基于LabVIEW 的圓度誤差在線檢測系統＊*

史少杰 張洛平 侯振宇 劉成甫

(河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽471003)

工業生產中回轉體零件是應用最廣泛的一種，而圓度誤差是高精度回轉體零件的一項重要精度指標，它往往是產品質量的關鍵。目前在工業現場中圓度誤差測量大都是近似測量，如以千分尺或游標卡尺等為測量工具，其測量結果的可靠性差，且效率低。能有效對圓度誤差進行測量的儀器主要有圓度儀、三坐標測量儀、CCD 等方式，但在大規模生產過程中，由于CCD精度較低，而圓度儀、三坐標測量儀成本過高，并且工件的加工和測量需要分開進行，增加了工件二次裝夾加工過程產生的安裝誤差，同時降低了生產效率，因此也都不適合車間現場檢測。

隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術和網絡技術的發展，現代儀器儀表技術也隨之向著數字化、智能化和虛擬化發展。利用LabVIEW 軟件設計了一套圓度在線測量與磨削加工同步進行的圓度誤差檢測分析系統。本系統以數控滾子磨床為研究對象，針對回轉件磨削加工過程，集實時數據采集、數據分析處理、圓度判定于一體，通過將差值反饋給控制系統，控制驅動機構在線修正磨削偏差，實現磨削精度的控制。

1 圓度誤差在線測量系統總體方案

本研究所采用的在線測量系統，如圖1 所示，主要由測頭機構、信號調理電路、數據采集卡、PC 機、運動控制卡、電動機等相關部件組成。

系統工作時，測頭接觸工件，產生位移變化量;通過測頭機構中的線性差動位移傳感器LVDT 將位移變化量轉換為與位移成正比的電壓信號;該信號經由調理電路放大;通過數據采集卡中的A/D 轉換電路，將信號由模擬量轉換為數字量，并由數據采集卡完成該數字信號的采集，完成信號的前段處理。上傳到PC中，利用labVIEW 軟件平臺對采集到的測量數據進行濾波處理，采用最小二乘法原理，求得圓度誤差，并和標準圓度進行擬合，對其誤差進行分析和評定。將誤差精度范圍之外的數據反饋到運動控制卡中，通過運動控制卡對砂輪進行進給補償，實現磨削精度的控制。

2 測頭機構及測量原理

測頭機構主要由測頭、測桿和測頭座構成，測頭、測桿固定在測頭座上，如圖2 所示。

磨削加工時，將工件固定在機床兩頂尖之間。機床磨削加工完成之后，測頭在電動機的控制下徑向運動，直至測頭與工件接觸，調整位置，使工件卡在上下兩測頭之間，位置如圖2 所示。在測量過程中，保持測頭固定不動，工件隨主軸旋轉，旋轉過程中測頭產生位移偏移量，并帶動測桿產生微小的角度偏移，通過杠桿原理測桿帶動差動變壓器式傳感器，并通過電感變化輸出一系列電壓信號。這些信號再通過一系列的調理、轉換、采集等，最終通過接口上傳到PC 機。

3 圓度誤差在線測量分析系統

LabVIEW 是一種基于圖形編程語言(G 語言)的測試系統軟件平臺。該平臺提供了豐富的數學運算和信號處理函數庫，并且大多數函數都針對工程應用特別優化，許多函數的輸入/輸出接口直接就是Hz、dB等工程應用單位;高級信號處理工具包中的一些函數還會考慮數據塊之間的銜接，便于對實際工程中的連續信號進行處理。LabVIEW 還可以非常方便地與各種數據采集設備和硬件進行交互通信，可以實現包含硬件和軟件的完整系統，對真實信號進行采集、在線分析、處理、輸出等操作，而不只是基于純軟件的算法仿真或對已有數據進行離線的后處理。另外交互式的開發環境非常便于調試，用戶可根據真實的信號嘗試不同的信號處理算法，從而快速確定最有效的算法［1］。

3.1 數據預處理

在對信號進行采樣處理時，很容易因為外在因素等原因產生噪聲信號，導致信號失真，為了還原采集到的電信號的物理意義，分析計算數據的內在特征，這就需要利用濾波技術來消除這些數據中的干擾信號，使得測量的數據能更好地反映工件截面圓的真實輪廓。

