液壓油缸內壁參數測量數據采集處理系統

秦自瑞，于連棟，孟廣燦

(合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 23009)

液壓傳動在車輛、起重運輸機械、工程機械、礦山設備及其他機械中具有廣泛的應用。油缸作為液壓傳動中不可或缺的組成部分，其內徑各參數的精度，將直接對傳動系統的性能產生影響。

對類似于油缸內壁的孔徑測量方法，一般分為直接測量法和間接測量法［1－9］。直接測量法是利用兩點或三點定位，直接測量出孔徑的方法。其常用測量工具包括內徑千分尺、萬能測長儀、臥式測長儀等，通用長度測量工具和內徑測微儀、柔性坐標測量機等專用的孔徑測量工具，但此類測量方法效率低、誤差大，且不易用于深孔徑和高精度產品的在線測量。間接測量法是利用三點定一圓原理，測出被測孔圓周上任意三點的坐標值，然后根據相關算法，求出圓心坐標，再換算出孔徑尺寸和其他參數。此類方法效率高、誤差小，可用于在線檢測，本檢測系統采用的就是間接測量法。

1 測量系統概述

測量系統的設計思想是，將4個高精度位移傳感器安裝在所設計的傳感器夾具上，并將其放入被測油缸的內部，在氣浮導軌的牽引下，平穩通過被測量油缸。將所獲得的位移傳感器的信號變化量，傳送至上位機，應用間接測量方法的原理，將所測得數據轉化為坐標變化量，通過最小二乘擬合數據，根據相關的數據處理運算，進而獲得油缸內壁所需的多項參數。

本檢測系統主要由硬件與軟件兩部分組成。其中，硬件部分主要由4個高精度位移傳感器、4通道電感箱、數據采集卡、氣浮導軌及上位機組成，系統的整體結構框圖如圖1所示。電感位移傳感器一端接至4通道電感箱，然后將其4路電壓信號的輸出端連接至數據采集卡的模擬量輸入通道口，數據采集卡內部的A/D功能模塊對信號進行模數轉換，轉換后的數字信號通過PCI總線接口傳輸至上位機，進行相關的數據處理。與此同時，上位機通過PCI總線向數據采集卡內部傳送各種氣浮導軌的控制信號，進而控制氣浮導軌的運動，這樣就實現了上位機對現場4個位移傳感器信號的采集和氣浮導軌控制信號的傳輸。軟件部分主要是基于VB 6.0的上位機數據采集和處理軟件的開發設計。

圖1 數據采集系統整體框圖

2 硬件部分簡介

檢測系統主要目的是檢測油缸內壁的圓柱度、直線度和直徑等參數，因該檢測系統測量精度要求范圍是(－15 μm，+15 μm)，且為動態測量，所以所選傳感器必須是精度高、響應速度快的位移傳感器。根據以上要求，系統選用瑞士TESA公司的電感位移傳感器，也稱電感測頭，其為半橋型傳感器，將位移變化轉化為電信號，測量范圍是 ±0.5 mm，軸向行程 1.25 mm，靈敏度是73.75 ±0.5 mV(V/mm)，是線性誤差 ＜0.2%，重復度 ＜0.2 μm。

由于所選的傳感器的供電電源要是13 kHz的5 V交流電壓源，為保證傳感器輸出信號的高穩定性和傳輸的便捷性，為其配備了通道電感箱。

因在檢測過程中，需要接受大量的傳感器信號傳入上位機進行實時處理和分析，這就需要高速且大容量的數據采集裝置，系統采用研華公司的PCI－1711高速數據采集卡，為用戶提供了所需的測量和控制功能，可提供16通道單端 A/D輸入，12 bit A/D轉換，采樣率最高可達100 kHz，每個輸入通道的增益可單獨編程，用戶可根據每個通道不同的輸入電壓類型來選擇不同的增益系數，進行相應的輸入范圍設定，卡上1 kB采樣FIFO緩沖器，可編程計數器/定時器，自動通道/增益掃描［10］。

