軸線直線度誤差虛擬測量儀的研制_圖文

1、收稿日期:2006-03-16基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目 (20032017 作者簡介:陳立杰 (1964- , 女, 遼寧錦州人, 東北大學(xué)副教授, 博士 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !F eb. 2007軸線直線度誤差虛擬測量儀的研制陳立杰,田文元,張鐳(東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110004摘要:利用美國 N I 公司的 L ab w i ndow s

2、/CV I 為軟件開發(fā)平臺,結(jié)合實驗室現(xiàn)有的測量條件和基于 PC 的數(shù)據(jù)采集卡, 開發(fā)研制了軸線直線度誤差虛擬測量儀 該儀器將形位誤差測量技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合, 用軸線直線度誤差的最小二乘評定法、 最小區(qū)域評定法, 解決了軸線直線度誤差的測量問題 并且將誤差圖形 在屏幕上形象、 直觀地顯示出來, 有利于分析誤差產(chǎn)生的原因, 以便控制制造誤差 該儀器測量精度高, 工作穩(wěn) 定, 制造成本低, 并具有良好的功能擴展能力, 既可用于實驗教學(xué), 又可用于生產(chǎn)實際 關(guān)鍵詞:虛擬儀器; 軸線直線度誤差; 測量儀; 最小二乘評定法; 最小區(qū)域評定法中圖分類號:tB 921文獻標識碼:A文章編號:1005-

3、3026(2007 02-0250-04D evel o p m ent of V irt ual M easuri n g Instru m entf or AxisS trai g ht ness e rrorCENl i-j ie , T I AN W en-y uan , ZANGl ei(Schoo l o f M echan ical En g i neeri n g &A utom ation , N ort heastern u n iVers it y , S hen y an g 110004, Ch i na . C orres p ondent :CENL i-

4、j ie , E -m ail :L i j chen ! m ail .neu .edu .cn Abstract :the m easuri n g i nstru m ent w as deVelo p ed on t he latest so ft w are p latf or m L ab w i ndow s/CV I su pp lied b y an Am erican com p an y , i .e. , t he N ational I nstru m ents , w it h t he data ac C uisition card and ex isti n g

5、 lab a pp arat us used as hard w are p latf or m. the Virt ual m easuri n g i nstru m ent com bi nes t he techno lo gy to m easure t he f or m p osition error w it h Virt ual i nstru m ent to eVal uate t he ax is strai g ht ness error b y least s C uare m et hod and m i ni m u mzone esti m ation. th

6、en , t he i m a g e o f ax is strai g ht ness error is able to dis p la y on screen Visuall y , t hus anal y zi n g t he cause o f ax is strai g ht ness error . the m easuri n g i nstru m ent has t he adVanta g es o f hi g h accurac y , reliable and stable o p eration and low cost , es p eciall y t

7、he excellent f unction ex p andabilit y . It is aVailable to lab teachi n g and i ndustrial a pp lications.K e y words :Virt ual i nstru m ent ; ax is strai g ht ness error ; m easuri n g i nstru m ent ; least s C uare m et hod ; m i ni m u m zone m et hod 機械零件的軸線直線度誤差對機械產(chǎn)品的質(zhì) 量有很大影響 準確地求得軸線直線度誤差數(shù)值,

8、對保證和提高機械產(chǎn)品的質(zhì)量十分重要 1-2 目 前, 測量軸線直線度誤差可以用智能形位誤差測量儀, 但這種儀器成本高且不能進行功能擴展 3-4虛擬儀器的核心是利用計算機所具有的高速 計算吞吐能力和計算機環(huán)境下豐富的系統(tǒng)資源, 將原來用硬件設(shè)備完成的功能轉(zhuǎn)化為用計算機軟 件來解決, 這就是所謂 “軟件就是儀器” 的測量理念 5-6由于采用了軟件設(shè)計技術(shù), 大大降低了 測量系統(tǒng)的成本, 同時對于測量信號的處理更具 靈活性 虛擬儀器突破了傳統(tǒng)智能化形位誤差測 量儀在數(shù)據(jù)處理、 顯示、 傳輸、 存儲等方面的限制, 用戶可方便地進行功能擴展 查閱現(xiàn)有的國內(nèi)外資料, 并未發(fā)現(xiàn)將虛擬儀 器技術(shù)應(yīng)用于形位誤差

