大型回轉類零件圓柱度誤差非接觸式測量系統設計與應用

摘 要：【目的】為解決大型回轉類零件形位誤差測量困難、采樣不便等問題，針對大型回轉類零件的圓柱度誤差設計了一種適宜的非接觸式測量系統。【方法】使用STM32單片機作為主控制器，設計定位夾緊裝置配合激光位移傳感器實現非接觸式測量，通過LabVIEW軟件平臺對采集的距離信息進行數據處理和分析，同時設計出圓柱度誤差顯示界面以便于用戶直觀地查看測量結果。【結果】測量裝置滿足大型回轉類零件的圓柱度誤差測量，顯示界面可實時顯示測量截面的輪廓狀態，并自動顯示計算所得的圓柱度誤差值。在面板中輸入零件的圓柱度公差值，當測得誤差值超過其公差值時，相應的指示燈會亮起進行提醒?！窘Y論】該系統較好地解決了大型回轉類零件非接觸式測量的需求，具有較好的應用價值和應用前景。

關鍵詞：大型回轉類零件；圓柱度誤差；非接觸式測量；LabVIEW界面

中圖分類號：TH161" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0033-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.007

Design and Application of Non-Contact Measuring System for

Cylindricity Error of" Large Rotary Parts

ZHOU Yan LUO Xiaoyan YI Guotao

（School of Mechanical and Electrical Engineering ， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou" 341000， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems such as difficult measurement and inconvenient sampling of form and position error of large rotary parts， a suitable non-contact measurement system is designed for cylindricity error of large rotary parts. [Methods] Using STM32 single chip microcomputer as the main controller， the positioning clamping device and laser displacement sensor are designed to realize non-contact measurement. The distance information collected is processed and analyzed by LabVIEW software platform. Meanwhile， the cylindricity error display interface is designed so that users can visually view the measurement results. [Findings] The measuring device can measure the cylindricity error of large rotary parts， and the display interface can display the contour state of the measuring section in real time， and automatically display the calculated cylindricity error value. As you input the cylindricity tolerance value of the part in the panel， the corresponding indicator will light up when the measured error value exceeds its tolerance value. [Conclusions] The system solves the demand of non-contact measurement of large rotary parts well， and has good application value and application prospect.

Keywords： large rotary parts; cylindricity error; non-contact measurement; LabVIEW interface

0 引言

大型回轉類零件（大型軸類、盤類、軸套類等）在各種大型機電設備和大型重載裝備中的應用極為廣泛。隨著航空航天、造船、核電等大型機械行業對零件精度要求和形位誤差要求的提高，圓柱度誤差作為零件形位誤差的重要因素，直接影響著后續的裝配精度和整機質量，必須對其加以嚴格控制。因此，關于大型回轉類零件圓柱度誤差的測量研究，對機械制造行業的發展具有重要意義［1-3］。

目前測量零件圓柱度的儀器和方法較多，但都很難滿足大型回轉類零件圓柱度誤差的測量。圓柱度儀和三坐標測量儀都是圓柱度誤差測量方面的佼佼者，它們技術成熟、功能強大，但在被測工件尺寸和重量較大情況下測量卻十分吃力，且價格昂貴、測量條件嚴苛，無法廣泛應用于工業測量中。一些學者研究結合V型塊實現測量［4］，該方案雖然簡單易行，但是V型塊自身的加工誤差、測量系統導軌誤差等加大了誤差分析的難度。因此，在大型零件圓柱度的測量系統方面仍存在很大需求［5］。

本研究針對上述現象提出了一種適應大型回轉類零件的圓柱度誤差測量系統，該系統使用設計的定位夾緊裝置配合激光位移傳感器，在與工件無接觸的情況下完成采樣及測量。首先，根據大型回轉類零件大且重的特點設計一種定位夾緊裝置，并根據最小二乘法原理建立圓柱度誤差數學模型；然后，利用STM32微型控制器實現精確控制，結合上位機的LabVIEW軟件平臺對采集的距離信息進行數據處理和分析；最后，設計出圓柱度誤差顯示界面以便于用戶便捷、直觀地查看測量結果。

