基于LabVIEW的零件尺寸公差檢測(cè)儀

吳 韌，蔡偉義

WU Ren, CAI Wei-yi

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車及交通工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

尺寸公差是機(jī)械零件生產(chǎn)制造中的重要檢測(cè)項(xiàng)目。傳統(tǒng)人工檢測(cè)速度慢和效率低，使用專用檢測(cè)設(shè)備成本高，并且難以實(shí)現(xiàn)通用性?；贚abVIEW的零件尺寸公差檢測(cè)儀，將尺寸公差檢測(cè)儀虛擬化，通過(guò)傳感器、信號(hào)采集板和PC機(jī)完成整個(gè)測(cè)量工作，操作方便快捷、顯示直觀、精度高且容易實(shí)現(xiàn)通用性。LabVIEW和數(shù)據(jù)采集板卡相配合，能構(gòu)成整套復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，但由于數(shù)據(jù)采集板卡價(jià)格昂貴且安裝不方便，本文使用單片機(jī)作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)串口發(fā)送至PC機(jī)，在LabVIEW平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)的分析、顯示和人機(jī)交互[1]。

1 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)部分

下位機(jī)系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、電源模塊、信號(hào)輸入及調(diào)理模塊、串口發(fā)送模塊等。單片機(jī)采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16型8位處理器。傳感器檢測(cè)零件尺寸，輸出電壓信號(hào)為-5V～+5V，輸入調(diào)理模塊將信號(hào)隔離并抬高至0V～+10V，經(jīng)電阻分壓后接入單片機(jī)。單片機(jī)使用自帶的10位ADC將調(diào)理好的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)化后的結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送模塊發(fā)送至上位機(jī)，MAX232芯片完成TTL和RS-232的電平轉(zhuǎn)換[2]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)部分

下位機(jī)的程序主要包括三個(gè)部分：模塊初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和串口發(fā)送子程序。軟件流程圖如圖1所示。由于本例中需要不停的采集傳感器信號(hào)并通過(guò)串口向PC機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故自行設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的應(yīng)用層通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)按幀格式發(fā)送，通過(guò)LabVIEW程序?qū)ふ規(guī)^，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠交付傳輸。串口數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖1 下位機(jī)軟件流程圖

圖2 串口數(shù)據(jù)幀格式

2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW串口模塊

采用LabVIEW的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)串行通訊子VI來(lái)開(kāi)發(fā)串行通信模塊。主要包括VISA Configure Serial Port.vi：將指定的串口按特定設(shè)置初始化，包括波特率、數(shù)據(jù)格式等。VISA Write.vi：將寫(xiě)入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的設(shè)備或接口中。VISA Read.vi：從指定的設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。VISA Close.vi：將打開(kāi)的串口關(guān)閉[3,4]。由于在LabVIEW平臺(tái)中串行通信數(shù)據(jù)是以字符串為格式，故將串口得到的數(shù)據(jù)通過(guò)字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換控件轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)組。為了滿足自行制定的應(yīng)用層協(xié)議，在LabVIEW串口接受子模塊中，加入了由搜索一維數(shù)組（Search 1D Array）和while循環(huán)構(gòu)成的數(shù)據(jù)幀的解析功能模塊，由此尋找出數(shù)據(jù)幀幀頭，最終提取出傳感器電壓信號(hào)的數(shù)字量，具體程序如圖3所示[5]。