9、測量方面的報道 因此, 研 制形位誤差虛擬測量儀具有重要的現(xiàn)實意義 1理論基礎(chǔ)軸線直線度誤差是指包容被測實際軸線的理想圓柱面的直徑 7根據(jù)確定理想圓柱面軸線方 法的不同, 常用的有兩種評定軸線直線度誤差的最小二乘評定法及誤差圖形的數(shù)學(xué)模型 如圖 l 所示, Z 坐標軸為測量時被測件的回 轉(zhuǎn)軸線, 將被測要素分成與 Z 坐標軸垂直的彼此 等距的 m 個采樣截面, XoY 坐標平面與被測要 素的各離散采樣截面的對稱中心平面相重合, 在 每個采樣截面內(nèi)的被測輪廓上有 n 個等角度間 隔的采樣點, 由每一采樣截面內(nèi)的 n 個采樣點可 以確定被測輪廓的最小二乘圓圓心 o i , 被測實際 軸線就由 m

10、個采樣截面內(nèi)的最小二乘圓圓心所 連成的空間折線來體現(xiàn) L 為被測實際軸線的最 小二乘軸線, 它通過 XoY 平面上的點 o l (a , b , , 它的方向向量為 ! =(g , l , l 每個采樣截面 內(nèi)被測輪廓的最小二乘圓圓心 o i (a i , b i , z i (i =l , 2, m 的坐標為 a i =n nj =l! r i j cOs ! i j , b i =nnj =l! r i j si n ! i j , z i =z i L 的方程為 o =a +g z ,y =b +lz , z =z 圖 1軸線直線度誤差評定原理圖Pri nc i P l e o f ev

11、a l uati n 9axi s s tr a i 9ht ness e rr o r根據(jù)圖中的幾何關(guān)系和最小二乘法原理8, 可求得 a =m m i =l a i , b =m mi =lb i , g = m a i z imi =lz2i, l = mb i z imi =lz2i點 o i 到 L 的距離為r i = ! 軸線直線度誤差值f =2r m ax 為了清晰地顯示誤差圖形, 將 a i , b i 放大或縮小 M 倍(一般為幾倍 , 為了能清晰反映出構(gòu)成 實際軸線的各點, 將 z i 放大或縮小 N 倍 (一般為幾倍 根據(jù)計算機圖形學(xué)原理, 在屏幕坐標系中構(gòu) 成實際軸線的各

12、點 o i 的坐標為X i =(M a i +Nz i cOs3 ,Y i =Mb i +(M a i -Nz i si n3 在屏幕坐標系中包容被測實際軸線的理想圓 柱面的軸線 L 的方程為X =a +(g +l Nz cOs3 ,Y =b +a si n3 +(g -l si n3 +l Nz 半徑為 r =M f /最小區(qū)域評定法及誤差圖形的數(shù)學(xué)模型 令F =F (a , b , g ,l =r m ax 若改變 a , b , g ,l 的值, 則目標函數(shù) F 將隨 之改變 當(dāng)改變 a , b , g ,l 使 F 達到極小值 (即 m i n F =F (a/, b/, g /, l

13、/ 時, 已符合按最小區(qū)域 評定法評定軸線直線度誤差的規(guī)定 軸線直線度誤差值 f /=2mi n F =2 , i =l , 2, m 在屏幕坐標系中包容被測實際軸線的理想圓 柱面的軸線 L 的方程為X =a/+(g /+l Nz cOs3 , Y =b/+a/si n3 +(g /-l si n3 +l/Nz ; 半徑為 r =M f /2 2測量儀的組成測量儀簡介圖 2為虛擬軸線直線度誤差測量儀總體結(jié)構(gòu)示意圖 被測零件放在兩頂尖之間, 由步進電機 l 帶動旋轉(zhuǎn), 步進電機 2驅(qū)動橫向絲杠, 控制測頭的 軸向運動, 步進電機 3驅(qū)動縱向絲杠控制測頭的 徑向快速運動, 步進電機 4用于電感測微

