于文娟，李新成，王繼偉

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島 266109)

加工誤差統(tǒng)計分析是運用數(shù)理統(tǒng)計分析法對批量零件尺寸進行抽樣檢測，通過分布曲線法找出加工誤差的種類、大小及規(guī)律，分析廢品產(chǎn)生的原因，提出解決方案，并采取有效措施，預(yù)防廢品產(chǎn)生[1-4]。目前，零件加工誤差統(tǒng)計分析主要有兩種方法：一種方法是人工測量零件尺寸，并利用Flash ActionScript軟件、MATLAB軟件或VB.NET軟件編程，使用計算機處理數(shù)據(jù)，繪制可視化圖表[5-8]；另一種方法是利用電渦流位移傳感器測量零件尺寸，通過數(shù)據(jù)采集卡和MATLAB軟件采集并對誤差進行統(tǒng)計分析[9]。前一種方法人工測量并記錄數(shù)據(jù)，人為誤差大，測量結(jié)果不準(zhǔn)確；后一種方法雖然有較高的誤差統(tǒng)計分析效率，但測量過程需要根據(jù)電渦流位移傳感器的檢定數(shù)據(jù)擬合輸出電壓與測量距離間的函數(shù)關(guān)系，因此輸出電壓的測量誤差直接影響零件的測量精度。為此，迫切需要研發(fā)一種能直接、準(zhǔn)確測量零件尺寸，并快速運算和處理數(shù)據(jù)的加工誤差統(tǒng)計分析系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要由測量裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計算機組成。硬件系統(tǒng)基本原理如圖1所示。系統(tǒng)通過測量裝置上的位移傳感器讀取零件尺寸的模擬量，并將模擬量輸送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成計算機可識別的數(shù)字量，最后將數(shù)字量由端口RS232輸入到計算機，實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

圖1 硬件系統(tǒng)基本原理

2.1 測量裝置

測量裝置為武漢華科機電工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HJD-JZ6型形位公差測量綜合實驗臺。綜合實驗臺包括測量平臺和位移傳感器。測量平臺包括基準(zhǔn)平臺、V型塊和三維可調(diào)整運動部件，可保證測量零件安放準(zhǔn)確，并使位移傳感器能夠進行三維空間移動。位移傳感器為線性差動變壓器式傳感器，其特點是內(nèi)部設(shè)置信號放大電路，實現(xiàn)一體化預(yù)校準(zhǔn)，可直接與通用型數(shù)字顯示表、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口配套使用。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用研祥智能科技股份有限公司提供的ARK-8017DHI模塊。該模塊可實現(xiàn)兩路單端位移傳感器模擬信號采集和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，通過RS232串口傳輸?shù)接嬎銠C。它配置瞬態(tài)抑制二極管抑制浪涌脈沖，可在惡劣環(huán)境下可靠工作，具有集成度高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性高等特點[10]。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 軟件功能

系統(tǒng)通過LabVIEW平臺編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示功能。數(shù)據(jù)采集部分根據(jù)用戶操作，通過串口向外部發(fā)送指令和讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分對采集的數(shù)據(jù)進行拆分、運算，并依據(jù)數(shù)據(jù)繪制圖形；結(jié)果顯示部分可顯示輸出零件尺寸測量數(shù)據(jù)表、頻數(shù)分布表，以及常值系統(tǒng)誤差、隨機系統(tǒng)誤差、工藝能力系數(shù)、工藝能力等級、廢品率等數(shù)據(jù)圖表和計算結(jié)果，并通過圖像控件描繪直方圖、實際分布圖。

3.2 前面板設(shè)計

系統(tǒng)的前面板是LabVIEW平臺圖形化人機交互界面，主要包括用戶信息、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等信息顯示窗口和操作按鈕。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集程序采用串口通信方式，通過系統(tǒng)全局變量讀取端口號，并設(shè)置串口參數(shù)(如波特率、奇偶校驗位、停止位、數(shù)據(jù)位等信息)，然后根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送程序指令，讀取模擬量數(shù)據(jù)，輸入通道0，經(jīng)過短暫延時后，上位機讀取數(shù)據(jù)。程序指令格式見表1。