1 系統總體方案

1.1 總體思路

本研究設計的大型回轉類零件圓柱度誤差測量系統主要包括數據采集系統、STM32主控系統、LabVIEW人機交互系統三方面。數據采集系統由測量裝置、驅動電機及相應的激光位移傳感器構成。STM32主控系統的核心采用STM32F103C8T6微控制器作為主控制器。當測量人員在LabVIEW界面啟動測量任務時，人機交互系統便通過相應串口向主控制器發送啟動命令，控制器接收啟動指令并發送信號，觸發數據采集系統開始進行數據采集，同時傳感器采集到的信息被送回計算機進行數據處理和分析，最終在LabVIEW的顯示界面上顯示測量結果。

1.2 系統原理

為了確保測量裝置的方法簡單易行和測量系統的結果可靠準確，根據大型回轉類零件的尺寸結構特點設計定位夾緊裝置和傳感器安裝回轉裝置，配合高精度位移傳感器實現采樣，采用硬件和軟件相結合的方法完成被測零件圓柱度誤差的測量。

該測量系統的原理如圖1所示。其工作原理如下：首先，預先設定好測試流程并編制相應的程序，主控制器驅動電機按照預定的程序進行旋轉并帶動傳感器安裝架實現預定流程的運動，在此期間，安裝架上的高精度激光位移傳感器會不斷采集被測工件的表面尺寸數據；其次，將采集到的數據通過相應接口傳入計算機，測試軟件通過一定的算法將數據進行分析處理后得到被測零件的圓柱度誤差并在顯示界面進行顯示，自動判斷被測工件圓柱度誤差是否符合標準；最后，通過LabVIEW軟件開發出測試數據的管理儲存及查詢功能，方便對測試數據進行管理和調用。

1.3 測量裝置

本研究采用的測量裝置結構如圖2所示。該裝置整體結構中主要包含了定位夾緊裝置和傳感器安裝回轉裝置。

定位及夾緊裝置主要由絲桿、固定盤、壓力板、夾緊爪和定位塊組成。其中垂直的Z軸絲桿實現裝置開口大小的調整；定位螺母鎖定裝置夾緊狀態；上、下分別安裝的一個固定盤用來固定支架位置；三塊壓力板起到固定支撐的作用，使裝置整體更加穩定；采用三爪配合夾緊實現夾緊功能，確保夾緊可靠；底部安裝的端面定位塊和徑向定位塊，分別實現測量裝置的軸向定位和徑向定位。

傳感器安裝回轉裝置主要由雙伸縮表架、傳感器安裝固定塊和驅動電機組成。其中，雙伸縮表架為對稱設置，分別為左伸縮表架和右伸縮表架，且表架末端分別安裝有傳感器安裝固定塊，相應的激光位移傳感器被安裝固定在傳感器安裝固定塊上，實現數據采集功能。傳感器安裝回轉裝置主要作用是安裝傳感器并帶動傳感器實現回轉運動和上下調節傳感器的測量位置，利用上位機精準控制相應電機帶動其實現精準運動。

該測量裝置的測量工作實施方式如下：首先，將測量裝置的徑向定位塊和端面定位塊分別貼合在被測零件的端面上進行找正［6］。使測量裝置的主軸與被測工件的中心線重合，保證被測零件的測量基準與設計基準重合并完成定位；然后，通過鎖緊螺母使夾緊裝置夾緊被測零件完成裝夾。非接觸式傳感器安裝在伸縮表架末端，由步進電機帶動，可以上下均勻移動，繞著被測零件均勻旋轉，其回轉中心和被測零件回轉中心重合；最后，將要被測量的工件順著其軸線方向分為若干個相等間距的截面并按照規律逐個測量，傳感器測頭連續測得不同截面的尺寸數據并將其轉化為相應電信號傳入計算機，計算機自動按照一定的規律流程對信號進行處理和分析，即可得到所測零件的圓柱度誤差值。