圖3 串口模塊程序圖

2.2 按鍵輸入模塊

LabVIEW按鍵模塊完成對(duì)六個(gè)按鍵的監(jiān)測(cè)和識(shí)別，不同按鍵相組合，實(shí)現(xiàn)不同的功能，主要有標(biāo)準(zhǔn)上下公差的設(shè)定、分辨率的設(shè)定和設(shè)置密碼等。功能狀態(tài)通過(guò)模擬6位8段數(shù)碼管的字符串控件顯示。設(shè)計(jì)時(shí)將按鍵封裝成簇，當(dāng)有按鍵按下后，簇的值將發(fā)生改變，同時(shí)觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)中完成按鍵的識(shí)別和按鍵指令的編寫(xiě)。按鍵識(shí)別通過(guò)將簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成數(shù)組，再搜索數(shù)組中數(shù)據(jù)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的按鍵激活不同的case結(jié)構(gòu)，在case結(jié)構(gòu)中完成按鍵功能的編寫(xiě)。由于按鍵所需實(shí)現(xiàn)的功能較多，故使用了基于狀態(tài)機(jī)的編程思路，即按鍵內(nèi)部的邏輯通過(guò)引入狀態(tài)標(biāo)志來(lái)轉(zhuǎn)換，狀態(tài)標(biāo)志和數(shù)碼管控件通過(guò)移位寄存器傳遞至下一個(gè)循環(huán)。具體程序如圖4所示。

圖4 按鍵輸入模塊程序圖

2.3 燈光柱顯示模塊

燈光柱顯示模塊使用布爾數(shù)組模擬了一百個(gè)三色LED燈，通過(guò)燈光柱高度的變化，實(shí)時(shí)的顯示了傳感器所測(cè)得零件的尺寸和設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的偏差：中間位置為零刻度，表示無(wú)偏差；往上往下分別表示為上偏差和下偏差。同時(shí)，通過(guò)燈光柱顏色的改變，直觀的反映了零件是否符合公差要求：當(dāng)燈光柱為綠色時(shí)，表示符合；為黃色時(shí)，說(shuō)明所測(cè)零件尺寸已接近最大公差值，表示警告；為紅色時(shí)，說(shuō)明所測(cè)零件尺寸已超出最大公差值，表示不符合。顏色的改變可通過(guò)調(diào)用布爾數(shù)組的顏色屬性節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。LabVIEW公式節(jié)點(diǎn)（Formula Node）完成了通過(guò)LabVIEW串口通信模塊得到的傳感器電壓值和按鍵模塊輸入的標(biāo)準(zhǔn)尺寸值的比較計(jì)算，公式節(jié)點(diǎn)中使用C語(yǔ)言編程，將計(jì)算結(jié)果用狀態(tài)標(biāo)識(shí)符返回，來(lái)控制case結(jié)構(gòu)的跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光柱的控制。子模塊程序框圖如圖5所示[6]。

圖5 等光柱顯示模塊程序圖

3 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果

系統(tǒng)上電復(fù)位后，即可通過(guò)LabVIEW界面中的按鍵輸入模塊輸入標(biāo)準(zhǔn)零件的尺寸，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。此時(shí)，將待測(cè)零件置于傳感器測(cè)量的規(guī)定位置，傳感器便測(cè)出了該零件的實(shí)際尺寸，以電壓值的方式傳送至下位機(jī)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所測(cè)信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)LabVIEW軟件，最終以燈光柱的方式給出測(cè)試結(jié)果。顯示界面如圖6所示。

圖6 前面板顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)LabVIEW軟件將零件尺寸公差測(cè)試儀虛擬化，運(yùn)用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力完成工業(yè)測(cè)試測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)是：1）LabVIEW所使用的G語(yǔ)言方便快捷，便于項(xiàng)目初期定型和快速研發(fā)，提高了開(kāi)發(fā)效率；2）使用軟件作為測(cè)試手段，可以減少昂貴的專用設(shè)備投資，同時(shí)降低了設(shè)備維護(hù)成本，使經(jīng)濟(jì)效益大為提高；3）軟件便于維護(hù)升級(jí)，為儀器功能擴(kuò)展提供了廣闊的空間。同時(shí)，虛擬儀器也面臨著一些問(wèn)題和不足，諸如系統(tǒng)精度、抗干擾能力等。在后續(xù)研究中，嘗試把互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通訊引入系統(tǒng)，即通過(guò)TCP/IP協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳送至Internet網(wǎng)或另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。這樣，工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場(chǎng),也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)運(yùn)行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化,并可根據(jù)具體情況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在客戶計(jì)算機(jī)上對(duì)在控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行于服務(wù)器計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出命令，及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的[7]?？墒箿y(cè)試系統(tǒng)更加靈活方便，檢測(cè)儀產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

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