摘 要:在氣動(dòng)測量理論的基礎上,對機械零件內孔進(jìn)行非接觸精密測量,并對系統進(jìn)行硬件和軟件總體設計,包括數據采集、數據分析、誤差分析.實(shí)現了以氣動(dòng)量?jì)x為核心部件,計算機為輔助工具對零件內孔的高精度測量.
孔類(lèi)零件是機械零件中很重要的一類(lèi),廣泛存在于國民經(jīng)濟中的各個(gè)行業(yè),例如汽車(chē)行業(yè)中的柴油發(fā)動(dòng)機燃油系統的噴油嘴偶件就是很重要的孔類(lèi)零件.很多零件內孔配合精度要求高,對于圖1所示的5種內孔的形狀,在生產(chǎn)現場(chǎng)的檢測中往往測量困難,測量精度不高.
氣動(dòng)測量是一種應用較廣泛的精密測量技術(shù),常用的氣動(dòng)量?jì)x根據測量原理可分為流量式和壓力式兩大類(lèi).數字化氣動(dòng)測量技術(shù)是一項集氣動(dòng)、電子、微機與檢測技術(shù)于一體的機電一體化新技術(shù)[1],既有氣動(dòng)測量非接觸、精度高、穩定性好的長(cháng)處,又有測量結果數字化的優(yōu)點(diǎn),可方便地進(jìn)行數據分析處理、數字顯示與打印等.
1 數字化氣動(dòng)檢測系統測量原理
1.1 系統總體設計方案
數字化氣動(dòng)測量系統總體設計方案如圖2所示,它包括氣動(dòng)測量、氣電轉換、數據采集和處理等部分.
1.2 差壓式氣動(dòng)測量的基本原理
目前,氣動(dòng)在線(xiàn)檢測系統中普遍采用背壓式和差壓式兩種測量方法.單純壓力式測量有它的缺點(diǎn),即對氣源要求過(guò)高,否則當噴嘴與工件之間的距離改變時(shí),氣源壓力一旦發(fā)生波動(dòng),工作壓力就會(huì )發(fā)生變化,從而造成測量誤差,破壞量?jì)x的穩定性[2].而采用差壓式測量就可解決這一問(wèn)題,并能改善量?jì)x的性能.所以本系統中用差壓式測量技術(shù).
差壓式氣動(dòng)測量氣路原理圖如圖3所示.測量回路由兩個(gè)背壓回路組成,測量時(shí)兩個(gè)背壓回路處于相同的環(huán)境壓力和溫度下,使外界環(huán)境（壓力、溫度和濕度等）對測量的影響降到小,測量精度高、穩定性好[3].
空壓機1將壓縮的空氣送至濾清器2過(guò)濾灰塵、水、油等雜質(zhì)后進(jìn)入氣閥3和穩壓器4,穩壓器的輸出壓力為p0.測量時(shí)通過(guò)兩個(gè)直徑相同的節流孔5、6同時(shí)向兩個(gè)回路輸入相同壓力的氣體,一路經(jīng)節流器5通過(guò)調零閥8流入大氣,另一路經(jīng)節流器6通過(guò)測頭與被測零件間縫隙流入大氣[4].回路1是平衡壓力,回路2是測量壓力,連接兩回路之間的壓力變送器7采集測量壓力與平衡壓力的差值$p=p2-p1作為被測信號,經(jīng)放大后輸出就可測得被測參數S的大小.
2 數據采集系統的組成
2.1 采集系統的硬件構成
原始數據的取得采用電子柱氣電測微儀DZL-3-50.電子柱氣電測微儀根據差壓式氣動(dòng)測量原理與電感式壓力傳感器配套使用,將測得的壓力通過(guò)傳感器轉換為電信號,作為下一步處理的信號源.電子柱氣電測微儀DZL-3-50的主要性能如下:信號支持繼電器輸出、OC門(mén)輸出、BCD輸出;通信接口支持RS232或RS485;支持I/O輸出功能;可編程控制.
數字信號的采集采用PCI-8335B數采卡.PCI-8335B數據采集卡是一款PCI總線(xiàn)的多功能數據采集卡,其中包括5種常用的測量和控制功能:12位A/D轉換、D/A轉換、數字量輸入、數字量輸出及計數器/定時(shí)器功能;提供了TTL電平的12路數字量輸入和14路數字量輸出信號通道及2路16位計數器,這些信號通道由卡后端40芯扁平電纜轉換為37芯D型插頭提供給用戶(hù).
2.2 數據采集方法
數據采集卡的編程方式主要有以下3種:軟件觸發(fā)方式、中斷方式和DMA方式.
軟件觸發(fā)方式實(shí)際上就是采用系統提供的毫秒精度等級以上的時(shí)鐘,通過(guò)對寄存器的查詢(xún)來(lái)實(shí)現數據采集,由于其數據采集速度比較慢,多用于低速數據采集場(chǎng)合.中斷方式需要編寫(xiě)中斷服務(wù)程序,將板卡上的數據傳到預先定義好的內存變量中,每次A/D轉換結束后,EOC信號都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷,然后由中斷服務(wù)程序完成數據傳輸,但是要確定中斷級別[5].DMA方式應用比較復雜,但是由于不需要CPU參與,所以適合應用于大量數據的高速采集,和中斷方式一樣,也要DM*別[3].
2.3 數據采集編程
基于本系統的需要,選擇中斷方式來(lái)完成對數據采集卡編程.中泰PCI-8335B數據采集卡設備驅動(dòng)程序支持Visual C++6.0.通過(guò)DRV_FAI-IntStart函數啟動(dòng)中斷功能,此功能運行于后臺,可以使用DRV_FAICheck函數檢查工作狀態(tài),同時(shí)可以使用DRV_FAITransfer函數傳輸數據.當工作結束,或者在其它任何時(shí)刻,都可以采用DRV_FAIStop來(lái)停止工作.
