基于虛擬儀器的工件軸徑測量系統設計

馮春鵬，袁俊杰

(北方工業大學機械與材料工程學院，北京100144)

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基于虛擬儀器的工件軸徑測量系統設計

馮春鵬，袁俊杰

(北方工業大學機械與材料工程學院，北京100144)

針對車削加工中工人對于小型零件軸直徑的測量問題，提供了一種基于虛擬儀器的自動化車削軸直徑的測量方法。結合機床車削加工的特征，搭建加工軸直徑測量系統，利用美國NI公司的軟件開發平臺LabVIEW進行系統軟件界面的開發及圖形處理功能的實現。硬件結構包括工作臺、數字千分尺、單片機采集儀和PC機，軟件結構包括數據采集模塊、顯示模塊、分析模塊等。實驗結果表明，該測量系統具有操作簡單、開發周期短、測量結果準確等優點。通過對該軸徑測量系統的設計，為以后機床加工中自動化測量研究打下基礎。

車削零件 軸徑測量 虛擬儀器 數據采集

0 引言

軸類零件是各種機械設備以及裝置中應用最廣泛的一種零件，機械零件的靈活性以及加工成本決定手動機床的應用仍然占有一部分比重。工人師傅在車削加工簡易的軸類零件時，需要不斷采用千分尺來測量所加工的軸類零件的直徑，以趨于最終達到目標尺寸。軸徑測量是機械測量中的一個重要的研究方向，在測量技術中占有重要的地位。傳統的軸徑測量方法是采用手動千分尺測量，不僅浪費加工所用時間，而且對于復雜零件不易操作。伴隨著科技的日新月異，自動化結合PC機顯示測量是目前研究和發展的重點[1]。本文設計的工件軸徑測量系統，基于虛擬儀器的自動化測量方案，采用上下位機的通信方式，能夠在PC機上實時顯示測量直徑，良好的人機交互界面，不僅提高了測量精度，而且操作簡便實用性強。

1 系統總體方案

1.1 測量裝置原理

圖1 軸徑測量系統方案圖

本測量裝置采用STM32芯片作為采集器芯片，對一對互相垂直正交的數顯游標卡尺所測量的軸徑值進行采集，運用美國NI公司開發軟件LabVIEW對其進行上位機界面的設計。當操作人員需要對軸徑值進行測量之時，兩個互相垂直的游標卡尺置于已加工軸類零件上，數顯游標卡尺上顯示出數據，按下腳踏板確認采集當前數據，并存于上位機上顯示，每隔一個固定距離依次測量軸徑值，上位機XY圖顯示歷史測量數據，并保存用于后續的分析處理。系統方案圖如圖1所示。

本測量系統主要由四個部分組成，作為信號采集終端的數字游標卡尺、腳踏控制器，STM32單片機采集器和PC機顯示界面的上位機組成。由X軸和Y軸兩個互相正交的數字千分尺分別測量兩個方向上的軸徑值。腳踏板控制器由單線控制腳踏板組成，當一次測量完畢之后按下腳踏板可顯示并保存所測量的值，并且由上位機界面依次顯示出軸徑測量值，并且將軸徑值測量過程的偏差變化顯示在波形圖表上。

1.2 裝置主體結構設計

1-游標卡尺；2-不銹鋼管支撐架； 3-測量游標； 4-固定螺栓槽；5-支撐底座圖2 結構示意圖

該測量裝置的主體結構是一對互相正交的具有數字顯示功能的游標卡尺，主要的結構設計是對相互正交裝置的設計。游標卡尺的兩端具有固定的螺栓槽，可用于固定于矩形固定架上。固定架的距離是根據兩個游標卡尺的測量最大值來選擇。本設計裝置固定框架長300 mm，寬200 mm，采用細不銹鋼管作為支撐材料，底座采用易于制作的木質材料。結構示意圖如圖2所示。

