基于LabVIEW的大圓環平面在線檢測系統的研究與開發

劉　俊，張　平，張國根，李新濤

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州　510006；2.佛山新成洪鼎機械技術有限公司，廣東 佛山　528200)

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基于LabVIEW的大圓環平面在線檢測系統的研究與開發

劉俊1，張平1，張國根2，李新濤2

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州510006；2.佛山新成洪鼎機械技術有限公司，廣東 佛山528200)

針對直徑在5000～20000mm之間的大圓環平面在現場加工過程中存在平面精度難以保證這一實際難題，在分析研究了其關鍵問題的基礎上，采用高精度傾角傳感器采集數據，電腦軟件分析計算的方法，提出一套用角度傳感器，傾角傳感器，結合伺服電機運動控制，以LABVIEW軟件為核心的檢測方案。并開發出一套可以快速檢測大型圓環平面參數的高精度在線檢測系統。該系統可以通過對采集的數據，利用數學算法進行分析，計算和處理，得到大圓環平面的平面度，水平度和錐形度。檢測系統檢測效率高，適用于現場加工大圓環平面過程中的平面質量控制。

大圓環平面；LabVIEW；在線檢測

(1.School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China; 2.Foshan SHINEKEY Machinery Technology Co.,Ltd.,Foshan Guangdong 528200,China)

0　引言

傳統的小型圓環面和平面加工，一般都在標準機床上進行加工，精度一般容易得到保證，檢測方法簡便。但在一些大型圓環平面(一般是直徑在5000～20000mm左右)的加工過程中，尤其是在一些大型的船舶、火電，水電等加工現場,由于待加工的圓環質量和直徑較大，在裝配之前完成定心，調平以及固定的動作以后，重新裝拆對進一步的加工影響很大，所以只能根據加工要求定制專用非標便攜式銑床或者車床等在現場進行加工。但非標設備在現場過程中本身的精度以及安裝精度等的影響會導致加工的大圓環面精度低無法保證，所以在現場加工過程中對大圓環進行在線檢測和實時反饋，進而保證加工質量是非常有必要的。傳統的三坐標測量系統技術目前相對成熟，系統測量的精度高，但是工件的質量和大小受到限制。中國科學院光電技術研究所的戴曉磊等同學采用的是在三點法誤差分離技術的原理提出了一種新的檢測大型環形工件平面度誤差的方案，但主要是針對封閉的圓環平面。中科院光電所常使用的方法是飛機架法，該方法簡便可靠，不需要精確的測量基準，不足之處在于該方法在檢測過程中穩定性較差。并且以上的檢測系統和方法都是在加工完成之后或者加工之前對圓環面進行檢測，而不是在線檢測并及時反饋數據，難于滿足大圓環的進一步指導加工的要求。目前比較領先的方法是使用激光跟蹤儀檢測平面度，水平度等，實時快速、便于移動、可以動態測量且測量精度高、結果可靠，越來越受到大企業的歡迎，但市場價格昂貴,會增加檢測費用而導致企業獲得收益減少。佛山新成洪鼎機械技術有限公司是國內現場加工企業中為數不多的一個，其傳統的檢測方法是利用普通的定位儀或者是平尺結合框式水平儀進行手動檢測，人工誤差較大，檢測比較粗略。因此，如何更有效，經濟的實現進行大圓環面的在線檢測，進而指導加工，具有十分重要的意義，同時也是一個迫切需要解決的難題。

水平度，平面度，錐形度是反應加工表面質量的重要因素，在平面誤差參數的測量與評定中占有重要的地位。本文基于LabVIEW平臺研究與開發的大圓環平面在線檢測系統，對現場加工大圓環平面的過程中的表面質量控制有很大實用意義。

1　大圓環平面檢測方案的分析與設計

1.1原理分析

設計中采用的電子傳感器采用的是基于MEMS的高精度2軸傾角傳感器，其特點是可以用來測量相對于水平面的雙軸傾角變化量，輸出角度以水平基準面為參考，基準面可被再次校準。它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。圖1為大圓環平面示意圖。

