基于LabVIEW的大圆环平面在线检测系统的研究与开发

刘　俊，张　平，张国根，李新涛

(1.广东工业大学 机电工程学院，广州　510006；2.佛山新成洪鼎机械技术有限公司，广东 佛山　528200)



基于LabVIEW的大圆环平面在线检测系统的研究与开发

刘俊1，张平1，张国根2，李新涛2

(1.广东工业大学 机电工程学院，广州510006；2.佛山新成洪鼎机械技术有限公司，广东 佛山528200)

针对直径在5000～20000mm之间的大圆环平面在现场加工过程中存在平面精度难以保证这一实际难题，在分析研究了其关键问题的基础上，采用高精度倾角传感器采集数据，电脑软件分析计算的方法，提出一套用角度传感器，倾角传感器，结合伺服电机运动控制，以LABVIEW软件为核心的检测方案。并开发出一套可以快速检测大型圆环平面参数的高精度在线检测系统。该系统可以通过对采集的数据，利用数学算法进行分析，计算和处理，得到大圆环平面的平面度，水平度和锥形度。检测系统检测效率高，适用于现场加工大圆环平面过程中的平面质量控制。

大圆环平面；LabVIEW；在线检测

(1.School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China; 2.Foshan SHINEKEY Machinery Technology Co.,Ltd.,Foshan Guangdong 528200,China)

0　引言

传统的小型圆环面和平面加工，一般都在标准机床上进行加工，精度一般容易得到保证，检测方法简便。但在一些大型圆环平面(一般是直径在5000～20000mm左右)的加工过程中，尤其是在一些大型的船舶、火电，水电等加工现场,由于待加工的圆环质量和直径较大，在装配之前完成定心，调平以及固定的动作以后，重新装拆对进一步的加工影响很大，所以只能根据加工要求定制专用非标便携式铣床或者车床等在现场进行加工。但非标设备在现场过程中本身的精度以及安装精度等的影响会导致加工的大圆环面精度低无法保证，所以在现场加工过程中对大圆环进行在线检测和实时反馈，进而保证加工质量是非常有必要的。传统的三坐标测量系统技术目前相对成熟，系统测量的精度高，但是工件的质量和大小受到限制。中国科学院光电技术研究所的戴晓磊等同学采用的是在三点法误差分离技术的原理提出了一种新的检测大型环形工件平面度误差的方案，但主要是针对封闭的圆环平面。中科院光电所常使用的方法是飞机架法，该方法简便可靠，不需要精确的测量基准，不足之处在于该方法在检测过程中稳定性较差。并且以上的检测系统和方法都是在加工完成之后或者加工之前对圆环面进行检测，而不是在线检测并及时反馈数据，难于满足大圆环的进一步指导加工的要求。目前比较领先的方法是使用激光跟踪仪检测平面度，水平度等，实时快速、便于移动、可以动态测量且测量精度高、结果可靠，越来越受到大企业的欢迎，但市场价格昂贵,会增加检测费用而导致企业获得收益减少。佛山新成洪鼎机械技术有限公司是国内现场加工企业中为数不多的一个，其传统的检测方法是利用普通的定位仪或者是平尺结合框式水平仪进行手动检测，人工误差较大，检测比较粗略。因此，如何更有效，经济的实现进行大圆环面的在线检测，进而指导加工，具有十分重要的意义，同时也是一个迫切需要解决的难题。

水平度，平面度，锥形度是反应加工表面质量的重要因素，在平面误差参数的测量与评定中占有重要的地位。本文基于LabVIEW平台研究与开发的大圆环平面在线检测系统，对现场加工大圆环平面的过程中的表面质量控制有很大实用意义。

1　大圆环平面检测方案的分析与设计

1.1原理分析

设计中采用的电子传感器采用的是基于MEMS的高精度2轴倾角传感器，其特点是可以用来测量相对于水平面的双轴倾角变化量，输出角度以水平基准面为参考，基准面可被再次校准。它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。图1为大圆环平面示意图。