14、儀的調(diào) 零 電感測微儀將半徑變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號, 經(jīng) l52第 2期陳立杰等:軸線直線度誤差虛擬測量儀的研制過放大濾波電路、 采樣保持電路、 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路,在軟件系統(tǒng)的控制下, 將數(shù)字信號輸入計算機 在計算機中進行數(shù)據(jù)分析和處理 圖 2測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖F i g .2La y out o f t he i ns tr u ment選擇美國 N I 公司的 L ab w i ndow s /CV I 為軟 件開發(fā)平臺, L ab w i ndow s /CV I 是基于 C /C +的專門用于虛擬儀器及過程控制的可視化編程語 言 它具有良好的用戶界面和強大的數(shù)據(jù)處理能 力 虛擬軸線直線度

15、誤差測量儀軟件主要有儀器 軟面板控制軟件、 數(shù)據(jù)分析處理軟件、 測量儀驅(qū)動 軟件和 I /0接口軟件 儀器軟面板控制軟件即測試管理層, 是用戶 與測量儀之間交流信息的紐帶 圖 3為測量儀軟 面板 9-10 用戶用鼠標或鍵盤操作軟面板上的按 鈕、 開關(guān)、 滑桿等就可以控制整個測量儀 圖 3測量儀軟面板 F i g .3B r eadboar d o f t he i ns tr u ment數(shù)據(jù)分析處理軟件是用前述的數(shù)學(xué)模型將采 集的數(shù)據(jù)進行分析處理并將軸線直線度誤差圖形 顯示出來 儀器驅(qū)動軟件和 I /0接口軟件是用來控制 儀器硬件的 3實驗結(jié)果選取直徑為 60mm 長 200mm 的軸, 分

16、別用 虛擬軸線直線度誤差測量儀和形位誤差綜合測量 儀進 行 實 測, 結(jié) 果 分 別 為 2. 43, 2. 52, 2. 23和252東北大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版 第 28 卷2. 46, 2. 67, 2. 45! m 實測結(jié)果基本吻合 4結(jié) 論(1 虛擬軸線直線度誤差測量儀能穩(wěn)定可靠 地測量軸線直線度誤差值 并能顯示出軸線直線 度誤差圖形, 以便分析誤差產(chǎn)生原因, 控制誤差產(chǎn) 生 和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合可實現(xiàn)一機多用 (2 用軟面板控制整個測量儀, 方便、 靈活, 縮短了測量儀的開發(fā)時間, 降低了制造成本, 有利 于測量儀功能擴展 (3在此測量儀的基礎(chǔ)上, 進行軟件功能的 擴展, 可開發(fā)形

17、位誤差其他項目的測量儀 參考文獻:1uan g S T, F an K C, W u J .A new m i n i m u m Zone m et hod f or eValuati n g strai g htness error J . Precision En g ineerin g , 1993,15(3 :158-165.2U t p al R , Xu Y X. F or mand orientation to lerance anal y s is f or c y li ndrical surf aces i n com p uter-ai ded i ns p ectio

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24、sti n :N ational I nstru m ents C or p oration , 1998:16-32.352第 2期 陳立杰等:軸線直線度誤差虛擬測量儀的研制 軸線直線度誤差虛擬測量儀的研制作者:陳立杰 , 田文元 , 張鐳 , CHEN Li-jie, TIAN Wen-yuan, ZHANG Lei作者單位:東北大學(xué),機械工程與自動化學(xué)院,遼寧,沈陽,110004刊名:東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 英文刊名:JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE年,卷(期:2007,28(2被引用次數(shù):2次參考文獻(10條1. H

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