3 軟件設計

3.1 數據采集

由PCI－1711進行數據采集的編程方式可分為3種:軟件觸發方式、中斷方式和DMA方式［11］。軟件方式就是軟件命令觸發數據轉換，該方式編程相對簡單，但采集數據速度較慢，多用于低速數據采集;中斷傳輸方式比軟件傳輸方式采樣速度高，模擬量輸入中斷傳輸方式有兩種:一種方式是每一次轉換產生一個中斷;另一種方式是把轉換數據保存在FIFO中。根據硬件的不同，當FIFO半滿或全滿時產生一個中斷，設備驅動接收到中斷后會發送不同的事件告知用戶當前采樣狀態;DMA方式是三者中數據傳輸最快的，數據在沒有CPU介入的情況下直接在設備和內存間傳輸，設備驅動會探測數據轉換狀態，并發送合適的事件通知用戶［12－13］。系統在軟件程序中調用動態鏈接庫，采用DMA方式下的FIFO功能進行信號數據的傳輸。本系統數據采集是用的第3種方式——DMA方式，結合Visual Basic 6.0開發平臺，數據采集流程如圖2所示。

圖2 DMA方式數據采集流程

3.2 數據處理

用4個電感位移傳感器測量油缸內壁的參數，其根本原理是通過把測量截面的4個傳感器所測得的位移變化量，轉化為其所在坐標平面內的坐標值，然后通過這4個坐標值，利用最小二乘擬合，擬合出此油缸被測量截面的實際圓心位置坐標和油缸直徑。該測量過程的關鍵點在于將電感位移傳感器所測量的變化轉換成對應的坐標值的變化。在理想的情況下，夾具上所安裝傳感器的軸線正交，軸線的交點和標準環規的中心重合，以此相交軸線為坐標軸、相交點為原點建立直角坐標系，那這4個位移傳感器所測得轉化的坐標則分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)。

3.2.1 最小二乘擬合原理

假設所測量截面為XY，4個位移傳感器所測量轉化后的位置坐標分別為 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，P3(x3，y3)，P4(x4，y4)此4 點均在所擬合的圓上，理想圓方程為

所謂求擬合圓，即確定上式中圓心坐標(x0，y0)和半徑的值。按最小二乘法定義，應該以求目標F(x0，y0，的最小值來定參數。其中

經一系列推導之后，求解結果為

其中

只有當圓心坐標(x0，y0)足夠小時，才能作線性變換C=++R2。若(x0，y0)不是足夠小，會帶來線性誤差，這時需以求得的圓心坐標(x0，y0)為新坐標的原點，對測量數據點進行坐標平移后在進行最小二乘擬合，直到求得坐標(x0，y0)為足夠小［14－15］。本測量系統的擬合圓心坐標(x0，y0)足夠小，所以測量坐標不用進行坐標變換。

3.2.2 誤差處理

系統的測量誤差主要包括溫度變化引起的測量裝置變形誤差，傳感器精度誤差，傳感器安裝誤差等，由于測量環境可以進行恒溫控制和所選傳感器為高精度傳感器，所以上述前兩項誤差可以忽略不計，但傳感器的安裝誤差應該予以消除。傳感器的安裝誤差可分3個方面:

(1)坐標系原點偏心誤差，即安裝位移傳感器的正交軸線的交點和被測件的中心有一點偏差。

(2)位移傳感器安裝軸線非正交引起的坐標位置誤差。

(3)位移傳感器安裝軸線非正交和理想坐標系原點偏心誤差在測量時所帶來的誤差。

由上述擬合方法，經所編寫的軟件進行實時數據處理，即可快速地得到油缸的直線度、圓柱度和油缸半徑。圖3為測量系統的軟件界面。

圖3 測量系統的軟件界面

4 結束語

介紹了的液壓油缸內徑參數檢測的數據采集處理系統，測量精度高、效率高，可用于在線檢測的環境中，通過測量出液壓油缸內壁的直徑、直線度、圓柱度等參數，可快速地檢驗其產品是否符合出廠精度要求，具有很強的實用性，該系統可在產品的深孔參數檢測領域內進行推廣。

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