2 系統的硬件選擇

該系統的硬件結構主要包括兩臺數字千分尺、一臺單片機采集儀和一臺PC機。

本系統采用桂林廣陸數字測控股份有限公司數字式標尺，分辨率為0.01 mm，采用1.5 V的電源供電，可單獨用紐扣電池，也可通過數據線供電。由特定的串口線與單片機采集器相連，采集器與PC上位機通信進行采集數據的傳輸以及數據處理。數字千分尺采集與傳輸的數據格式為24位二進制編碼，掃描周期為20 ms。數字千分尺上設置了測量單位鍵、置零鍵、開關鍵和設置鍵等4個功能鍵，方便設置與測量[2]。

單片機采集儀通過通訊協議與數字千分尺通信，系統選用傳統的STM32F103作為控制主芯片，其高性能的ARM32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，最高集成512 K的Flash存儲器，具有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。芯片的供電電壓2.0 V～3.6 V，能夠滿足一般低功耗應用的要求。控制卡外設三路RS232轉串口通道，用于信號的采集與輸出。三路信號分別為X軸千分尺、Y軸千分尺和腳踏板按鈕。

圖3 軸徑測量系統硬件實物圖

腳踏控制器與鼠標功能類似，內置采樣保持芯片，在采集過程中需要對當前的數據采集和保存時，只需要腳踏控制板按鈕就可以實現。工作人員采用腳踏控制按鈕的方式來確定本次的采樣測量，并不影響千分尺的使用，簡單易行，方便可靠。下位機與上位機之間采用RS232串行總線數據通信，實現兩者之間的數據傳輸。由于目前市場上的筆記本電腦大多數無外設RS232串行總線接口，為方便使用本系統，采用PL2303作為轉換接口進行RS232-USB的轉換[3]。圖3所示為該軸徑測量系統硬件實物圖。

3 軟件結構的設計

圖4 上位機程序流程圖

本測量系統的上位機人機界面的設計，要求能夠實時依次顯示出所測量加工工件軸徑值，并且將加工偏差變化顯示在波形圖表上。由于單片機數據采集器與上位機采用串行總線的連接方式，軟件設計過程中PC機在訪問采集器和數字千分尺時的協議如下：初始化程序，設置NASA端口，采集操作命令，存儲器操作與數據處理。上位機系統程序流程如圖4所示。

軟件部分的設計采用美國國家儀器(NI)公司生產的LabVIEW軟件，是一種圖形化的編程軟件。采取G語言即框圖取代文本的編程語言，有別于傳統文本編程語言通過掃描指令和代碼先后的文本順序來決定程序的運行順序，LabVIEW則采用數據流的運行方式，可以并行運行多個程序循環，充分發揮計算機處理器的多線程能力[4]。采用VISA與其它儀器總線進行通信的高級應用編程接口，上位機界面的前面板如圖5所示。其中列表框顯示軸徑測量值；波形圖顯示軸徑測量值的偏差變化量。

圖5 上位機顯示界面

測試過程如下所示：運行上位機程序，對用戶界面進行參數設置，包括其中的串口號設置，目標尺寸的設置，測試人員以及測試時間的輸入。點擊開始按鈕，程序開始運行。數字千分尺上顯示出軸徑測量的實時數據，按下腳踏板按鈕采集測量數據，上位機列表框中顯示當前測量值，當前實際測量值與目標尺寸的偏差值顯示在XY波形圖表。依次變換測量位置，按步驟進行測試，最終列表框顯示歷史測量數據，波形圖顯示依次測量的偏差值的變化趨勢。表1為串口的默認參數設置。

表1 串口默認參數設置

4 實驗結果與分析

4.1 實驗過程及結果

根據設計的軸徑測量系統，給下位機系統通電，各部分電路開始工作，打開PC機上位機軟件LabVIEW程序，進入人機操作界面，點擊開始按鈕，輸入正確的串口號，運行界面程序。在指定路徑之下，存儲系統運行保存采集的軸徑值。圖6為界面上XY波形圖顯示軸徑測量偏差值變化，表2為測量樣品在XY方向的測量值。