該裝置通過精確裝夾并帶動傳感器旋轉實現非接觸式測量的方法，不同于傳統的利用轉臺帶動工件旋轉的測量方法，解決了難以帶動大尺寸、大重量工件旋轉的問題。

2 采樣方案和評定模型

2.1 采樣方案

測量系統的數據采樣方案模型如圖3所示。在進行誤差檢測時，電機驅動激光位移傳感器圍繞被測工件的回轉軸進行旋轉運動，使傳感器能連續地記錄零件的半徑變化量。如圖3（a）所示，將被測圓柱面分成若干等距橫截面，再對每一橫截面分別測量，每一橫截面上采樣點的分布情況如圖3（b）所示。當為12點分布時，傳感器每旋轉30°便采樣一次并獲得該截面的半徑變化量數據［7］。激光位移傳感器連續測得不同截面的數據（即預定橫截面上所有采集點），經最小二乘圓柱法分析和計算機處理后可得到被測工件的圓柱度誤差。

2.2 評定模型

最小二乘圓柱面是指實際圓柱面上的點到其軸線的距離的平方和最小［8-9］。以最小二乘法原理進行多次測量后，其軸線位置幾乎無變化，適用于圓柱度誤差的評定。最小二乘法評定模型如圖4所示。

如圖4（a）所示，假設O點為坐標原點，OZ為實際圓柱的主軸，OL為理想圓柱的主軸。設采樣截面數為m，每一截面的采樣點數為n，實際被測圓柱面上的點的坐標為 Pij（Sij，θij，Zij） ［3］，其中Sij，θij，Zi分別對應為第i個測量值、第i個被測點的轉角、軸線方向的位移。過軸上任意一采樣點做該軸的橫截面即任一采樣面如圖4（b）所示，在該截面上，設（g，l，O）為理想圓柱軸線的方向參數，R0為理想圓柱面半徑，Oi為理想圓柱面的圓心，采樣點到該理想圓柱面圓心Oi的距離為Rij， O到Oi的距離是ei ，R0+ΔR為最小二乘圓柱半徑。

理想軸線的方程見式（1）。

[x?ag=y?bl=zl] （1）

設 （ai， bi， ci） 為第i個截面的理想圓心坐標，則[ai、bi]分別見式（2）、式（3）。

[a i= a + gzi] （2）

[bi= b + lzi] （3）

由最小二乘法評定模型可得式（4）、式（5）。

[ai=eicosai] （4）

[bi=eisinai] （5）

“小偏差”的情況下可得式（6）。

[R0+Sij≈R0+R+rij+eicosθij?aij] （6）

通過整理得出式（7）。

[Δrij=Sij?eicos（θij?ai）?ΔR= ][Sij?eicosθijcosai?eisinθijsinai?ΔR=" ][Sij?aicosθij?bisinθij?ΔR=][Sij?a+gzicosθij?b+lzisinθij?ΔR] （7）

由最小二乘法原理可知式（8）。

[ΣΔr2ij=min] （8）

則圓柱度誤差見式（9）、式（10）。

[ f =min=r2ij] （9）

[?f?g=0，?f?ΔR=0，?f?a=0，?f?b=0]" （10）

結合公式（10）可得式（11）至式（15）。

[a=2mnimjnSijcosθij] （11）

[b=2mnimjnSijsinθij] （12）

[l=2imjnSijsinθijimjnzi2] （13）

[g=2imjnSijcosθijimjnz2i] （14）

[?R=imjnSijimjnZi2] （15）

經過整理最后可以得出圓柱度誤差f見式（16）。

[f = Δrij max ? Δrij min] （16）

2.3 最小二乘法評定圓柱度誤差的實現

最小二乘法評定圓柱度誤差算法在LabVIEW軟件上實現的程序框圖如圖5所示。其計算結果準確，實現操作簡單。該程序能夠通過前面所述的最小二乘法原理精確地求取理想圓柱的軸線參數，再由此得出相應圓柱度的誤差值。

3 單片機控制系統設計

3.1 步進電機運行控制

步進電機最突出的特點就是能將脈沖信號變換為相應的角位移或者線位移［10］。其輸出的轉角和轉速分別由輸入脈沖的個數和頻率決定，不受負載的影響，即通過改變輸入脈沖便可改變輸出狀態。STM32定時器產生的PWM脈沖頻率可通過改變預分頻值M來改變。PWM脈沖頻率的求解見式（17）。

[V=fM+1T+1] （17）

式中：f為時鐘頻率；M為預分頻值；T為計數周期。

控制程序的具體流程如圖6所示。開始測量后，上位機發送電機的控制指令給下位機，計算出脈沖頻率和脈沖數后驅動電機運動，并實時讀取電機的反饋狀態，不斷調整使其達到位置和速度的精準控制。

