液壓油缸內(nèi)壁參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

秦自瑞，于連棟，孟廣燦

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 23009)

液壓傳動(dòng)在車輛、起重運(yùn)輸機(jī)械、工程機(jī)械、礦山設(shè)備及其他機(jī)械中具有廣泛的應(yīng)用。油缸作為液壓傳動(dòng)中不可或缺的組成部分，其內(nèi)徑各參數(shù)的精度，將直接對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

對(duì)類似于油缸內(nèi)壁的孔徑測(cè)量方法，一般分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法［1－9］。直接測(cè)量法是利用兩點(diǎn)或三點(diǎn)定位，直接測(cè)量出孔徑的方法。其常用測(cè)量工具包括內(nèi)徑千分尺、萬能測(cè)長(zhǎng)儀、臥式測(cè)長(zhǎng)儀等，通用長(zhǎng)度測(cè)量工具和內(nèi)徑測(cè)微儀、柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等專用的孔徑測(cè)量工具，但此類測(cè)量方法效率低、誤差大，且不易用于深孔徑和高精度產(chǎn)品的在線測(cè)量。間接測(cè)量法是利用三點(diǎn)定一圓原理，測(cè)出被測(cè)孔圓周上任意三點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后根據(jù)相關(guān)算法，求出圓心坐標(biāo)，再換算出孔徑尺寸和其他參數(shù)。此類方法效率高、誤差小，可用于在線檢測(cè)，本檢測(cè)系統(tǒng)采用的就是間接測(cè)量法。

1 測(cè)量系統(tǒng)概述

測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是，將4個(gè)高精度位移傳感器安裝在所設(shè)計(jì)的傳感器夾具上，并將其放入被測(cè)油缸的內(nèi)部，在氣浮導(dǎo)軌的牽引下，平穩(wěn)通過被測(cè)量油缸。將所獲得的位移傳感器的信號(hào)變化量，傳送至上位機(jī)，應(yīng)用間接測(cè)量方法的原理，將所測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)變化量，通過最小二乘擬合數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，進(jìn)而獲得油缸內(nèi)壁所需的多項(xiàng)參數(shù)。

本檢測(cè)系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成。其中，硬件部分主要由4個(gè)高精度位移傳感器、4通道電感箱、數(shù)據(jù)采集卡、氣浮導(dǎo)軌及上位機(jī)組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電感位移傳感器一端接至4通道電感箱，然后將其4路電壓信號(hào)的輸出端連接至數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道口，數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的A/D功能模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過PCI總線接口傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。與此同時(shí)，上位機(jī)通過PCI總線向數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部傳送各種氣浮導(dǎo)軌的控制信號(hào)，進(jìn)而控制氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)位移傳感器信號(hào)的采集和氣浮導(dǎo)軌控制信號(hào)的傳輸。軟件部分主要是基于VB 6.0的上位機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體框圖

2 硬件部分簡(jiǎn)介

檢測(cè)系統(tǒng)主要目的是檢測(cè)油缸內(nèi)壁的圓柱度、直線度和直徑等參數(shù)，因該檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度要求范圍是(－15 μm，+15 μm)，且為動(dòng)態(tài)測(cè)量，所以所選傳感器必須是精度高、響應(yīng)速度快的位移傳感器。根據(jù)以上要求，系統(tǒng)選用瑞士TESA公司的電感位移傳感器，也稱電感測(cè)頭，其為半橋型傳感器，將位移變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，測(cè)量范圍是 ±0.5 mm，軸向行程 1.25 mm，靈敏度是73.75 ±0.5 mV(V/mm)，是線性誤差 ＜0.2%，重復(fù)度 ＜0.2 μm。

由于所選的傳感器的供電電源要是13 kHz的5 V交流電壓源，為保證傳感器輸出信號(hào)的高穩(wěn)定性和傳輸?shù)谋憬菪裕瑸槠渑鋫淞送ǖ离姼邢洹?/p>

因在檢測(cè)過程中，需要接受大量的傳感器信號(hào)傳入上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，這就需要高速且大容量的數(shù)據(jù)采集裝置，系統(tǒng)采用研華公司的PCI－1711高速數(shù)據(jù)采集卡，為用戶提供了所需的測(cè)量和控制功能，可提供16通道單端 A/D輸入，12 bit A/D轉(zhuǎn)換，采樣率最高可達(dá)100 kHz，每個(gè)輸入通道的增益可單獨(dú)編程，用戶可根據(jù)每個(gè)通道不同的輸入電壓類型來選擇不同的增益系數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的輸入范圍設(shè)定，卡上1 kB采樣FIFO緩沖器，可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，自動(dòng)通道/增益掃描［10］。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