圖1　大圓環平面示意圖

如圖1所示，是檢測系統檢測的大圓環平面示意圖，要檢測大圓環平面，首先，利用控制系統和角度傳感器對整個大圓環平面進行等角度劃分，方便取樣。如圖1中所示，每一個小扇形區域代表一個采樣點(實際采集數據時候，均等份數遠大于圖中所示，不同的直徑的大圓環采樣點數不同)，傾角傳感器安裝小扇形的中心，對該采樣點進行間接式接觸式測量，采集到的數據是實際面上X和Y軸相對于水平面的傾斜角度。對采集到的數據，利用數學模型結合平面幾何等進行計算，求得外圓和內圓半徑方向上的高度差以及內圓方向上相鄰的兩個點的高度差以及實際的圓環面相對于水平面的整體高度差(在1.3算法預處理中進行詳細說明)，再利用計算得到的高度差值結合三維幾何計算和LabVIEW軟件中最小二乘法模塊以及均方值計算等進行數據擬合，最終得到水平度，平面度和錐形度的值以及相應的模擬圖形。

1.2檢測系統的設計

檢測系統是由高精度2軸傾角傳感器，伺服電機，PC機，無線串口，運動控制器組成。傾角傳感器選用的是瑞芬科技有限公司ACA2000T系列的高精度2軸傾角傳感器，無線串口選用RS232無線串口，其工程應用簡單，有超大的數據緩沖區，極強的抗干擾能力。檢測系統如圖2所示，PC機通過運動控制模塊對伺服單元進行控制，使其經驅動器對伺服電機進行驅動，伺服電機帶動軸轉動，進而驅使轉臂運動。轉臂運動，帶動傾角傳感器開始進行數據采集，采集到的數據通過無線串口傳輸給PC機，PC機中編寫的有相應的串口數據接收程序。PC機接收到無線串口傳來的數據以后，就開始利用軟件進行數據的處理分析以及擬合，得到我們要求的結果。

圖2　系統結構框圖

1.3數據處理

傾角傳感器采集到的數據：實際測量面X軸相對于理想水平面的夾角為α和實際測量面Y軸相對于理想水平面的夾角為β。設γ是等分扇形小區域的圓心角的一半，hn為內圓方向上相鄰兩個點的高度差，Zn為外圓和內圓半徑方向上的高度差，Hn是實際檢測圓環面相對于理想平面整體的高度差，利用已測得的數據來依次計算實際測平面與理想水平面的夾角和各個高度差的計算方法如下：

1.3.1計算實際面與水平面的傾斜角

圖3　計算圓環面的傾斜角示意圖

我們知道：面與面的夾角也是兩個面的法向量的夾角，如圖3所示設OA是實際測量面上X軸上截取的一段，OB是實際測量面上Y軸上截取的一段，r是OA和OB在X軸和Y軸上的等坐標投影，ON是實際測量面的法向量，OZ是理想平面OXY的法向量，那么OZ與ON的夾角θ就是要求的傾斜角。利用向量法求實際傾斜面與理想水平面的夾角θ計算方法如下：

由已知條件設：

(1)

已知：

(2)

(3)

將公式(3)帶入(2)結合Δ得：

OA=(r·Δ,-r·tanα·tanβ,r·tanα)

(4)

由ON是實際測量面的法向量可知：

(5)

由公式(5)計算得：

(6)

利用以上計算結果寫出實際測量面與水平面夾角θ計算公式如下：

(7)

利用公式(7)可得：

(8)

對計算出的結果進行驗證：當α=5°，β=10°時，公式計算出的和利用Soildwork畫圖后測量出的結果是一致的，即θ=11.2034°。

1.3.2計算高度差

圖4　計算高度差示意圖

如圖4，CD和cd分別為圓環平面的外圓和內圓上的一段，實線部分是整個大圓環均分后的一個扇形區域，圖中AN0是扇形區域的左邊界Cc與水平面的夾角，AN1是扇形區域的右邊界Dd與水平面的夾角。 計算高度差方法如下：同樣的結合圖3和圖4，不難得知Cc和Dd的向量坐標：

(9)