3.2 STM32與PC間的串口通信

要實現STM32與計算機之間的串口通信，首先要對串口進行配置，其次需要用到定時器來接收數據采集系統反饋的信號。當收到啟動程序指令時，主控制器向數據采集系統發送控制指令，同時接收采集的數據并通過相應串口將其發送至PC機，經數據處理和分析之后的結果顯示于界面，當接收到停止指令時程序停止運行。兩者通信的程序流程如圖7所示［11-12］。

4 LabVIEW人機交互界面設計

本系統是基于LabVIEW軟件開發平臺而實現數據采集、數據分析處理、數據顯示、數據儲存等功能的。建立人機交互界面的主要目的就是為了實現用戶對數據采集程序的控制和對數據分析結果的觀察，主要功能包括向主控制器發送遠程控制指令、顯示圓柱度誤差分析結果及報警提示。LabVIEW程序設計包括前面板的設計和程序框圖的設計［13］，在設計時還應結合實用性和美觀性進行考量。

4.1 前面板的設計

LabVIEW前面板的設計主要包括采樣參數的設置、圓柱度誤差檢測的啟?？刂?、圓柱度數據結果的顯示及不合格報警，圓柱度誤差測試界面的前面板設計如圖8所示。其功能如下。

①對處理結果加以顯示，被測工件的形狀尺寸信息通過LabVIEW的圖像顯示功能以波形的形式顯示出來，理想圓柱面軸線參數經特定算法進行計算后并加以顯示，經整合、處理、分析得到的圓柱度誤差值顯示在面板上，檢測人員能夠方便、直觀地讀取到檢測結果。

②對圓柱度誤差設置閾值，輸入檢測工件的圓柱度公差值，當測量的圓柱度誤差高于標準圓柱度公差值時，即當圓柱度誤差不合格時，程序的報警燈將會亮起。

③存在開始和停止按鈕，能夠方便測量人員控制測量過程的啟停，有利于處理測量過程中遇到的不便狀況和特殊情況。

面板的具體使用情況如下：輸入相應的軸長和采樣截面數等參數后點擊開始測試，被測工件的相應參數及圓柱度值將在面板上顯示出來，并自動用測得的誤差值與標準公差值進行比較以判斷工件圓柱度誤差是否符合工件標準，當工件圓柱度誤差不滿足要求時提示燈亮起。

4.2 程序框圖的設計

通過LabVIEW平臺，首先實現對數據采集卡傳輸的數據進行接收，然后根據預定程序對數據進行處理和分析，最后通過誤差顯示界面對用戶展示測試結果，其圓柱度誤差測試界面的程序框圖如圖9所示。

為實現對信息采集系統的控制及相應數據的處理分析和顯示，在程序中使用While循環和For循環實現信號的連續采集和及時處理，在程序中將傳感器采集到的數據用局部變量表示，利用前面所述的最小二乘法原理計算出相應的圓柱度誤差。第二個While循環結構通過設置圓柱度公差，并與計算所得圓柱度誤差值比較，若工件圓柱度誤差值不合格，報警燈將會亮起來提醒測量人員。

5 結語

本研究提出了一種大型回轉類零件圓柱度誤差的測量系統，有效解決了有關大尺寸、大重量的大型回轉類零件圓柱度誤差難以測量的問題。

①大型回轉類零件尺寸結構特殊，依照大型回轉類零件特點設計了相應的測量方案，測量裝置的采樣方法不同于傳統的帶動工件旋轉以獲取工件表面信息的方法，而是通過精準定位裝置并結合高精度非接觸傳感器進行數據采樣，操作簡單且實用性強，也大大降低了維護成本和操作難度。

②通過LabVIEW軟件平臺強大的可視化編程功能，開發出相應的數據處理和顯示界面。能夠依據采樣得到的信息高效、準確地計算出所要測量的圓柱度誤差，便于測量者便捷、直觀地查看測量結果。

本研究設計的系統很好地解決了大型零件圓柱度誤差測量系統需要的非接觸式測量的需求。未來，需要在測量裝置的穩定運行及提高精度方面繼續探究。

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