C#與Matlab混合編程在EA211水泵殼體平行度檢測中的應用

□ 金洋洋 □ 李居峰 □ 袁 麗

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

水泵是發動機冷卻系統的重要部件，它的作用是泵送冷卻液，使冷卻液在發動機的冷卻水道內快速流動，以帶走工作時產生的熱量，保持發動機正常的工作溫度。汽車發動機使用的是離心式水泵，由殼體、葉輪、軸承、泵軸、水封以及傳動帶輪等組成。

水泵殼體由鑄鐵或鑄鋁制成。鑄鐵殼體壁厚且質量大，隨著對發動機輕量化要求的提高，目前只在某些商用汽車的大型發動機上還在使用鑄鐵殼體的水泵。很多鑄鐵殼體上還帶有部分水道和節溫器安裝室，這使殼體的質量進一步增加。大多數轎車水泵采用了鑄鋁殼體，而且尺寸越來越小，很多殼體已經不再具有水道的功能。本文所研究的大眾汽車EA211發動機冷卻系統的水泵殼體也是采用鑄鋁材料，在其生產過程中，水泵殼體上下面的平行度是一個重要指標，它直接影響到水泵整體的性能以及汽車的行車安全。水泵殼體上下面的平行度要求如圖1所示。

1 Matlab和C#結合的思路

當下，Matlab已成為應用最廣泛的科學工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數學運算、信號分析、圖象處理、財務分析等各領域。Matlab所使用的是一種腳本語言，是逐行解釋執行的，程序中所有的變量都是通過mxArray來實現的，所以為了保證通用性，它的執行效率非常低，在開發一些復雜算法時會發現程序執行得特別慢，雖然MathWorks公司已竭力提高M腳本文件的運算速度，但到目前為止，效果仍然不能和同樣功能的可執行程序相比。而且，M文件不能脫離Matlab的應用程序環境，這就大大制約了程序的可移植性和通用性，因此，Matlab不適合作為通用的編程平臺，這給混合編程出了一個大難題。

C#是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于.NETFramework之上的高級程序設計語言。它是一種安全、穩定、簡單、優雅的，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，以其強大的操作能力、優雅的語法風格、創新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發的首選語言。

如果利用C#與Matlab接口技術，一方面充分發揮Matlab的數值計算功能，并且可以不依賴它的軟件運行，另一方面在C#里做出漂亮的界面，把復雜的數據處理交給Matlab去做，這樣有助于發揮程序各自的優點，降低開發難度，縮短編程時間，提高執行效率。基于C#和Matlab結合優勢的考慮，本文介紹一種C#與Matlab通過COM組件混合編程的技術，并且將這種技術成功地用于平行度在線自動檢測項目。

2 Matlab和C#混合編程的實現過程

▲圖1 EA211發動機水泵殼體的示意圖

通過COM組件的形式進行混合編程，首先要考慮的問題是編好的程序到了工廠的電腦上能否正常運行。經過實際操作試驗，發現只要拷貝一下Matlab的MCR（即 MatlabCompilerRuntime）安裝文件，然后到所要運行的電腦上安裝一下就可使用。如果電腦上安裝了Matlab，則不需要再重新安裝這個軟件。另外，不同的Matlab版本提供的MCR可能會不同，如果在另一臺電腦上自己編寫的軟件運行有問題，可能是編譯器的版本不同引起的。

使用混合編程，首先把Matlab提供的MWARRAY類庫MWARRAY．dll添加到C#程序中。它的作用是把C#中的數組轉化為Matlab中的數組。同時需要在程序開始部分添加下面兩句話：

using MathWorks．Matlab．NET．Arrays; using MathWorks．Matlab．NET．Utility;

接下來需對Matlab進行編譯，然后生成．dll文件，和添加MWARRAY一樣，添加到C#引用之中，并在程序開始處添加下面一句話：

usingmyFuti;（假設函數名為 myFuti）

這里有一點要注意，就是Matlab中M文件里編寫的程序必須是函數格式，不然就生成不了所需要的．dll文件。如果不是函數格式，需將其轉換成函數合適之后再進行轉換。具體操作就是在程序的第一行添加：function［］=myFuti（即建立一個空函數），在程序的最后一行添加：end，這樣就將其轉成函數格式了。

最后通過C#編程調用Matlab進行計算，實現混合編程的任務。

3 Matlab和C#混合編程技術在平行度檢測中的應用

掌握了混合編程的技術之后，筆者打算把它應用在近期所做的EA211水泵殼體平行度檢測項目上。在計算平行度的算法選擇中，決定使用當今最流行的最小二乘法進行曲面擬合，即根據空間所給的n個點坐標來擬合一個面，使各個點到這個擬合面之間的距離最小，那么這個平面就是所要求的面。從另一角度來看，就是求得一個平面方程 z=a（1）*x+a（2）*y+a（3），使各個點盡可能都是此方程的解。

現在就以具體數據為例，取空間8個點，各點的空間坐標 x、y、z 如下：

x=［2020．0520171616．0511．059．05］；y=［1520231810583］；

z=［4．04664．01034．05384．01804．0119

4．04394．03244．0360］

利用Matlab最小二乘算法編程如下：

A=［x′,y′,ones（size（x′））］;

a=A/z′，其中a為擬合曲面的3個未知系數。

將 3 個系數分離下來為：a（1）=［1，0，0］a； a（2）＝［0，1，0］a； a（3）＝［0，0，1］a

最后可以得到：a（1）＝0．0010， a（2）＝-0．0006，a（3）＝4．0233

與傳統的三坐標測量的結果對比發現，兩者的誤差非常小，說明使用該算法是切實可行的。這樣就得到了擬合曲面的方程 z=a（1）x+a（2）y+a（3），為下一步計算平行度打下了基礎。

在項目方案中，筆者打算通過 “基恩士”LK-G30系列激光位移傳感器采點的方法來測EA211水泵殼體上下面的平行度。初步計劃在上平面采7個點，在下平面采8個點，采完這些點之后計算平行度。先利用下面8個點擬合一個虛擬平面，然后再計算上面7個點分別到這個擬合面的距離，取這些距離中的最大值和最小值，兩者相減即得到所求的平行度。圖2和圖3分別為水泵殼體上下面的采點情況示意圖。

▲圖2 上平面的采點情況

▲圖3 下平面的采點情況

4 結論

本文主要介紹了基于Matlab與C#的混合編程技術，并通過EA211水泵殼體平行度檢測的案例說明了這種方法的可行性與優越性。文中的程序結合了C#與Matlab各自的優勢，不僅提高了工作效率，使程序員更容易開發出功能強大、界面友好的軟件，同時也提高了系統的運行效率與精確性。這對于實現系統的無縫集成、有效縮短軟件開發周期、優化系統性能是十分有意義的。

［1］ 施杰，嚴慎．用最小條件法求解平面度誤差［J］．計量技術，1993（3）:3-4．

［2］ 張眆．平面度誤差的最小二乘法分析［J］．機械制造與研究，2002（3）:17-19．

［3］ 馮俊艷,馮其波,匡萃方．高精度激光三角位移傳感器的技術現狀［J］．應用光學,2004,25（3）．

［4］ 張文選．曲臂兩臂軸線平行度誤差非接觸檢測技術研究［D］．長春：長春理工大學，2002．

［5］ 肖永韌，解習農，劉曉峰．VC與Matlab混合編程之dll實現方法［J］．計算機工程與應用，2001（13）:174-176．