基于虛擬測量技術的模塊化測量系統研制

王 斌，孫 睿

（核工業理化工程研究院，天津300180）

0 引言

虛擬儀器（Visual Instrument，VI）是指一個以計算機為核心部件、以虛擬控制面板為標志的測量和實驗裝置，它主要被用于構建計算機測試分析系統和自動控制系統。在以PC機為基礎的虛擬儀器中，一個典型的虛擬儀器系統包括：計算機、VI軟件、數據采集卡、硬件接口、傳感器和連接電纜等。虛擬儀器己經成為越來越多測控人員的最佳選擇，這是因為虛擬儀器系統能更迅捷、更經濟、更靈活地解決測控問題，也可以避免儀器編程過程中的大量重復勞動，從而大大縮短復雜程序的開發時間，可以用于各種不同的模塊構造自己的虛擬儀器系統。因此，這些特點都非常適合將其用于開發可滿足特殊測量要求的定制化專用檢測設備。本文將介紹一種基于虛擬測量技術建立的用于筒狀產品幾何尺寸及形位公差檢測的專用檢測設備，該設備采用了結構先進的電感傳感器及激光傳感器作為信號采集單元，結合被測筒類工件的結構特點和測量需求，設計可滿足準確測量采點的定位及驅動裝置。通過模塊化的信號通道將各種信號采集、處理并輸出結果，從而建立了可滿足產品設計精度要求的專用檢測設備。

1 研究思路

針對被測對象的測量要求，開展信號采集傳感器的選型研究及測量定位工裝的設計。該工裝嵌入測量傳感器和電氣控制元器件后形成測量平臺的機械部分；控制及數據處理硬件集成于PXI系統形成電控部分硬件，并與由LabVIEW G語言開發的專用測量程序實現通信后，構成測量平臺的測控部分。

該系統將通過數字信號的輸入輸出完成對平臺機械部分機械動作的監視與控制，模擬信號輸入，完成對測量數據信號的采集，并通過軟件編制的特定算法將采集的尺寸數據按照相關的國家標準進行計算，最終實現對機械產品質量狀況的準確測量。

2 測量定位及驅動裝置設計

根據工件設計要求，應以筒體內腔作為測量基準，采用回轉測量的方式，同時測量筒體的直徑、圓度、壁厚均勻度及垂直度等參數。測量定位及驅動裝置采取分步形式進行測量定位，驅動模式為摩擦驅動，如圖1所示。

2.1 測量定位機構設計

為了滿足測量定位基準設計要求，采取了分步式測量定位方式，測量過程共分為3個步驟：

1）外圓粗定位。該步驟用于對工件進行粗定位，工件以外圓定位放置在外支承定位機構的V型架上，然后由氣缸舉升至測量位置。當內支承定位機構到位后，外支承定位機構回到初始位置。

2）內孔精定位[1]。采用左右各一套內支承機構以兩端內孔三點實現定位，兩個固定點，一個浮動點，如圖2（a）所示。采用三點式軸承定位方式，固定支撐軸承主要實現工件的內孔定位，浮動漲緊軸承在微型氣缸的作用下實現對工件的漲緊固定，滿足工件回轉采點需要的同時，有效防止工件在回轉過程中發生徑向偏移而帶來的測量誤差。

2.2 驅動機構設計

驅動方式為摩擦驅動，如圖2（b）所示。摩擦帶由氣缸驅動下壓到位，摩擦帶包覆工件外圓并在電機驅動下通過帶輪傳動，工件則在摩擦力的作用下勻速回轉，進而實現傳感器的回轉采點。

3 信號采集單元設計

根據測量對象的特性要求，確立了電感傳感器和激光傳感器兩種信號采集模塊。電感傳感器主要完成接觸采點的信號采集，激光傳感器完成非接觸采點的信號采集，分別滿足了不同表面加工狀態下的信號采集。圖3（a）為電感式信號采集機構結構圖，圖3（b）為激光傳感器信號采集原理圖。

4 系統硬件設計

系統硬件基于NI公司的PXI平臺進行總體設計，PXI平臺具備了良好的定時與同步技術，可大大提高測量精度，實現高級觸發檢測。根據對系統硬件設計要求的研究，確定了包括主控制器、數據采集卡及數字I/O卡等主要硬件。

4.1 A/D數據采集模塊設計

考慮到本系統對采集數據的準確性要求，選擇差分連接作為接線的方式。采用了如圖4所示的連接方式，通過導線將航空插座與NI PXI-6289采集卡的接線盒SCB-68A相連，由于采集卡滿足本系統16路差分AI或32路單端AI對于通道數的要求，相比于單端，差分連接能夠更好地減少噪聲的干擾。

4.2 串口數據采集模塊設計

激光傳感器的脈沖信號為數字信號，故采用串口通信方式，可在短時間內頻繁地向激光傳感器發送命令并接收數據，且實現方式更簡單。直接將激光傳感器驅動器的串口與控制器相連，來完成數據傳輸。

