面形誤差檢測

本文格式為Word版，下載可任意編輯——面形誤差檢測

計算機技術(shù)對形位誤差檢測的應(yīng)用

計算機技術(shù)對形位誤差檢測的應(yīng)用檢驗與評定形位誤差也是機械行業(yè)中最常見的工作之一。在形位誤差檢測時，由于檢測過程及數(shù)據(jù)處理對比繁雜，所以隨著科技水平的不斷提高，計算機技術(shù)的應(yīng)用越來越普及。檢測時通過計算機的輔佐分析與計算，使誤差檢測更快、更切實，制止了低水平的重復(fù)工作，節(jié)省了大量的時間，最大限度地縮短了檢測工時，儉約了勞動本金。如圖1所示，要檢測此20孔的大型板孔零件舉行圓度、圓柱度誤差是否滿足7級公差精度要求。該零件長度1400mm，寬700mm，厚200mm，重量約達1540kg，有20-Φ100H7的孔。在設(shè)計檢測系統(tǒng)時以性能先進、運行穩(wěn)當、具有確定的通用性和使用便當為啟程點，根據(jù)測量空間以及大型板孔零件的特點，機械布局采用工作臺固定、傳感器回轉(zhuǎn)的閉口移動橋式的布局，傳感器回轉(zhuǎn)中心務(wù)必與所測量孔中心對中，采用光柵尺作為位置反饋；

操縱系統(tǒng)主要由計算機和運動操縱卡及相關(guān)部件組成，計算機主要舉行輸出運動操縱指令和數(shù)據(jù)處理。由于空間限制和測量環(huán)境的要求，伺服驅(qū)動系統(tǒng)只能選擇體積小、不產(chǎn)生電火花的交流伺服電機和與其配套的伺服驅(qū)動器。操縱系統(tǒng)由7個操縱模塊來操縱機械布局完成測量。

1操縱系統(tǒng)模塊的總體設(shè)計操縱系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)處理和過程操縱兩個子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的采集、誤差處理以及數(shù)值計算等。過程操縱程序主要是使微機的運動操縱卡按照確定的方法舉行計算，然后輸出，以便操縱機構(gòu)的運動與測量。開發(fā)平臺采用BorlandC++Builder6.0，具有界面友好、操作簡便、直觀易懂等特點；

軟件根據(jù)功能可劃分為7個模塊，即初始化模塊、機構(gòu)復(fù)位、圓心定位、傳感器部件的升降、傳感器的移動、測量和誤差評定。其步驟按圖2檢測流程圖舉行。在檢測開始時，關(guān)鍵是要使傳感器的回轉(zhuǎn)軸線與孔中心線對中，將傳感器下移至孔最下面截面的位置，然后開頭測量。當傳感器旋轉(zhuǎn)一周采樣128個點后，傳感器上移一個節(jié)距至其次個截面，舉行測量。循環(huán)測量10個截面，然后傳感器移至工件之上，X、Y軸在伺服電機的驅(qū)動下，找下一個孔的位置。直到測完20個孔為止。

1.1初始化模塊初始化模塊完成板卡功能的軟件設(shè)計及參數(shù)設(shè)置的工作。系統(tǒng)中主要用到板卡功能A/D轉(zhuǎn)換、D/O輸出及用定時/計數(shù)器測頻、測脈寬等。為實現(xiàn)以上功能，板卡硬件上須有一系列的跳線設(shè)置與之相聯(lián)系。在此根基之上，主要工作在軟件的設(shè)計上。初始化完成如下工作：（1）電機操縱卡、A/D卡、光柵采集卡初始化，根據(jù)手冊完成各板卡的初始化工作。主要是申請資源和獲得板卡的操縱。（2）輸入孔中心坐標以及測量截面數(shù)。為一次性完成工件全體孔的圓度、圓柱度誤差的測量，所以需要給出相對于測量系統(tǒng)的原點的中心坐標。根據(jù)電機減速比和絲杠的螺距，這些值將會轉(zhuǎn)換成電機碼盤的脈沖數(shù)，然后以此送到電機操縱卡。電機操縱卡會根據(jù)電機已經(jīng)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)和期望值的差用PID算法調(diào)節(jié)，操縱電機運行。另外，還理應(yīng)輸入每個孔被測量的截面數(shù)。

