注塑機機筒內徑磨損量的檢測方法研究

謝惠琴，楊鐵牛，侯曙光

（五邑大學 機電工程學院，江門 529020）

1 測量背景

以某機械設備有限公司已磨損的“∞”形狀注塑機機筒內徑作為測量對象，如圖1所示。基于LabVIEW圖形化編程軟件平臺，以內徑尺寸φ50-φ120mm，整體長度為2-8m，材料為鐵基合金的“∞”形狀機筒為測量對象，采用高精度非接觸感應式測量方法，進行了相關的研究。

為了保證測量過程的穩定性和重復精度，要求測量對象進行以下必要的前置處理：用塞規檢查附著內表面的雜質厚度小于1mm。

圖1 φ70的被測機筒

2 測量系統簡介

[1]后，設計了本研究的測量系統，如圖2所示，本測量系統包括：被測機筒、測量傳動裝置、測量電路、數據采集和計算機分析處理系統等。

圖2 測量系統結構圖

根據被測對象、實際測量精度和測量范圍的需要，我們選用24V穩壓直流電源，電渦流位移傳感器及其所配置的信號放大器，激光測距傳感器，選用 NI USB-6009數據采集卡，結合NI公司的LabVIEW軟件平臺進行測量數據處理的編程。利用電渦流位移傳感器實現機筒內徑尺寸采樣，采用激光測距傳感器確定被測截面的軸向準確位置。

LabVIEW具有編程靈活、方便，形象化，圖像化及可以濾波等特點[2]，基于LabVIEW開發了檢測系統的總體程序框圖，包括數據采集、運算、存儲測量、補償程序的外部調用等子模塊。

3 測量原理及檢測量系統構建

3.1 電渦流傳感器檢測位移的測量原理

測量目的是要實現機筒使用者的生產現場測量。生產環境與生產工藝的不確定性，會導致機筒內壁粘附的雜質也不統一，但它們都有一個共性：即雜質均無導電性，而被測機筒是一種金屬材料。因此，根據渦流式傳感器最大的特點[3]：能對位移、厚度、表面溫度、電解質濃度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應很寬等特點，采用電渦流位移傳感器作為基本檢測元件。

電渦流位移傳感器的工作原理，如圖3所示。當線圈與被測金屬導體靠近時（考慮到渦流的反作用），線圈的等效阻抗可由下式求得：

式中，R，L——空心線圈電阻和電感；

R1，L1——渦流回路的等效電阻和電感；

M——線圈與金屬導體之間的互感；

U1，L——空心線圈電阻與電感的總電壓和電流。

由上式可知，電渦流傳感器的等效阻抗Z與被測材料的電阻率ρ、導磁率μr、激磁頻率f及線圈與被測件之間的距離x有關。當ρ，μr，f確定后，Z只與x有關，通過適當的測量電路，可得到輸出電壓與距離x的關系。圖3相關工作過程可以參考文獻[4]。

圖3 電渦流傳感器的基本工作原理圖[4]

3.2 電渦流位移傳感器的標定

由于探頭線圈產生的磁場范圍是一定的，而被測體表面形成的渦流場也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要求。通常，電渦流位移傳感器所測量的位移量是指以傳感器探頭中心為中心的1.5倍[4]探頭直徑區域面積內的被測平面的平均值。本文研究的被測對象為內圓弧面，而且圓弧直徑大小不一，因此，對應的位移與輸出電壓之間的函數關系也是不同的。故需將電渦流傳感器對應各直徑進行標定，其流程圖如圖4所示。采用LabVIEW對電渦流位移傳感器的“位移-電壓”進行標定。

應用標定程序，針對φ70mm材料為不銹鋼的機筒對一對電渦流位移傳感器進行了實驗標定，如表1所示，圖5為表1對應的數據曲線圖。由圖可知位移與輸出電壓之間在一定范圍內是成線性關系的。