图1　大圆环平面示意图

如图1所示，是检测系统检测的大圆环平面示意图，要检测大圆环平面，首先，利用控制系统和角度传感器对整个大圆环平面进行等角度划分，方便取样。如图1中所示，每一个小扇形区域代表一个采样点(实际采集数据时候，均等份数远大于图中所示，不同的直径的大圆环采样点数不同)，倾角传感器安装小扇形的中心，对该采样点进行间接式接触式测量，采集到的数据是实际面上X和Y轴相对于水平面的倾斜角度。对采集到的数据，利用数学模型结合平面几何等进行计算，求得外圆和内圆半径方向上的高度差以及内圆方向上相邻的两个点的高度差以及实际的圆环面相对于水平面的整体高度差(在1.3算法预处理中进行详细说明)，再利用计算得到的高度差值结合三维几何计算和LabVIEW软件中最小二乘法模块以及均方值计算等进行数据拟合，最终得到水平度，平面度和锥形度的值以及相应的模拟图形。

1.2检测系统的设计

检测系统是由高精度2轴倾角传感器，伺服电机，PC机，无线串口，运动控制器组成。倾角传感器选用的是瑞芬科技有限公司ACA2000T系列的高精度2轴倾角传感器，无线串口选用RS232无线串口，其工程应用简单，有超大的数据缓冲区，极强的抗干扰能力。检测系统如图2所示，PC机通过运动控制模块对伺服单元进行控制，使其经驱动器对伺服电机进行驱动，伺服电机带动轴转动，进而驱使转臂运动。转臂运动，带动倾角传感器开始进行数据采集，采集到的数据通过无线串口传输给PC机，PC机中编写的有相应的串口数据接收程序。PC机接收到无线串口传来的数据以后，就开始利用软件进行数据的处理分析以及拟合，得到我们要求的结果。

图2　系统结构框图

1.3数据处理

倾角传感器采集到的数据：实际测量面X轴相对于理想水平面的夹角为α和实际测量面Y轴相对于理想水平面的夹角为β。设γ是等分扇形小区域的圆心角的一半，hn为内圆方向上相邻两个点的高度差，Zn为外圆和内圆半径方向上的高度差，Hn是实际检测圆环面相对于理想平面整体的高度差，利用已测得的数据来依次计算实际测平面与理想水平面的夹角和各个高度差的计算方法如下：

1.3.1计算实际面与水平面的倾斜角

图3　计算圆环面的倾斜角示意图

我们知道：面与面的夹角也是两个面的法向量的夹角，如图3所示设OA是实际测量面上X轴上截取的一段，OB是实际测量面上Y轴上截取的一段，r是OA和OB在X轴和Y轴上的等坐标投影，ON是实际测量面的法向量，OZ是理想平面OXY的法向量，那么OZ与ON的夹角θ就是要求的倾斜角。利用向量法求实际倾斜面与理想水平面的夹角θ计算方法如下：

由已知条件设：

(1)

已知：

(2)

(3)

将公式(3)带入(2)结合Δ得：

OA=(r·Δ,-r·tanα·tanβ,r·tanα)

(4)

由ON是实际测量面的法向量可知：

(5)

由公式(5)计算得：

(6)

利用以上计算结果写出实际测量面与水平面夹角θ计算公式如下：

(7)

利用公式(7)可得：

(8)

对计算出的结果进行验证：当α=5°，β=10°时，公式计算出的和利用Soildwork画图后测量出的结果是一致的，即θ=11.2034°。

1.3.2计算高度差

图4　计算高度差示意图

如图4，CD和cd分别为圆环平面的外圆和内圆上的一段，实线部分是整个大圆环均分后的一个扇形区域，图中AN0是扇形区域的左边界Cc与水平面的夹角，AN1是扇形区域的右边界Dd与水平面的夹角。 计算高度差方法如下：同样的结合图3和图4，不难得知Cc和Dd的向量坐标：

