軸類零件形狀誤差智能檢測平臺

陳天寶，林志熙，楊文博

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福建 福州 350118)

1 引言

軸類零件形狀誤差圓度、圓柱度誤差測量方法大致有兩類。一類是采用近似的測量，兩點法、三點法等，只適用于低精度零件的檢驗。另一類是符合誤差定義的方法，例如在坐標測量機上按要求測量被測零件各橫截面輪廓各測點的坐標值，再利用計算機軟件計算誤差值。測量精度高，但一般價格昂貴。

因此，文中設計了一種軸類零件形狀誤差的智能檢測平臺。采用電渦流位移傳感器，利用MATLAB數據采集工具箱進行數據采集，借助MATLAB優化工具箱實現軸類零件形狀誤差的數據處理，并開發了友好界面，自動生成檢測報告，實現采集、測量、評定的一體化。最后通過測量實例證明這種方法的優越性，值得在企業、高校實驗室推廣使用。

2 系統組成

采用電渦流傳感器檢測軸類零件半徑變化量，將主軸形狀誤差的物理信號轉化成電信號，數據采集卡進行信號調理，USB數據線將數據采集卡與電腦連接，利用MATLAB數據采集工具箱，編寫軟件程序構建虛擬儀器實現數據采集與分析。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

3 數據采集

3.1 信號采集硬件選型

選用上海測振自動化儀器有限公司的YDYT9800系列三線制一體化電渦流位移傳感器作為采集工具。該傳感器適用于機械的位移、轉速等參數進行實時監測。傳感器的分辨率和量程都有較大的選擇范圍，可以根據檢測零件尺寸大小和精度選擇相應規格的傳感器。

位移傳感器根據檢點數據繪制位移特性曲線圖如圖2所示。擬合得出U=2.504×d-1.264，其中d為探頭與被測表面的距離，U為兩端的端電壓。其檢定結果如表1所示。

采用NI USB-6251數據采集卡。該采集卡單通道采樣率總計1MS/s；2路模擬輸出；24路數字I/O；高達1MHz的USB總線關聯數字I/O，可使用板載波形再發生器則關聯數字I/O可高達10 MHz；每條輸入通道包括7檔可編程的輸入范圍±100mV ～±10V，模擬和數字觸發，以及兩個計數器/定時器。

數據測量和處理使用類型是單端輸入。選用NIscc-68型的接線盒。調用MATLAB的采集工具箱編寫控制NI采集卡的程序。使MATLAB可以控制NI的DAQ采集卡。將采集到的數據傳輸到上位機。

3.2 數據采集軟件設計

MATLAB的數據采集工具箱的數據采集軟件可用于控制信號輸入、輸出，還可當做定時器/計數器，具備DAQ設備部分系統的功能。既可以同步訪問幾個測量設備也可以訪問單個設備。能夠主動檢測并讓它自行疊代更新，依據處理的結果來測試參數設置。

數據采集工具箱包含三種組件：M-文件函數、數據采集引擎和硬件驅動接口。通過這3種組件實現與數據采集硬件的互聯與信息傳遞[1]。利用MATLAB數據采集工具箱編寫程序進行數據采集，MATLAB/GUI設計系統人機交互界面完成系統集成。采樣時間、采樣頻率的設置則根據測量精度要求由特性參數（set）加以設定。采樣點數=采集頻率×采集時間，采樣點數越多，測量精度越高，但效率降低。程序設計思路如圖3所示。

4 數據處理

評定圓度、圓柱度誤差的常用方法有最小區域法（MZC）、最小二乘法（LSC）、最小外接圓（柱）法（MCC）及最大內接圓（柱）法（MIC）。其中只有最小區域法才是符合國標的定義，符合最小條件。它所得誤差值是唯一的、最小的。根據GB 1598—80《形狀和位置公差一檢測規定》中提出的“最小條件原則”，即評定時被測要素相對其理想要素的最大變動量應為最小[2]。

圖2 位移特性曲線圖

表1 檢定結果

圖3 數據采集程序設計思路

設各橫向測量截面上的采樣點Pi的坐標值為（ xi，yi，zi）（ i = 1，2，…，n，n 為測點數），而在某一測量截面內，采樣點到理想圓心的距離。

式中j、k、q理想軸線方向向量，u、v、g為理想軸線位置向量。

因此軸類零件形位誤差的評定就轉化為這兩個目標函數的最小值求解問題。

Matlab的優化工具箱（Optimization Toolbox）中含有一系列的優化算法函數，本類問題屬于求解無約束條件非線性極小值。上述這兩個多元函數的極小值求解，采用fminsearch和Fminunc這兩種函數即可求出在指定點附近的最小值。[3]

文中還設計了友好的可視化界面，將傳感器采集數據輸入界面，選定方法，即可求得圓度圓柱度誤差值，并繪制誤差示意圖，直觀明了。最后生成word檢測報告。[4-5]

5 測量實例

圖4 檢測平臺示意圖

測量一直徑為25mm，長度50mm的圓棒料。檢測平臺示意圖如圖4所示。選用探頭直徑5mm，量程1mm，精度0.001mm的YDYT98電渦流位移傳感器。將傳感器安置在零件上方，由于測量頭有ф5直徑的小平面，調整測量頭處于檢測外圓的最高點附近即可檢測測量頭到該外圓表面的最高點的距離變化量，由傳感器的安裝高度尺寸減去這一數值，即為零件的半徑變化量。通過對采樣時間、采樣頻率、測量截面間距的設置，計算出各采樣點的坐標值進行后續的數據處理。

圖5 圓度誤差評定界面

圖6 圓柱度誤差評定示意圖

打開MATLAB設計的界面。輸入采樣頻率20Hz。采樣時間5S。點擊開始采集按鈕采集數據，一圈采集100個點。數據采集完成后自動生成txt文件并保存到指定的文件中。以便將來存取方便。采集完一個界面后進行圓度誤差評定，處理界面見圖5所示。在圖像處理界面框中，左邊視圖為被測輪廓實際輪廓，右邊為誤差擬合示意圖，可以看出，兩同心圓包容被測圓輪廓時，至少有四個實測點里外相間地在兩個包容圓上，滿足交叉準則的評定。說明該系統是正確的。

通過滾珠絲桿帶動檢測滑座軸向移動4mm，測量十個截面，共一千個采樣點。將采集到的數據載入界面中進行圓柱度誤差數據處理。圓柱度誤差示意圖如圖6所示。左邊視圖中間的軸線為理想圓柱面的中心線。最內層紫色圓柱面是過最內點的內包容圓柱面，最外層淡藍色圓柱面則是過最外點的外包容圓柱面。而中間折面則是實際被測圓柱者面，從該折面可以看出該外圓表面呈現兩頭大，中間小的馬鞍形趨勢。該圖片還可旋轉、移動、縮放，將該圖片旋轉至右邊的俯視圖狀態，可知內外包容面包容零件的外圓柱表面，說明數據處理是正確的。

點擊評定方法，還可用其他三種方法對工件進行誤差評定。通過對圖像的觀察可知這些方法均滿足評定要求，驗證了計算程序的可行性。

最后點擊菜單欄的生成報告，將實驗結果以word輸出實驗報告。包括采樣點坐標、各方法運算得到的誤差值以及評定圖像，直觀明了。

6 結語

由測量實例可以看出：文中設計的軸類零件智能檢測平臺，利用電渦流傳感器，在Matlab環境下實現實時數據采集和數據處理，成本低，采集效率好，評定精度高，符合國標的定義，實現測量數據可視化。該裝置還可推廣至軸類零件位置誤差各檢測項目的檢測，在實際應用中有較好的推廣價值。