圖6 40 mm車削軸軸徑測量偏差值變化

每隔一段固定的距離(10 mm)測量該零件的直徑，當數顯游標卡尺數據固定之后，按下采集器腳踏板，此時上位機列表框里顯示一組XY數據記錄與上位機上。依次移動距離并按下腳踏板，則得到一組如表2所示的數據。

表2 40 mm標棒測試數據

4.2 實驗數據分析

對于軸徑值測量數據的后期處理，可以分析誤差產生的原因，估算測量誤差的大小以及提出如何能夠在加工生產過程中采取相應措施減小誤差。

有限次測量中算數平均值最接近于真值，作為測量結果最可靠。本次測量中X軸的平均測量值為40.017 mm，Y軸的平均值為40.021 mm，總體的平均測量值為40.019 mm。相對誤差的計算由下式表示：

式中：δ為相對誤差值；da為軸徑測量平均值；dm為車削軸徑目標值。

將平均值40.019 mm，目標值40.00 mm帶入公式中得，相對誤差值δ為0.047%。

隨機誤差以及測量精度的存在，各個測量值的不同，測量的可靠程度一般用標準差來表示[6]。標準差的計算公式為：

式中：σ為標準差；ds為實際軸徑測量值。

將表2中的平均值數據帶入上式中得出σ=0.019。由結果可知，標準差值僅為0.019，小于測量極限偏差值0.1，證明測量數據離散程度小，數據可靠。如圖7所示為軸徑測量實際值變化趨勢。

圖7 40 mm軸徑實際測量數據變化趨勢

測量誤差及偏差產生的原因可能有多個：測量裝置本身零點誤差和基準誤差，也是一般測量儀器誤差中的主要來源；測量過程中軸件對于溫度高低和測量力大小要求；車削機床自身的系統誤差及工作人員的操作誤差等[7]。實驗結果分析表明，使用該系統測量軸類零件直徑，誤差范圍在0.1%以下水平，精度能夠達到1 μm；可以實現0 mm～200 mm的測量范圍， 能夠滿足一般軸徑測量。通過分析實

驗結果可以看出，本設計系統實現了軸徑值測量的功能。

5 結論

本系統設計采用數字式千分尺和單片機采集器，創新性地結合使用虛擬儀器技術設計出車削工件軸徑測量系統，能夠實現對車削加工過程中軸徑實時在線測量、顯示與存儲功能。本系統實現了與計算機高度融合，降低了硬件制作難度，能夠自動顯示出測量數據，克服一般人工使用游標卡尺檢測方法存在的操作困難效率低的缺點，同時靈敏性和靈活度也有了很大的提高[8]。系統人機交互界面友好美觀，操作簡單，易于觀察實驗結果，極大減少了成本。經實驗驗證，測試結果良好。

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[10] 張曉明.基于CCD的小軸徑零件全自動檢測量系統研究[D].西安：西安理工大學，2010.

Design of shaft diameter measurement system based on virtual instrument

FENG Chunpeng, YUAN Junjie

In order to solve the problem of manual measurement of the diameter of small parts in turning process, we put forward an automatic measurement method based on virtual instrument. We established a shaft diameter measurement system, and developed the software interface and realized the graphic processing function with LabVIEW. The hardware of the system included a work platform, digital micrometers, an SCM acquisition instrument and a PC. The software of the system included date acquisition module, display module, analysis module, etc. Experiment results showed that, the system was easy to operate, fast to develop, and accurate in measurement. The system has laid foundation for further study on automatic measurement in lathe machining.

turning parts，shaft diameter measurement，virtual instrument，data acquisition

TH13;TH12

A

1002-6886(2016)06-0032-04

馮春鵬(1992-)，男，山東聊城人，在讀碩士，專業方向為測控技術。

2016-04-27