圖4 標定軟件流程圖

表1 一對傳感器對應φ70mm模擬機筒的實驗標定數據表

圖5 φ70mm位移-電壓標定曲線

由圖5可得，傳感器1的量程線性范圍為2.1mm～4.4mm；傳感器2的量程線性范圍為2.1mm～4.5mm，該范圍內的線性情況比較好，能滿足測量要求。利用線性擬合原理，將此兩個傳感器針對該φ70mm機筒的位移與電壓的線性函數關系，擬合為：

其中，y1、y2——測量位移，mm；

x1、x2——輸出電壓，v 。

3.3 測量系統構建

根據測量系統配置與圖6的數據采集系統軟件流程圖，結合上述傳感器的標定值，針對模擬的φ70mm不銹鋼材料磨損機筒，采用LabVIEW軟件進行了兩路數據采集的程序編寫，如圖7所示為數據采集局部程序圖。

圖6 數據采集系統軟件流程圖

由上面測量方法可得：1）采用LabVIEW軟件編寫具有具體化、形象化和簡單化等特點；2）檢測結果可以采用多種形式輸出與保存[5]，例如數值的text文本方式或是excel電子表格；3）對磨損量的檢測結果適時發出報警信號；4）整個測量過程的數據可以在線監測。

4 測量數據分析與處理

4.1 本次實驗裝置介紹

本次試驗借用數控銑床平臺，采用兩個探頭直徑為φ8mm的傳感器安裝在同一截面上（即被測機筒的直徑方向上），用兩個傳感器在直徑方向進行同步測量。最后將傳感器1測得的位移量與傳感器2測得的位移量之和與兩傳感器探頭端的距離相加即為所測得的直徑。用公式表示為：

其中：

d—實測機筒內徑量；mm

d0—兩個傳感器探頭端之間的距離；mm

d1—傳感器1測得的位移量；mm

d2—傳感器2測得的位移量；mm

4.2 實測原始數據及預處理結果

在一個截面內安裝兩個傳感器，每間隔一個毫米采集數據。利用兩路數據采集程序對圖1所示樣本進行實測后，將所測的實驗數據利用excel軟件將其繪成曲線圖。如圖8所示為φ70mm模擬機筒的實驗數據。

圖8 所測直徑曲線圖

圖7 兩路數據采集局部程序框圖

其中相應幾處重要的波峰波谷數據明細如表2所示。

表2 理論直徑與實測直徑對比

4.3 實驗數據后處理

在研究傳感器的測量原理基礎上，結合大量實驗數據，統計分析實驗數據的偏差規律，對實驗數據的補償函數進行了初步猜測，并運用C語言進行編程驗證。通過幾組補償函數對本次實驗的幾組實驗數據不斷嘗試，最后得到最佳的補償函數并對關鍵點--波峰值進行了補償。進一步構造補償函數（另文專門論述），依據實時所得數據，在線修正補償函數的權值系數，可以適應不同零件的測量。本次實驗對表2的補償結果如表3所示。

表3 數據處理前后比較

5 結束語

綜上所述，該測量方法可以滿足機筒內孔磨損量的測量要求，所獲得的測量數據，經不同的處理，還可以用于評定機筒內孔的其他特征。例如機筒的圓柱度誤差，機筒內表面的波度，“∞”形機筒兩孔中心線的平行度誤差，同時還能用于檢測新機筒是否合格的質量檢測過程等等。

通過對實驗測量原理、測量方法的分析，結合測量數據采集程序進行了具體的實驗測試，對所測量數據進行處理與分析之后，證實該原理與方法是可行的，能滿足企業的測量精度和測量效率的要求。

參考文獻：

[1] 要利鑫,鮑其蓮.基于電渦流位移傳感器和虛擬儀器技術的微小位移測量[J].測控技術.2006,6(25):13-15.

[2] 雷振山,魏麗,趙晨光.等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3] 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].四川:電子科技大學出版社,2000,3,69-72.

[4] 上海冉普電子科技有限公司.RP6600/6600XL系列電渦流傳感器,http://www.ranpucn.com/zl-cgq-01.asp.

[5] 龍華偉,顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M].北京:清華大學出版社,2008.