

ΔH=H+Δh+e

(7)

為了消除誤差e和Δh,用標(biāo)準(zhǔn)量塊和所有鎖平面測量傳感器的擬合平面對(duì)每個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。具體校正方法如下：

Step1 采集各只傳感器未壓縮時(shí)的初始電壓{Vi}；

Step2 水平放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊,將所有傳感器下降接觸標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)高度時(shí)減去{Vi}和{V′i}校正誤差Δh；

Step3 測量鉚點(diǎn)高度時(shí),所有傳感器下降接觸門鎖工件,采集鉚點(diǎn)測量傳感器電壓{V″r},再將3只鎖面測量傳感器多次旋轉(zhuǎn)角度θ后采集電壓{V″p1}{V″p2}{V″p3},并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)門鎖的鎖平面p(xp,yp,zp)傾斜角度不一樣導(dǎo)致誤差e。計(jì)算時(shí)各測量點(diǎn)電壓{V″i}應(yīng)減去該點(diǎn)在p(xp,yp,zp)平面中對(duì)應(yīng)的高度值來校正誤差e,修正后的各測量點(diǎn)電壓{V″ii},進(jìn)行后續(xù)鉚點(diǎn)高度的計(jì)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(diǎn)高度計(jì)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(zhuǎn)角度θ后采集電壓,得到4個(gè)鉚點(diǎn)和n個(gè)鎖平面的測量電壓{Vi}并進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選去除誤差較大的數(shù)據(jù)；

Step3 電壓補(bǔ)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(jìn)行傳感器電壓補(bǔ)償和基準(zhǔn)誤差校正,再根據(jù)式(3)計(jì)算各個(gè)測量電壓值對(duì)應(yīng)位移值{zi}；

Step4 鎖平面擬合。建立空間直角坐標(biāo)系,以位移值{zi}作為z值,得到4個(gè)鉚點(diǎn)的三維坐標(biāo){(xr,yr,zr)}和3只鎖平面測量傳感器測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)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(gè)表示局部鎖平面的微平面方程P1,P2,P3；

Step5 計(jì)算鉚點(diǎn)高度H。根據(jù)Step4中的4個(gè)鉚點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及式(6),選擇P1,P2,P3中鉚點(diǎn)的臨近平面作為計(jì)算平面P,計(jì)算鉚點(diǎn)到計(jì)算平面P的距離H,H即為所求鉚點(diǎn)高度。

5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

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

5.1 重復(fù)測量精度試驗(yàn)

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(gè))待測鉚點(diǎn)的高度,每個(gè)鉚點(diǎn)重復(fù)測量10次,多次試驗(yàn)并分析重復(fù)測量精度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復(fù)測量精度試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,所測4個(gè)鉚點(diǎn)的高度與平均高度的最大偏差為0.011 mm,計(jì)算可得4個(gè)鉚點(diǎn)的重復(fù)測量精度為0.007 mm,重復(fù)測量精度在0.01 mm以內(nèi),滿足檢測精度要求。

5.2 基準(zhǔn)誤差校正前后對(duì)比試驗(yàn)

設(shè)置2種處理方法,一種進(jìn)行基準(zhǔn)誤差校正方法處理作為對(duì)照組,另一種不進(jìn)行基準(zhǔn)誤差校正方法處理作為實(shí)驗(yàn)組,以重復(fù)測量精度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),用以上2種處理方法分別對(duì)同一工件同一位置的鉚點(diǎn)重復(fù)測量10次高度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 基準(zhǔn)誤差校正對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

計(jì)算實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組鉚點(diǎn)高度的平均值Hmean并使用式(8)計(jì)算重復(fù)測量精度R

(8)

計(jì)算得知，經(jīng)過誤差校正的對(duì)照組最大測量偏差為0.009 mm,重復(fù)測量精度為0.005 mm,而未經(jīng)過誤差校正的實(shí)驗(yàn)組最大偏差為0.450 mm,重復(fù)測量精度為0.024 mm,遠(yuǎn)大于經(jīng)過誤差校正的對(duì)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(fù)情況,計(jì)算實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組10組鉚點(diǎn)高度數(shù)據(jù)Hn與高度平均值Hmean之間的偏差,如圖5所示?？梢钥闯?經(jīng)過誤差校正處理的對(duì)照組測量數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,而未經(jīng)過誤差處理的實(shí)驗(yàn)組各次高度數(shù)據(jù)極差大,測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，本文的誤差校正方法可以有效提高重復(fù)測量精度。

圖5 誤差校正前后測量高度偏差對(duì)比

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電阻式位移傳感器的汽車門鎖鉚點(diǎn)高度測量系統(tǒng),包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用了基于電壓補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳂?biāo)定方法對(duì)位移傳感器的非線性誤差進(jìn)行校正,并提出了一種基準(zhǔn)誤差校正方法來消除傳感器安裝導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差,提高了系統(tǒng)的重復(fù)測量精度,最后判定鉚點(diǎn)高度是否合格。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,本文設(shè)計(jì)的汽車門鎖鉚點(diǎn)高度測量系統(tǒng)重復(fù)測量誤差小于0.01 mm,滿足汽車門鎖鉚點(diǎn)高度檢測的要求。