(9)

因为ON是实际测量面(CcDd)的法向量，所以：

(10)

结合公式(5)和(8)计算得：

(11)

求出AN0和AN1之后，内圆环相邻两点的高度差计算公式为：

(12)

外圆和内圆半径方向上的高度差为:

Zn=(R-r)·sinAN1n

(13)

圆环面相对于水平面总体相对高度差为：

Hn=hn+Zn=hn+(R-r)·sinAN1n

(14)

对计算得到的结果进行验证：

当α=5°，β=10°,γ=5°时，计算的结果和用Soildwork画图测量得到的结果一样：AN0=9.53°,AN1=10.4°,h=15.73mm,Z=34.08mm。

利用以上计算结果结合LabVIEW软件编程就可以计算出要求的水平度和平面度以及锥形度的值。

2　系统的实现与显示

2.1系统实现

系统的实现主要是依赖于以下五个部分：硬件初始化模块，如传感器校正；数据采样模块，结果分析模块，保存结果模块和退出软件模块。硬件初始化模块对与检测相关的硬件进行初始化和校正，数据采样模块采集大圆环一周的X轴和Y轴的倾斜角度数据，结果分析模块对采集的数据进行分析处理，并将结果显示在前面板上。

2.2系统界面与试验结果显示

大圆环平面检测系统界面和结果显示如下图5所示。

图5　系统界面图

主界面如图5所示，分为两个部分：左边的控制部分和右边的显示部分，显示部分是通过点击控制部分才显示相应的模块，如图5中，当点击左边的“结果分析与显示”,右边就会显示如图6的结果分析面板。如图6所示，为该系统在我公司车间内的圆环平面(直径5m)上进行试验的结果：倾角传感器随同加工装置正转一周采集一组数据，经过数据分析与处理，得到水平度、平面度和锥形度的值，并展示XY轴倾角和Z轴高度差的变化规律，同时模拟出当前情况下的大圆环平面，结果形象直观，便于分析。

图6　结果分析模块

3　总结

(1)选用价格合理的ACA2000T系列高精度2轴倾角传感器，非接触式的安装特性使其具有卓越的系统集成性，只需用螺丝将其固定即可进行数据采集并自动计算平面的X轴和Y轴倾角。使用简单，无需找回相对变化的两个面安装，为在线检测系统的研发提供了极大地方便。

(2)利用坐标向量法结合Soildwork绘图计算与验证角度和高度，结果准确可靠，误差小。

(3)利用LabVIEW平台及尽量少的硬件和软件设备完成了在线检测系统的开发。该系统便于调试和直观的反馈检测结果，经过一次数据采集，便可得到平面度、水平度和锥形度的值，极大地提高了检测效率。经过更多的实验验证，分析与改进，该系统可以应用到更多的生产实际中去。

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(编辑李秀敏)

The Research and the Development of On-line Measuring System for Large

Circular Plane Based on LabVIEW

LIU Jun1, ZHANG Ping1, ZHANG Guo-gen2, LI Xin-tao2

As the big circle plane between 5000～20000mm exist the problem that the precision is difficult to ensure during the machining process. Based on the analysis and study of the key problems, the method of high precision electronic sensor was used to collect the dates and computer software was used to analyze and calculate, then a set of test scheme was proposed which was based on angle senor and tilt angle senor combine with servo motor movement control and also treated Labview as it’s core. Finally, a set of high precision on-line detection system was developed which can detect the parameters of large circular plane quickly. It can get the value of flatness, levelness and conicity by analyzing, calculating and processing the collected dates with mathematical algorithm. The system is suitable for quality control of manufacture progress with its high efficiency.

large circular plane; LabVIEW; on-line detection

1001-2265(2016)07-0111-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.032

2015-08-15；

2015-09-18

刘俊(1989—)，女，河南信阳人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为数控技术与测试控制，(E-mail)729603720@qq.com。

TH166;TG506

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