注塑機機筒內(nèi)徑磨損量的檢測方法研究

謝惠琴，楊鐵牛，侯曙光

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，江門 529020）

1 測量背景

以某機械設(shè)備有限公司已磨損的“∞”形狀注塑機機筒內(nèi)徑作為測量對象，如圖1所示。基于LabVIEW圖形化編程軟件平臺，以內(nèi)徑尺寸φ50-φ120mm，整體長度為2-8m，材料為鐵基合金的“∞”形狀機筒為測量對象，采用高精度非接觸感應(yīng)式測量方法，進(jìn)行了相關(guān)的研究。

為了保證測量過程的穩(wěn)定性和重復(fù)精度，要求測量對象進(jìn)行以下必要的前置處理：用塞規(guī)檢查附著內(nèi)表面的雜質(zhì)厚度小于1mm。

圖1 φ70的被測機筒

2 測量系統(tǒng)簡介

[1]后，設(shè)計了本研究的測量系統(tǒng)，如圖2所示，本測量系統(tǒng)包括：被測機筒、測量傳動裝置、測量電路、數(shù)據(jù)采集和計算機分析處理系統(tǒng)等。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)被測對象、實際測量精度和測量范圍的需要，我們選用24V穩(wěn)壓直流電源，電渦流位移傳感器及其所配置的信號放大器，激光測距傳感器，選用 NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合NI公司的LabVIEW軟件平臺進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理的編程。利用電渦流位移傳感器實現(xiàn)機筒內(nèi)徑尺寸采樣，采用激光測距傳感器確定被測截面的軸向準(zhǔn)確位置。

LabVIEW具有編程靈活、方便，形象化，圖像化及可以濾波等特點[2]，基于LabVIEW開發(fā)了檢測系統(tǒng)的總體程序框圖，包括數(shù)據(jù)采集、運算、存儲測量、補償程序的外部調(diào)用等子模塊。

3 測量原理及檢測量系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 電渦流傳感器檢測位移的測量原理

測量目的是要實現(xiàn)機筒使用者的生產(chǎn)現(xiàn)場測量。生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)工藝的不確定性，會導(dǎo)致機筒內(nèi)壁粘附的雜質(zhì)也不統(tǒng)一，但它們都有一個共性：即雜質(zhì)均無導(dǎo)電性，而被測機筒是一種金屬材料。因此，根據(jù)渦流式傳感器最大的特點[3]：能對位移、厚度、表面溫度、電解質(zhì)濃度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)很寬等特點，采用電渦流位移傳感器作為基本檢測元件。

電渦流位移傳感器的工作原理，如圖3所示。當(dāng)線圈與被測金屬導(dǎo)體靠近時（考慮到渦流的反作用），線圈的等效阻抗可由下式求得：

式中，R，L——空心線圈電阻和電感；

R1，L1——渦流回路的等效電阻和電感；

M——線圈與金屬導(dǎo)體之間的互感；

U1，L——空心線圈電阻與電感的總電壓和電流。

由上式可知，電渦流傳感器的等效阻抗Z與被測材料的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μr、激磁頻率f及線圈與被測件之間的距離x有關(guān)。當(dāng)ρ，μr，f確定后，Z只與x有關(guān)，通過適當(dāng)?shù)臏y量電路，可得到輸出電壓與距離x的關(guān)系。圖3相關(guān)工作過程可以參考文獻(xiàn)[4]。

圖3 電渦流傳感器的基本工作原理圖[4]

3.2 電渦流位移傳感器的標(biāo)定

由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，而被測體表面形成的渦流場也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要求。通常，電渦流位移傳感器所測量的位移量是指以傳感器探頭中心為中心的1.5倍[4]探頭直徑區(qū)域面積內(nèi)的被測平面的平均值。本文研究的被測對象為內(nèi)圓弧面，而且圓弧直徑大小不一，因此，對應(yīng)的位移與輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系也是不同的。故需將電渦流傳感器對應(yīng)各直徑進(jìn)行標(biāo)定，其流程圖如圖4所示。采用LabVIEW對電渦流位移傳感器的“位移-電壓”進(jìn)行標(biāo)定。

應(yīng)用標(biāo)定程序，針對φ70mm材料為不銹鋼的機筒對一對電渦流位移傳感器進(jìn)行了實驗標(biāo)定，如表1所示，圖5為表1對應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖。由圖可知位移與輸出電壓之間在一定范圍內(nèi)是成線性關(guān)系的。