數(shù)據(jù)采集程序包括循環(huán)結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)兩部分(圖2)。循環(huán)結(jié)構(gòu)用來采集每個零件A、B兩點的尺寸誤差，順序結(jié)構(gòu)則調(diào)用表格控件生成零件尺寸測量數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)讀取過程中，可通過指示燈實時顯示采集數(shù)據(jù)開始和完成情況。

3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理程序設(shè)計

受到周圍電場、磁場等信號干擾，位移傳感器測量時，讀取的零件尺寸常存在異常數(shù)據(jù)。為進一步準(zhǔn)確測量零件尺寸，設(shè)計數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，可根據(jù)Chauvenet準(zhǔn)則剔除最大值和最小值、計算平均值，記為零件測量結(jié)果[11]。另外，計算機采集信號為十六進制數(shù)字量，數(shù)據(jù)預(yù)處理程序可將十六進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備工作。十六進制數(shù)字量最高位為符號位，其他為數(shù)字位。符號位為“0”表示零件測量誤差為正值，符號位為“1”表示零件測量誤差為負值。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序讀取十六進制數(shù)字量后，首先根據(jù)符號位判斷誤差的正負，然后將其他數(shù)字位轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序如圖3所示。

3.5 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

數(shù)據(jù)處理程序如圖4所示。首先，程序從預(yù)處理程序輸出結(jié)果中讀取十進制數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)確定樣本尺寸最大值和最小值，依據(jù)樣本容量計算零件尺寸分組數(shù)、組距、組中值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；然后，程序調(diào)用表格控件生成零件尺寸測量數(shù)據(jù)表、頻數(shù)分布表，并以零件尺寸為橫坐標(biāo)，以頻數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制零件尺寸實際分布圖和直方圖；最后，計算常值系統(tǒng)誤差、隨機系統(tǒng)誤差、工藝能力系數(shù)、工藝能力等級和廢品率。

表1 指令格式

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理程序

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 器材

4.2 方法

將樣本隨機排序。在樣本中選取1號零件，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量1號零件任意A點尺寸，并將該讀數(shù)作為其他零件的實測基準(zhǔn)尺寸；將1號零件放在測量平臺V型塊上，通過三維可調(diào)整部件調(diào)整位移傳感器與1號零件的相對位置，使位移傳感器測頭與1號零件A點接觸，并壓縮1～2 mm；在系統(tǒng)前面板輸入用戶信息，選擇數(shù)據(jù)COM端口，輸入樣本容量、零件圖公差和實測基準(zhǔn)尺寸；測量1號零件轉(zhuǎn)動1圈的尺寸誤差，則該尺寸誤差的2倍與上述實測基準(zhǔn)尺寸之和，記為1號零件A點的實測尺寸；同樣方法測量1號零件任意B點的實測尺寸；依次測量所有零件的實測尺寸，生成測量數(shù)據(jù)表(表2)、頻數(shù)分布表(表3)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果(表4)。

4.3 結(jié)果分析

從表2、表3、表4可以看出：該系統(tǒng)測量零件尺寸數(shù)據(jù)可精確至0.001 mm，而人工測量一般只能精確至0.01 mm，因此，該系統(tǒng)具有較高的測量精度；該系統(tǒng)可自動生成和打印所有數(shù)據(jù)，與人工測量、計算、統(tǒng)計相比，具有較高的效率。

表2 測量數(shù)據(jù)表

表3 頻數(shù)分布表

表4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

5 結(jié)論

利用測量平臺、位移傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計了硬件系統(tǒng)，通過LabVIEW平臺編程，采集數(shù)據(jù)并進行誤差處理，實現(xiàn)了對零件加工誤差的智能準(zhǔn)確測量和快速統(tǒng)計分析，可直接給出計算結(jié)果，具有較高的測量精度和計算效率。本文的設(shè)計可為機械制造業(yè)批量零件加工誤差統(tǒng)計分析提供技術(shù)支持。