基于虛擬測量技術(shù)的模塊化測量系統(tǒng)研制

王 斌，孫 睿

（核工業(yè)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(biāo)志的測量和實驗裝置，它主要被用于構(gòu)建計算機測試分析系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。在以PC機為基礎(chǔ)的虛擬儀器中，一個典型的虛擬儀器系統(tǒng)包括：計算機、VI軟件、數(shù)據(jù)采集卡、硬件接口、傳感器和連接電纜等。虛擬儀器己經(jīng)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(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)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(fù)勞動，從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時間，可以用于各種不同的模塊構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)。因此，這些特點都非常適合將其用于開發(fā)可滿足特殊測量要求的定制化專用檢測設(shè)備。本文將介紹一種基于虛擬測量技術(shù)建立的用于筒狀產(chǎn)品幾何尺寸及形位公差檢測的專用檢測設(shè)備，該設(shè)備采用了結(jié)構(gòu)先進的電感傳感器及激光傳感器作為信號采集單元，結(jié)合被測筒類工件的結(jié)構(gòu)特點和測量需求，設(shè)計可滿足準(zhǔn)確測量采點的定位及驅(qū)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(jié)果，從而建立了可滿足產(chǎn)品設(shè)計精度要求的專用檢測設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)處理硬件集成于PXI系統(tǒng)形成電控部分硬件，并與由LabVIEW G語言開發(fā)的專用測量程序?qū)崿F(xiàn)通信后，構(gòu)成測量平臺的測控部分。

該系統(tǒng)將通過數(shù)字信號的輸入輸出完成對平臺機械部分機械動作的監(jiān)視與控制，模擬信號輸入，完成對測量數(shù)據(jù)信號的采集，并通過軟件編制的特定算法將采集的尺寸數(shù)據(jù)按照相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)進行計算，最終實現(xiàn)對機械產(chǎn)品質(zhì)量狀況的準(zhǔn)確測量。

2 測量定位及驅(qū)動裝置設(shè)計

根據(jù)工件設(shè)計要求，應(yīng)以筒體內(nèi)腔作為測量基準(zhǔn)，采用回轉(zhuǎn)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(shù)。測量定位及驅(qū)動裝置采取分步形式進行測量定位，驅(qū)動模式為摩擦驅(qū)動，如圖1所示。

2.1 測量定位機構(gòu)設(shè)計

為了滿足測量定位基準(zhǔn)設(shè)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(gòu)的V型架上，然后由氣缸舉升至測量位置。當(dāng)內(nèi)支承定位機構(gòu)到位后，外支承定位機構(gòu)回到初始位置。

2）內(nèi)孔精定位[1]。采用左右各一套內(nèi)支承機構(gòu)以兩端內(nèi)孔三點實現(xiàn)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(xiàn)工件的內(nèi)孔定位，浮動漲緊軸承在微型氣缸的作用下實現(xiàn)對工件的漲緊固定，滿足工件回轉(zhuǎn)采點需要的同時，有效防止工件在回轉(zhuǎn)過程中發(fā)生徑向偏移而帶來的測量誤差。

2.2 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

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

3 信號采集單元設(shè)計

根據(jù)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(tài)下的信號采集。圖3（a）為電感式信號采集機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，圖3（b）為激光傳感器信號采集原理圖。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件基于NI公司的PXI平臺進行總體設(shè)計，PXI平臺具備了良好的定時與同步技術(shù)，可大大提高測量精度，實現(xiàn)高級觸發(fā)檢測。根據(jù)對系統(tǒng)硬件設(shè)計要求的研究，確定了包括主控制器、數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)字I/O卡等主要硬件。

4.1 A/D數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

考慮到本系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(dǎo)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(tǒng)16路差分AI或32路單端AI對于通道數(shù)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(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

激光傳感器的脈沖信號為數(shù)字信號，故采用串口通信方式，可在短時間內(nèi)頻繁地向激光傳感器發(fā)送命令并接收數(shù)據(jù)，且實現(xiàn)方式更簡單。直接將激光傳感器驅(qū)動器的串口與控制器相連，來完成數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 I/O控制模塊設(shè)計

（1）輸入控制

輸入控制是用于監(jiān)測機械操作臺傳輸信號的電壓變化，將采集的磁性開關(guān)信號與開關(guān)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(fù)端相連。在采集卡某輸入端口正負(fù)之間并聯(lián)1000Ω的電阻，根據(jù)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(tài)監(jiān)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(yīng)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(yīng)繼電器的供電線路，可實現(xiàn)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(tài)，當(dāng)繼電器通電從而常開點變?yōu)槌ｉ]點時，電磁閥線路通電產(chǎn)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(shè)計