1.2機構(gòu)復(fù)位機構(gòu)復(fù)位的目的是使測量機構(gòu)移到X、Y坐標原點。根據(jù)測量機構(gòu)的設(shè)計與安裝，X、Y坐標原點是光柵尺的零點，即光柵尺的讀數(shù)為零的點。系統(tǒng)是根據(jù)當前光柵尺的讀數(shù)驅(qū)動電機運行的。此時X、Y向的電機處于連續(xù)操縱方式，即不考慮碼盤信號。機構(gòu)向光柵尺讀數(shù)為零的方向移動，直到移動到零位。系統(tǒng)的操縱框圖如圖3。由于全體坐標都是依據(jù)系統(tǒng)的零位給出，所以在測量前系統(tǒng)務(wù)必復(fù)位。然后在此根基上相對移動。

1.3圓心定位首先，根據(jù)機構(gòu)的當前位置和輸入的孔中心坐標，計算出相對位移，然后把相對位移根據(jù)碼盤每周脈沖數(shù)換算成需要計數(shù)的脈沖，然后給電機操縱卡。電機操縱卡會根據(jù)設(shè)定的速度和加速度根據(jù)PID算法調(diào)理操縱電機的運行。其次，在電機運行過程中，不斷采集光柵尺的讀數(shù)，通過讀數(shù)和設(shè)定值的對比進一步操縱電機的運行。工作原理是:位置信號(光柵信號)經(jīng)過細分、整形后送入計數(shù)器，計算機從而獲得實際的空間坐標值。CPU將實際的坐標值和設(shè)定的坐標值進行對比(設(shè)定的坐標值由插補計算得出)，得到位置誤差，DSP將位置誤差帶入PID伺服操縱公式，計算出操縱電壓，計算機把計算出來的操縱電壓通過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號，再通過模擬信號操縱伺服驅(qū)動器工作。其中速度調(diào)理環(huán)和電流環(huán)都在伺服驅(qū)動器內(nèi)部完成。整個圓心定位的過程是X、Y方向位移的結(jié)果。如前所述圓心的定位要求精度分外高。所以定位理應(yīng)借助與光柵尺的讀數(shù)完成全閉環(huán)反應(yīng)。此過程包括以電機碼盤脈沖為基準的位置反應(yīng)系統(tǒng)和憑借于光柵尺讀數(shù)的大閉環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)。在操縱過程中一方面通過位置差轉(zhuǎn)換成碼盤脈沖數(shù)，送給電機操縱卡實現(xiàn)閉環(huán)；

另一方面讀取光柵尺的輸出作為判定準那么。把距離轉(zhuǎn)變成脈沖數(shù)送給電機控制卡，實際上是利用了電機操縱卡和伺服驅(qū)動卡之間的PID操縱算法。沒有電機操縱卡的作用，電機遇過轉(zhuǎn)（超調(diào)）或展現(xiàn)啟動速度太大等處境，損壞系統(tǒng)。由于電機的運行速度和加速度受到待拖動對象的限制，所以電機操縱卡會在容許的范圍內(nèi)以加速度達成確定的速度。而且還會利用實際脈沖輸和期望脈沖數(shù)的偏差操縱電機運行，保證低的超調(diào)和系統(tǒng)穩(wěn)定。實際中可能展現(xiàn)兩種處境：（1）電機操縱卡以脈沖數(shù)實現(xiàn)的操縱已經(jīng)完成，但光柵尺并沒有達成指定位置。在擯棄光柵尺的損壞外，一般不考慮光柵尺的誤差。那么很明顯是由于傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)的誤差引起的。這種處境下，理應(yīng)把光柵尺沒有完成的距離持續(xù)轉(zhuǎn)換成脈沖，再次讓電機運行。（2）光柵尺的表示位置已經(jīng)到達，但電機操縱卡的脈沖數(shù)并沒有完成。這個時候理應(yīng)急停電機。而且可能由于電機的慣性導(dǎo)致過位移。假設(shè)誤差較大可能需要驅(qū)動電機往相反的方向運動。

1.4傳感器部件的升降和傳感器的徑向移動傳感器部件升降機構(gòu)的操縱是一個半閉環(huán)操縱問題。當機構(gòu)在定位過程中，理應(yīng)上移傳感器部件，定位完成后再下移到最下層的截面。測量完成后，根據(jù)測量的截面數(shù)逐步上移一個截距，直到測完10個截面為止，傳感器上移，然后進行下一個孔的測量。該片面功能是把需要的升降量根據(jù)電機的減速比和絲杠的螺紋距換算成脈沖數(shù)，通過電機操縱卡控制電機運行。操縱過程由電機操縱卡和伺服驅(qū)動器完成。傳感器的徑向移動機構(gòu)的操縱對電機來說是一個開環(huán)操縱問題。但是利用傳感器的輸出構(gòu)成一個閉環(huán)操縱系統(tǒng)。如前所述，該電機沒有碼盤，不需要操縱卡的操縱。直接通過換相實現(xiàn)步進電機的前后直線移動。該操縱算法主要是讀取傳感器的輸出作為電機運行的條件。當開頭測量時整個傳感器背離中心移動，直到傳感器有輸出為止。在測量其它截面時或測量完成時，傳感器移向中心。移回的量為整個行程的最大量。