為了防止在數據采集時(shí)丟失數據（特別是在像Windows這樣的多任務(wù)操作系統下）,通常板卡完成A/D轉換后,將數據寫(xiě)人到數據輸出寄存器中,接著(zhù)使用中斷服務(wù)功能將數據傳輸到CPU/內存,所以PCI-8335B數據采集卡添加了FIFO功能.如果沒(méi)有FIFO功能,當每一次硬件完成A/D轉換后,會(huì )改寫(xiě)保存在數據寄存器中的值,從而造成數據的丟失,使用FIFO功能后,使得新數據會(huì )存到緩沖區中.
數據采集編程工程中將程序分成4個(gè)模塊進(jìn)行編寫(xiě),添加4個(gè)成員功能函數,分別為kaOpen（）,DCollect（）, kaClose（）, Daist（）.數據采集模塊的具體編程設計如下:
在kaOpen函數中,首先初始化定義變量,將變量設定初值,具體數據參考表1.初始化變量以后,定義一個(gè)數組并清零,用這個(gè)數組存放數據.為了在打開(kāi)數據采集卡時(shí)能夠及時(shí)地發(fā)現錯誤,編寫(xiě)了錯誤判斷語(yǔ)句,如果數據采集卡沒(méi)有反應,可通過(guò)這些判斷語(yǔ)句發(fā)現什么地方出現錯誤,并通過(guò)警告信息提示.
ErrCde = DRV _ DeviceOpen （ DeviceList[gwDevice]. dwDeviceNum, （LONG far *） &DHandle ）的功能是將數據采集卡打開(kāi),打開(kāi)設備的操作是在使用設備進(jìn)行數據采集等編程操作之前必須進(jìn)行的.為了得知數據采集是否打開(kāi),DRV_DeviceOpen函數的返回值為一個(gè)設備打開(kāi)成功或失敗的標記,通過(guò)程序中的if語(yǔ)句來(lái)判斷,如果打開(kāi)卡不成功,我們可以很容易知道什么地方出錯,并通過(guò)消息框將錯誤顯示出來(lái).
實(shí)現功能取得設備設置的代碼如下:
ptDevFeatures. buffer = （ LPDEVFEA-TURES）&DevFeatures;
ptDevFeatures. size = sizeof （DEVFEA-TURES）;
if （（ErrCde = DRV _ DeviceGetFeatures（ DHandle, （ LPT _ DeviceGetFeatures ）&ptDevFeatures））! =SUCCESS）
{
AfxMessageBox（/不能獲得設備特征0）;
DRV_DeviceClose（&DHandle）;
return;
}
初始化ptDevFeature結構變量中的變量buff-er,size.然后調用DRV_DeviceGetFeatures,通過(guò)DriverHandle參數取得該設備的設置,其他語(yǔ)句進(jìn)行出錯判斷.
3 系統的軟件部分組成
系統的主要功能模塊如下:
（1）系統初始化模塊:為確保電氣系統在測量時(shí)的安全及采集精度,首先運行自檢程序,應確保系統地線(xiàn)接地良好,如果沒(méi)有接地,則報警;檢查氣源壓力是否在0.4~0.8MPa,若低于或者高于工作氣壓,則報警.
（2）檢測設置模塊:為了對不同尺寸檔的工件進(jìn)行測量,就必須使用不同的測量頭.
（3）測試和測量模塊:該模塊分為手動(dòng)和自動(dòng)測量.手動(dòng)測量時(shí)被測件套在測頭上,啟動(dòng)測量系統采集數據;自動(dòng)測量時(shí)數據采集卡始終處在開(kāi)放狀態(tài),當被測件放入工作臺,電壓保持穩定時(shí)自動(dòng)測得數據.
（4）數據統計與分析模塊:通過(guò)采集的數據可以計算零件的圓度、錐度等參數;調用存儲的數據進(jìn)行統計分析,用數理統計的方法對數據進(jìn)行處理,能夠進(jìn)行平均值和標準差值的計算,分析加工工件的尺寸變化規律,還能夠對工件尺寸進(jìn)行設定,通過(guò)圖形查看是否存在不合格品.
4 實(shí)驗數據與結果分析
被測工件為一液壓閥體,孔徑<20+0.0230,孔長(cháng)為80mm,大批量生產(chǎn),錐度要求小于27×10-6,同時(shí)測出孔徑和錐度.在相同條件下依次對20個(gè)工件連續進(jìn)行等精度測量,測得孔徑及錐度見(jiàn)表1,表1中數據加零件基本尺寸20×10-3mm為測量的實(shí)際孔徑大小.
實(shí)驗表明,這20個(gè)零件中在第8個(gè)零件測量時(shí)孔徑差大于2Lm,錐度不滿(mǎn)足產(chǎn)品小于27×10-6的要求,屬于不合格產(chǎn)品,其余均屬于合格品.
5 結束語(yǔ)
采用差壓式氣動(dòng)原理對零件內孔進(jìn)行自動(dòng)測量,度高,轉換速度快,系統結構簡(jiǎn)單,輸出電信號便于后續處理.若利用計算機進(jìn)行數據處理,可方便地實(shí)現數據統計分析,從而構成智能化自動(dòng)測量系統,可大大提高測量自動(dòng)化程度和測量效率.
參考文獻:
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作者：牛賈睿 楊慕升
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