光滑零件圆弧度在虚拟技术下的测控设计探讨

2022-10-13

圆度误差的存在直接影响零部件的配合精度、旋转精度、摩擦、震动、噪声等, 因而降低了它们的使用寿命。所以近代高精度回转体环形零件, 对圆度误差提出了越来越高的要求。圆度误差测控技术已经广泛引起人们的关注。

1 系统设计

电液伺服系统控制精度高, 响应速度快, 易实现计算机控制, 在实际工程中运用普遍, 实用性强。现有对环形零件圆度误差测控的电液位置伺服系统, 测控部分机械装置由位移传感器、校正液压缸、检测液压缸支撑辊、助动辊和编码器组成。

测控系统主要作用是完成对环形零件圆度误差测试与校正。系统首先通过安装于检测液压缸上的位移传感器将液压缸的位移量转化为电信号, 然后系统通过安装于计算机平台的D A Q硬件对电信号进行采集, 将模拟信号数字化。计算机平台利用其强大的计算与存储能力对信号进行处理, 计算出校正液压缸的调整角度与位移。最后通过串口与控制电路通讯, 再由控制电路操纵电液伺服阀控制液压缸完成圆度误差的校正。

传感器布置于液压缸, 可以将液压缸的位移量转换为电信号, 之后电信号传给调理电路。信号经调理电路滤波放大后, 转换为稳定的、具有较大动态范围的信号, 信号再由数据采集卡 (DAQ) 转换为数字信号。DAQ设备通过PCI总线接口将采集数据传给P C机, 经过运算处理, 得出校正液压缸的调整量。调整量再通过RS2 32接口传给调整电路。调整电路中的微控制器在接收到数据后, 根据数据内容, 操纵电液伺服阀调整校正液压缸的角度和位移。

2 硬件电路的设计

该系统广泛采用虚拟仪器技术, 使得系统结构得到大大的简化并节省了物理仪器资源。系统硬件部分包括调理电路和控制电路。

2.1 调理电路

经由传感器产生的模拟信号往往含有较多的杂波信号, 如果直接对其进行采集, 往往会使采集的数据在较大范围内抖动。为此必须对信号进行滤波操作, 除去其中的高频分量。同时, 电路中还包括放大电路, 对信号进行适当的放大, 合理使用A/D转换电路的动态范围, 使得采集的信号具有更高的精度。滤波电路采用六阶巴特沃斯低通滤波器。巴特沃斯滤波器被称为“最平的滤波器”。其在通带内具有相当平坦的幅频特性, 而在通带外又具有极为陡峭的幅频特性, 是较为理想的滤波器。该系统中采用集成滤波器芯片实现滤波, 并通过参考信号设定截断频率。参考频率为阶段频率50倍 (或100倍) 的TTL电平的时钟信号。由于DAQ硬件具有两个32位计数器, 参考信号由D A Q硬件产生。放大电路采用集成运放芯片构成。同时, 放大电路还具有对放大量自动调整的功能, P C机可以通过DAQ硬件的数字I/O口与放大电路中的数字开关, 调整放大电路中的电阻网络, 在放大器的反馈回路中接入不同的电阻, 达到调整放大量的目的。

2.2 控制电路

控制电路主要功能在于完成与P C机的通讯, 接收来自P C机的信息, 并按照事先约定协议进行解码, 再通过控制器完成对后一级电液伺服阀的控制。控制电路中采用51系列单片机作为控制器。51系列单片机中集成一个UART (通用异步收发器) , 能够方便的与PC机通过RS2 32接口进行通讯。

3 软件设计

对于一个虚拟仪器系统而言, “软件即仪器”。系统的硬件平台都是通用的, 唯有通过不同的软件来实现不同的功能。该系统中, 软件部分可分为:信号调理滤波、D A Q数据采集和实时显示、数据处理计算误差和串口通讯部分。

3.1 信号调理滤波

滤波部分采用六阶巴特沃斯低通滤波器, LabVIEW中滤波器VI分为Express VI, 波形VI和基本功能VI。Express VI包含了包括巴特沃斯低通滤波器在内的针对所有类型的滤波器选项。滤波器VI处于Function-Singnal Analysis子模板中, Filter的参数设置框图有参数设置, 2个预览窗口和预览模式设定区域。

3.2 DAQ数据采集和实时显示

在配置完成Measurement&Automation后, 在LabVIEW中调用相关的函数模块即可实现数据采集。程序实现步骤:首先通过模拟输入VI, AI CONFIG和AI START设定A/D卡的DeviceNumber以及通道号, 并设定采样频率, 然后按照输入计算采样时间, 接下来用AI READ读取A/D采样的位移信号数据并以矩阵形式储存, 最后取出数据在示波器中显示。程序编写过程:All Funtions→NI Measurements→Data A c q u i s i t i o n→A n a l o g I n p u t→A I C O N F I GA I S T A R TA I R E A D。

3.3 数据处理计算误差模块

圆度误差计算:调用数据保存中LabVIEW中的公式节点 (Formula Node) 和数组函数可以实现这个数学模型, 公式节点位于Functions→All Functions→Structu re s子模板上, 数组函数位于F un ct io ns→A l l F u n c t i o n s→A r r a y→A r r a y M a x&Mi n。然后选用L ab VI EW中C on tr o ls>>Expr ess>>Gr aph ind icators>>Expre ss X Y G r a p h。该模块对采集的数据进行保存文件, 然后通过公式节点, 根据圆度误差最小二乘原理, 自动计算出最小二乘法圆度误差及圆心坐标。

本文设计的环形零件圆度误差测控系统能够充分结合L a b V I E W测试方面的优势和电液伺服位置系统控制响应快、精度高的优点, 完成对圆度误差的测试和校正控制。尤其是数据计算和单片机控制部分更是能应用到多种工程实际的误差计算及校正控制, 如轮廓度、曲率半径、机床加工进给量等位移误差量的测控, 具有很强的实际意义。

摘要：本文利用虚拟仪器软件LabVIEW编程, 结合电液位置伺服系统功率大、响应快、精度高等特点, 设计环形零件圆度误差测控系统, 实现圆度的误差检测及校正控制, 缩减实际物理仪器, 节省硬件设备资源的配置。

关键词：零件圆弧度,虚拟技术,测控技术