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW程序開發(fā)平臺，該開發(fā)平臺由NI公司開發(fā)，與所選硬件具有很好的兼容性。因此，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性更好，同時具備一定的可擴展性，可為后續(xù)二次開發(fā)和改制創(chuàng)造良好的軟件環(huán)境。LabVIEW G語言圖形化編程語言，其特點是將數(shù)據(jù)流作為程序編寫主線，故編程思想主要圍繞數(shù)據(jù)流向開展，結(jié)合測量功能需求開展了下列數(shù)據(jù)流模塊的軟件程序設(shè)計[2]。

5.1 數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計

（1）數(shù)字信號采集程序設(shè)計

數(shù)字信號的傳輸程序如圖7所示。根據(jù)與采集卡相匹配的通道號與數(shù)據(jù)類型用DAQmx Create Virtual Channel.vi來創(chuàng)建采集通道，創(chuàng)建完成后用DAQmx Start Task.vi開始采集任務(wù)，在停止任務(wù)前可以在結(jié)構(gòu)函數(shù)（While循環(huán)、if循環(huán)等）中通過DAQmx Read.vi與DAQmx Write.vi所選擇的讀取或?qū)懭敕绞竭M行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)傳輸完畢后，通過DAQmx Stop Task.vi與DAQmx Clear Task.vi來關(guān)閉通道并釋放系統(tǒng)資源。

（2）模擬信號采集程序設(shè)計

由于傳感器數(shù)據(jù)為電壓信號，所以通過DAQmx Create Virtual Channel.vi創(chuàng)建通道。在模擬輸入中選擇電壓，設(shè)置量程最大值、接線方式與對應(yīng)的通道數(shù)，在用DAQmx Timing.vi來設(shè)置采樣模式與采樣點，創(chuàng)建完成后同樣通過DAQmx Start Task.vi開始采集任務(wù)，在停止任務(wù)前可以在結(jié)構(gòu)函數(shù)中通過DAQmx Read.vi所選擇的讀取方式與采集點數(shù)進行數(shù)據(jù)的采集。模擬信號數(shù)據(jù)的采集需要添加對采樣時鐘的設(shè)置，當(dāng)傳輸任務(wù)完畢后，通過 DAQmx Stop Task.vi與 DAQmx Clear Task.vi來關(guān)閉通道并釋放系統(tǒng)資源。采集程序如圖8所示。

（3）串口數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

串口數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位、奇偶、停止位等參數(shù)信息，這些參數(shù)需要與激光傳感器的串口參數(shù)相匹配。在停止任務(wù)前可以在結(jié)構(gòu)函數(shù)中通過VISA Write.vi發(fā)送命令，并在足夠的延時后通過VISA Read.vi讀取數(shù)據(jù)，最后通過VISA Close關(guān)閉串口。

5.2 系統(tǒng)設(shè)置功能模塊程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計了標(biāo)件設(shè)置、公差設(shè)置與傳感器參數(shù)設(shè)置3項基本設(shè)置功能模塊。

根據(jù)以上特點設(shè)計功能邏輯流程，如圖10所示。其中，紅色線路表示數(shù)據(jù)流程，藍色線路表示邏輯流程。

6 實驗結(jié)果

6.1 重復(fù)性驗證實驗

選取5個測試樣件，分別對5個樣件連續(xù)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(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差Sg，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 測量重復(fù)性結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistics of measurement repeatability

6.2 準(zhǔn)確度驗證實驗

選取30個測試樣件，分別測量各參數(shù)值記為Xi，通過計算Xi與基準(zhǔn)值Xm的差，得到設(shè)備的示值誤差Δ，測量數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表2所示[3]。

表2 測量準(zhǔn)確性結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Statistical of measurement accuracy

6.3 檢測效率

利用該系統(tǒng)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(jié)論

本文設(shè)計了可滿足筒類工件的測量定位機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)及信號采集單元，建立了基于PXI平臺的測控系統(tǒng)，利用LabVIEW程序開發(fā)語言，開發(fā)了專用測量應(yīng)用程序，形成模塊化自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)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(shè)計合理的分步式測量定位機構(gòu)和摩擦驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)了對筒體零件的內(nèi)腔準(zhǔn)確定位，滿足測量采點要求。

2）根據(jù)測量精度及采點需求，設(shè)計可靠的傳感器信號采集單元，并應(yīng)用多種類型的高精度傳感器，保證了測量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

3）通過設(shè)計多通道信號采集模塊并集成于PXI平臺，構(gòu)建了穩(wěn)定的測控系統(tǒng)。利用LabVIEW程序開發(fā)語言設(shè)計專用測量程序，解決了數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)值計算功能，實現(xiàn)了對工件各參數(shù)的準(zhǔn)確測量。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)的重復(fù)性及準(zhǔn)確性指標(biāo)均可滿足系統(tǒng)精度設(shè)計要求。