LabVIEW 提供了眾多信號處理中用到的數字濾波器。這些濾波器主要在【函數】/【信號處理】/【濾波器】函數選版及其包含的函數子選版節點對象中。這里采用中值濾波法。圖3 為設計的中值濾波器的程序面板，圖4a 為原始信號，圖4b 為濾波后的信號。

數字濾波器利用計算機濾波程序完成濾波，不需要硬件設備，不存在阻抗匹配的問題，并且性能高，不會因為溫度、濕度的影響產生誤差，這是模擬濾波器所不具備的［2］。經濾波處理的數據明顯抑制了數據采集過程中噪聲的干擾和影響。

3.2 圓度誤差評定原理

最小二乘圓是指一個穿過實際被測輪廓的圓，它所處的位置使實際被測輪廓上各測點至它的距離的平方和最小，其圓心被稱為最小二乘圓圓心。用最小二乘圓法評定圓度誤差的數值和中心都是唯一的，評定結果也不易受到個別大誤差的影響［3］，能反映整個實際輪廓的綜合情況，所以采用最小二乘法來評定圓度誤差。圖5 是圓度誤差測量原理圖。

以回轉體被測截面的回轉中心O為圓心，Pi為第i個采樣點(i=1，2，……，n;n為采樣點數目)，O'為最小二乘圓圓心，其坐標為(a，b)，R為最小二乘圓半徑，ri為Pi點測量半徑。e=為偏心距。θi為O'Pi與O'x軸的夾角。根據最小二乘原理［3－5］，可得最小二乘圓半徑和圓心坐標分量為

則最小二乘評定法的圓度誤差為

式中:ξi=Δri－acosθi－bsinθi，i=1，2，…，m;m為測量點數目。

3.3 數據分析

使用LabVIEW 開發平臺編寫的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。所有的VI 都包括3 個部分:程序前面板、程序框圖和圖標/連接器。在程序前面板使用控件模板設置如旋鈕、開關、按鈕、圖標、圖形和其他設備，用于設置輸入數值和觀察輸出量，模擬真實儀表的前面板。在程序框圖中，每個程序前面板都對應著一段框圖程序，相當于傳統程序的源代碼。軟件總體流程圖如圖6 所示。

根據圓度誤差評定原理所描述的最小二乘圓法圓度誤差的測量原理，使用LabVIEW 中的公式節點、數組函數以及For 循環語句來建立這個數學模型。新建VI，打開程序框圖面板，公式節點和For 循環位于函數→編程→結構子模板上，數組函數位于函數→編程→數組→數組最大值與最小值。利用公式節點求出最小二乘圓軌跡，利用Array Max＆Min 求出數組元素中的最大值和最小值，在前面板中顯示出誤差曲線［6］。該模塊可對實時采集的數據進行動態顯示和計算。程序框圖如圖7 所示。

根據圓度誤差最小二乘原理，自動計算出最小圓半徑、圓心坐標及圓度誤差。在前面板顯示基圓、最小二乘圓和工件圓度誤差曲線。用戶可以在LabVIEW軟件前面板對采集并分析處理過的數據進行實時觀測。又可以從誤差分析系統中讀入數據，根據選定程序處理模塊進行誤差分析。

4 結語

基于LabVIEW 平臺開發的圓度誤差在線檢測分析系統，經調試已基本實現設計目標，通過將測量技術與計算機技術相結合，利用軟件替代傳統圓度儀的硬件功能，簡化了檢測設備，提高了圓度誤差數據處理速度和精度，實現了自動化、數字化和可視化。

［1］侯國屏，王坤，葉齊鑫. LabVIEW7.1 編程與虛擬儀器設計［M］. 北京:清華大學出版社，2005.

［2］江征風.測試技術基礎［M］.北京:北京大學出版社，2010.

［3］顧偉峰，汪世益.虛擬技術下環形零件圓度誤差測控系統設計［J］.中國儀器儀表，2008(4):47 －50.

［4］GB/T 7235 －87，產品幾何量技術規范(GPS)評定圓度誤差的方法半徑變化量測量［S］.北京:中國標準出版社.1987:184 －201.

［5］王穗輝.誤差理論與測量平差［M］.上海:同濟大學出版社，2010.

［6］劉剛，王立香，張連俊.Labview8.2 中文版編程及應用［M］.北京:電子工業出版社，2008.