4.3 I/O控制模塊設計

（1）輸入控制

輸入控制是用于監測機械操作臺傳輸信號的電壓變化，將采集的磁性開關信號與開關信號分別與NI PXI-6528采集卡的輸入端口正端相連，地端與采集卡各輸入端口負端相連。在采集卡某輸入端口正負之間并聯1000Ω的電阻，根據連線方式電阻兩邊的電壓即信號電壓，采集卡測量電阻電壓從而獲得信號電壓。輸入控制對信號狀態監測的連接方式如圖5所示。

（2）輸出控制

輸出控制將機械控制臺的電磁閥線路的兩端連入對應的繼電器常開點的兩端，通過將NI PXI-6528采集卡的輸出通道連入對應繼電器的供電線路，可實現指定通道對指定電磁閥的控制。即由采集卡控制繼電器的供電狀況，從而控制繼電器常開常閉點的狀態，當繼電器通電從而常開點變為常閉點時，電磁閥線路通電產生機械動作。輸出端對電磁閥的控制原理與連接方式如圖6所示。

5 測控軟件設計

系統軟件采用LabVIEW程序開發平臺，該開發平臺由NI公司開發，與所選硬件具有很好的兼容性。因此，系統整體穩定性更好，同時具備一定的可擴展性，可為后續二次開發和改制創造良好的軟件環境。LabVIEW G語言圖形化編程語言，其特點是將數據流作為程序編寫主線，故編程思想主要圍繞數據流向開展，結合測量功能需求開展了下列數據流模塊的軟件程序設計[2]。

5.1 數據采集模塊程序設計

（1）數字信號采集程序設計

數字信號的傳輸程序如圖7所示。根據與采集卡相匹配的通道號與數據類型用DAQmx Create Virtual Channel.vi來創建采集通道，創建完成后用DAQmx Start Task.vi開始采集任務，在停止任務前可以在結構函數（While循環、if循環等）中通過DAQmx Read.vi與DAQmx Write.vi所選擇的讀取或寫入方式進行數據的傳輸。當傳輸完畢后，通過DAQmx Stop Task.vi與DAQmx Clear Task.vi來關閉通道并釋放系統資源。

（2）模擬信號采集程序設計

由于傳感器數據為電壓信號，所以通過DAQmx Create Virtual Channel.vi創建通道。在模擬輸入中選擇電壓，設置量程最大值、接線方式與對應的通道數，在用DAQmx Timing.vi來設置采樣模式與采樣點，創建完成后同樣通過DAQmx Start Task.vi開始采集任務，在停止任務前可以在結構函數中通過DAQmx Read.vi所選擇的讀取方式與采集點數進行數據的采集。模擬信號數據的采集需要添加對采樣時鐘的設置，當傳輸任務完畢后，通過 DAQmx Stop Task.vi與 DAQmx Clear Task.vi來關閉通道并釋放系統資源。采集程序如圖8所示。

（3）串口數據采集程序設計

串口數據是通過儀器I/O選項中串口提供的功能vi進行采集的，采集程序如圖9所示。采集前用VISA Configure Serial Port.vi先配置串口的波特率、數據位、奇偶、停止位等參數信息，這些參數需要與激光傳感器的串口參數相匹配。在停止任務前可以在結構函數中通過VISA Write.vi發送命令，并在足夠的延時后通過VISA Read.vi讀取數據，最后通過VISA Close關閉串口。

5.2 系統設置功能模塊程序設計

根據系統功能需求，設計了標件設置、公差設置與傳感器參數設置3項基本設置功能模塊。

根據以上特點設計功能邏輯流程，如圖10所示。其中，紅色線路表示數據流程，藍色線路表示邏輯流程。

6 實驗結果

6.1 重復性驗證實驗

選取5個測試樣件，分別對5個樣件連續測量10次，且每次測量均要求進行重新裝卡工件，計算得到10次測量結果的標準差Sg，測量數據統計結果如表1所示。

表1 測量重復性結果統計表Table 1 Statistics of measurement repeatability

6.2 準確度驗證實驗

選取30個測試樣件，分別測量各參數值記為Xi，通過計算Xi與基準值Xm的差，得到設備的示值誤差Δ，測量數據及計算結果如表2所示[3]。

表2 測量準確性結果統計表Table 2 Statistical of measurement accuracy

6.3 檢測效率

利用該系統對筒狀工件進行檢測，單件檢測時間由原方法的15min減少到6min，檢測效率提高了近3倍。

7 結論

本文設計了可滿足筒類工件的測量定位機構、驅動機構及信號采集單元，建立了基于PXI平臺的測控系統，利用LabVIEW程序開發語言，開發了專用測量應用程序，形成模塊化自動測量系統，實現了對筒類工件尺寸及形位誤差的綜合檢測。具體如下：

1）通過設計合理的分步式測量定位機構和摩擦驅動機構，實現了對筒體零件的內腔準確定位，滿足測量采點要求。

2）根據測量精度及采點需求，設計可靠的傳感器信號采集單元，并應用多種類型的高精度傳感器，保證了測量的準確度和重復性。

3）通過設計多通道信號采集模塊并集成于PXI平臺，構建了穩定的測控系統。利用LabVIEW程序開發語言設計專用測量程序，解決了數據傳輸、數值計算功能，實現了對工件各參數的準確測量。測量結果表明，系統的重復性及準確性指標均可滿足系統精度設計要求。