因為ON是實際測量面(CcDd)的法向量，所以：

(10)

結合公式(5)和(8)計算得：

(11)

求出AN0和AN1之后，內圓環相鄰兩點的高度差計算公式為：

(12)

外圓和內圓半徑方向上的高度差為:

Zn=(R-r)·sinAN1n

(13)

圓環面相對于水平面總體相對高度差為：

Hn=hn+Zn=hn+(R-r)·sinAN1n

(14)

對計算得到的結果進行驗證：

當α=5°，β=10°,γ=5°時，計算的結果和用Soildwork畫圖測量得到的結果一樣：AN0=9.53°,AN1=10.4°,h=15.73mm,Z=34.08mm。

利用以上計算結果結合LabVIEW軟件編程就可以計算出要求的水平度和平面度以及錐形度的值。

2　系統的實現與顯示

2.1系統實現

系統的實現主要是依賴于以下五個部分：硬件初始化模塊，如傳感器校正；數據采樣模塊，結果分析模塊，保存結果模塊和退出軟件模塊。硬件初始化模塊對與檢測相關的硬件進行初始化和校正，數據采樣模塊采集大圓環一周的X軸和Y軸的傾斜角度數據，結果分析模塊對采集的數據進行分析處理，并將結果顯示在前面板上。

2.2系統界面與試驗結果顯示

大圓環平面檢測系統界面和結果顯示如下圖5所示。

圖5　系統界面圖

主界面如圖5所示，分為兩個部分：左邊的控制部分和右邊的顯示部分，顯示部分是通過點擊控制部分才顯示相應的模塊，如圖5中，當點擊左邊的“結果分析與顯示”,右邊就會顯示如圖6的結果分析面板。如圖6所示，為該系統在我公司車間內的圓環平面(直徑5m)上進行試驗的結果：傾角傳感器隨同加工裝置正轉一周采集一組數據，經過數據分析與處理，得到水平度、平面度和錐形度的值，并展示XY軸傾角和Z軸高度差的變化規律，同時模擬出當前情況下的大圓環平面，結果形象直觀，便于分析。

圖6　結果分析模塊

3　總結

(1)選用價格合理的ACA2000T系列高精度2軸傾角傳感器，非接觸式的安裝特性使其具有卓越的系統集成性，只需用螺絲將其固定即可進行數據采集并自動計算平面的X軸和Y軸傾角。使用簡單，無需找回相對變化的兩個面安裝，為在線檢測系統的研發提供了極大地方便。

(2)利用坐標向量法結合Soildwork繪圖計算與驗證角度和高度，結果準確可靠，誤差小。

(3)利用LabVIEW平臺及盡量少的硬件和軟件設備完成了在線檢測系統的開發。該系統便于調試和直觀的反饋檢測結果，經過一次數據采集，便可得到平面度、水平度和錐形度的值，極大地提高了檢測效率。經過更多的實驗驗證，分析與改進，該系統可以應用到更多的生產實際中去。

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(編輯李秀敏)

The Research and the Development of On-line Measuring System for Large

Circular Plane Based on LabVIEW

LIU Jun1, ZHANG Ping1, ZHANG Guo-gen2, LI Xin-tao2

As the big circle plane between 5000～20000mm exist the problem that the precision is difficult to ensure during the machining process. Based on the analysis and study of the key problems, the method of high precision electronic sensor was used to collect the dates and computer software was used to analyze and calculate, then a set of test scheme was proposed which was based on angle senor and tilt angle senor combine with servo motor movement control and also treated Labview as it’s core. Finally, a set of high precision on-line detection system was developed which can detect the parameters of large circular plane quickly. It can get the value of flatness, levelness and conicity by analyzing, calculating and processing the collected dates with mathematical algorithm. The system is suitable for quality control of manufacture progress with its high efficiency.

large circular plane; LabVIEW; on-line detection

1001-2265(2016)07-0111-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.032

2015-08-15；

2015-09-18

劉俊(1989—)，女，河南信陽人，廣東工業大學碩士研究生，研究方向為數控技術與測試控制，(E-mail)729603720@qq.com。

TH166;TG506

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