由PCI－1711進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的編程方式可分為3種:軟件觸發(fā)方式、中斷方式和DMA方式［11］。軟件方式就是軟件命令觸發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該方式編程相對(duì)簡(jiǎn)單，但采集數(shù)據(jù)速度較慢，多用于低速數(shù)據(jù)采集;中斷傳輸方式比軟件傳輸方式采樣速度高，模擬量輸入中斷傳輸方式有兩種:一種方式是每一次轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)中斷;另一種方式是把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存在FIFO中。根據(jù)硬件的不同，當(dāng)FIFO半滿或全滿時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收到中斷后會(huì)發(fā)送不同的事件告知用戶當(dāng)前采樣狀態(tài);DMA方式是三者中數(shù)據(jù)傳輸最快的，數(shù)據(jù)在沒有CPU介入的情況下直接在設(shè)備和內(nèi)存間傳輸，設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)探測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并發(fā)送合適的事件通知用戶［12－13］。系統(tǒng)在軟件程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，采用DMA方式下的FIFO功能進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是用的第3種方式——DMA方式，結(jié)合Visual Basic 6.0開發(fā)平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 DMA方式數(shù)據(jù)采集流程

3.2 數(shù)據(jù)處理

用4個(gè)電感位移傳感器測(cè)量油缸內(nèi)壁的參數(shù)，其根本原理是通過把測(cè)量截面的4個(gè)傳感器所測(cè)得的位移變化量，轉(zhuǎn)化為其所在坐標(biāo)平面內(nèi)的坐標(biāo)值，然后通過這4個(gè)坐標(biāo)值，利用最小二乘擬合，擬合出此油缸被測(cè)量截面的實(shí)際圓心位置坐標(biāo)和油缸直徑。該測(cè)量過程的關(guān)鍵點(diǎn)在于將電感位移傳感器所測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值的變化。在理想的情況下，夾具上所安裝傳感器的軸線正交，軸線的交點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)的中心重合，以此相交軸線為坐標(biāo)軸、相交點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，那這4個(gè)位移傳感器所測(cè)得轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)則分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)。

3.2.1 最小二乘擬合原理

假設(shè)所測(cè)量截面為XY，4個(gè)位移傳感器所測(cè)量轉(zhuǎn)化后的位置坐標(biāo)分別為 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，P3(x3，y3)，P4(x4，y4)此4 點(diǎn)均在所擬合的圓上，理想圓方程為

所謂求擬合圓，即確定上式中圓心坐標(biāo)(x0，y0)和半徑的值。按最小二乘法定義，應(yīng)該以求目標(biāo)F(x0，y0，的最小值來定參數(shù)。其中

經(jīng)一系列推導(dǎo)之后，求解結(jié)果為

其中

只有當(dāng)圓心坐標(biāo)(x0，y0)足夠小時(shí)，才能作線性變換C=++R2。若(x0，y0)不是足夠小，會(huì)帶來線性誤差，這時(shí)需以求得的圓心坐標(biāo)(x0，y0)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)平移后在進(jìn)行最小二乘擬合，直到求得坐標(biāo)(x0，y0)為足夠小［14－15］。本測(cè)量系統(tǒng)的擬合圓心坐標(biāo)(x0，y0)足夠小，所以測(cè)量坐標(biāo)不用進(jìn)行坐標(biāo)變換。

3.2.2 誤差處理

系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要包括溫度變化引起的測(cè)量裝置變形誤差，傳感器精度誤差，傳感器安裝誤差等，由于測(cè)量環(huán)境可以進(jìn)行恒溫控制和所選傳感器為高精度傳感器，所以上述前兩項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì)，但傳感器的安裝誤差應(yīng)該予以消除。傳感器的安裝誤差可分3個(gè)方面:

(1)坐標(biāo)系原點(diǎn)偏心誤差，即安裝位移傳感器的正交軸線的交點(diǎn)和被測(cè)件的中心有一點(diǎn)偏差。

(2)位移傳感器安裝軸線非正交引起的坐標(biāo)位置誤差。

(3)位移傳感器安裝軸線非正交和理想坐標(biāo)系原點(diǎn)偏心誤差在測(cè)量時(shí)所帶來的誤差。

由上述擬合方法，經(jīng)所編寫的軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，即可快速地得到油缸的直線度、圓柱度和油缸半徑。圖3為測(cè)量系統(tǒng)的軟件界面。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)的軟件界面

4 結(jié)束語

介紹了的液壓油缸內(nèi)徑參數(shù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，測(cè)量精度高、效率高，可用于在線檢測(cè)的環(huán)境中，通過測(cè)量出液壓油缸內(nèi)壁的直徑、直線度、圓柱度等參數(shù)，可快速地檢驗(yàn)其產(chǎn)品是否符合出廠精度要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，該系統(tǒng)可在產(chǎn)品的深孔參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行推廣。

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