圖4 標(biāo)定軟件流程圖

表1 一對傳感器對應(yīng)φ70mm模擬機筒的實驗標(biāo)定數(shù)據(jù)表

圖5 φ70mm位移-電壓標(biāo)定曲線

由圖5可得，傳感器1的量程線性范圍為2.1mm～4.4mm；傳感器2的量程線性范圍為2.1mm～4.5mm，該范圍內(nèi)的線性情況比較好，能滿足測量要求。利用線性擬合原理，將此兩個傳感器針對該φ70mm機筒的位移與電壓的線性函數(shù)關(guān)系，擬合為：

其中，y1、y2——測量位移，mm；

x1、x2——輸出電壓，v 。

3.3 測量系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)測量系統(tǒng)配置與圖6的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖，結(jié)合上述傳感器的標(biāo)定值，針對模擬的φ70mm不銹鋼材料磨損機筒，采用LabVIEW軟件進(jìn)行了兩路數(shù)據(jù)采集的程序編寫，如圖7所示為數(shù)據(jù)采集局部程序圖。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

由上面測量方法可得：1）采用LabVIEW軟件編寫具有具體化、形象化和簡單化等特點；2）檢測結(jié)果可以采用多種形式輸出與保存[5]，例如數(shù)值的text文本方式或是excel電子表格；3）對磨損量的檢測結(jié)果適時發(fā)出報警信號；4）整個測量過程的數(shù)據(jù)可以在線監(jiān)測。

4 測量數(shù)據(jù)分析與處理

4.1 本次實驗裝置介紹

本次試驗借用數(shù)控銑床平臺，采用兩個探頭直徑為φ8mm的傳感器安裝在同一截面上（即被測機筒的直徑方向上），用兩個傳感器在直徑方向進(jìn)行同步測量。最后將傳感器1測得的位移量與傳感器2測得的位移量之和與兩傳感器探頭端的距離相加即為所測得的直徑。用公式表示為：

其中：

d—實測機筒內(nèi)徑量；mm

d0—兩個傳感器探頭端之間的距離；mm

d1—傳感器1測得的位移量；mm

d2—傳感器2測得的位移量；mm

4.2 實測原始數(shù)據(jù)及預(yù)處理結(jié)果

在一個截面內(nèi)安裝兩個傳感器，每間隔一個毫米采集數(shù)據(jù)。利用兩路數(shù)據(jù)采集程序?qū)D1所示樣本進(jìn)行實測后，將所測的實驗數(shù)據(jù)利用excel軟件將其繪成曲線圖。如圖8所示為φ70mm模擬機筒的實驗數(shù)據(jù)。

圖8 所測直徑曲線圖

圖7 兩路數(shù)據(jù)采集局部程序框圖

其中相應(yīng)幾處重要的波峰波谷數(shù)據(jù)明細(xì)如表2所示。

表2 理論直徑與實測直徑對比

4.3 實驗數(shù)據(jù)后處理

在研究傳感器的測量原理基礎(chǔ)上，結(jié)合大量實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析實驗數(shù)據(jù)的偏差規(guī)律，對實驗數(shù)據(jù)的補償函數(shù)進(jìn)行了初步猜測，并運用C語言進(jìn)行編程驗證。通過幾組補償函數(shù)對本次實驗的幾組實驗數(shù)據(jù)不斷嘗試，最后得到最佳的補償函數(shù)并對關(guān)鍵點--波峰值進(jìn)行了補償。進(jìn)一步構(gòu)造補償函數(shù)（另文專門論述），依據(jù)實時所得數(shù)據(jù)，在線修正補償函數(shù)的權(quán)值系數(shù)，可以適應(yīng)不同零件的測量。本次實驗對表2的補償結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)處理前后比較

5 結(jié)束語

綜上所述，該測量方法可以滿足機筒內(nèi)孔磨損量的測量要求，所獲得的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)不同的處理，還可以用于評定機筒內(nèi)孔的其他特征。例如機筒的圓柱度誤差，機筒內(nèi)表面的波度，“∞”形機筒兩孔中心線的平行度誤差，同時還能用于檢測新機筒是否合格的質(zhì)量檢測過程等等。

通過對實驗測量原理、測量方法的分析，結(jié)合測量數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行了具體的實驗測試，對所測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析之后，證實該原理與方法是可行的，能滿足企業(yè)的測量精度和測量效率的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 要利鑫,鮑其蓮.基于電渦流位移傳感器和虛擬儀器技術(shù)的微小位移測量[J].測控技術(shù).2006,6(25):13-15.

[2] 雷振山,魏麗,趙晨光.等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3] 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].四川:電子科技大學(xué)出版社,2000,3,69-72.

[4] 上海冉普電子科技有限公司.RP6600/6600XL系列電渦流傳感器,http://www.ranpucn.com/zl-cgq-01.asp.

[5] 龍華偉,顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.