1.5測量和誤差評定程序流程數(shù)據(jù)的獲取是本檢測系統(tǒng)的主要目的。X、Y方向定位是為了對準圓心；

Z軸升降是養(yǎng)護傳感器和完成孔內(nèi)多截面的測量；

傳感器沿導(dǎo)軌的移動是為了養(yǎng)護傳感器和保證傳感器和孔壁很好地接觸；

Z軸旋轉(zhuǎn)是為了帶動傳感器完成測量。

當測量機構(gòu)?？康礁爬ㄎ恢煤?，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)電機開頭旋轉(zhuǎn)，此時通過放大器、濾波器把傳感器的測量信號放大、濾波后，通過A/D卡讀入計算機。此處解決的關(guān)鍵是：①計算機A/D卡開頭和中斷采集信號的時刻，也就是說什么時候信號有效；

②操縱Z軸旋轉(zhuǎn)電機，剛好完成360度的旋轉(zhuǎn)（測量），假設(shè)角度不夠那么采集的數(shù)據(jù)缺乏128個點；

假設(shè)過采，會給后期的數(shù)據(jù)分析帶來問題；

③通過A/D卡讀取電感式傳感器的測量值。當數(shù)據(jù)采集完成后，需要對傳感器采集的數(shù)據(jù)舉行分析，舉行圓度、圓柱度誤差評定，得出相關(guān)結(jié)論。誤差評定流程圖如圖4。其評定步驟如下：第一步：①建立被測實際圓柱面的空間直角坐標系OXYZ，建立被測實際圓柱面的最小二乘圓柱面的軸線O1Z1；

②將實際圓柱面分成與Z軸垂直且彼此等距的n個采樣截面（n=10），對每個采樣截面輪廓又分成等間角m個（偶數(shù)）采樣點（m=128）；

③建立各個離散采樣點Pij（,θi,zj）的矩陣及各個離散采樣點的半徑增量的數(shù)組；

④建立O1Z1軸與每個采樣截面的交點Oj（xj,yj,zj）的矩陣；

⑤建立各個離散采樣點到最小二乘圓柱面的相應(yīng)點沿最小二乘圓柱面半徑方向的偏差的數(shù)組。

2軟件集成根據(jù)檢測系統(tǒng)的軟硬件布局，采用BorlandC++Builder6.0編制操縱軟件。傳感器將工件上孔的輪廓外觀的徑向位移信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出至電子單元。

電子單元完成微弱位移電壓信號的前置放大、濾波等；

計算機操縱數(shù)據(jù)采集板，當檢測到傳感器有信號輸出，那么隨著傳感器測頭沿孔內(nèi)外觀的移動采集一周數(shù)據(jù)。計算機監(jiān)視采集過程并舉行數(shù)據(jù)處理，完成圓度、圓柱度評定分析，計算結(jié)構(gòu)并圖形顯示。測量之前務(wù)必對檢測系統(tǒng)舉行調(diào)整初始化。

要求X、Y軸回到光柵的初始零點，以便按位移切實找到第一個孔的中心位置，Z軸滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)把傳感器部件提起，同時傳感器在直線電機帶動下移向回轉(zhuǎn)中心，防止與工件外觀碰撞。各軸初始化、復(fù)位完成后，傳感器背離回轉(zhuǎn)軸線移動，直至接觸到孔壁，當傳感器有信號輸出時，直線步進電機停止，接著采用三點找圓心的手段，實現(xiàn)圓心定位。然后開頭作圓度、圓柱度誤差測量。測量時由系統(tǒng)軟件連接數(shù)據(jù)采集板，設(shè)置采樣參數(shù)以及操縱采樣板舉行采樣。一個截面采樣完畢，在菜單里選擇保存采樣結(jié)果與否，并可以選擇評定方法舉行圓度誤差評定。接下來可以采集下一個截面，直至測完一個孔為止，測其余孔那么重復(fù)這樣的工作。在評定并保存一個孔十個截面的圓度誤差之后，通過軟件擬合夢想回轉(zhuǎn)軸心線。通過軟件做最小二乘圓柱，判斷被測實際圓柱面對其夢想圓柱面的變動量，即判斷把實際圓柱面用兩同軸夢想圓柱面寬容時，兩同軸夢想圓柱面之間的半徑差的大小。這樣就得出圓柱度誤差。圖5為初始化軟件界面