基于labview的柔性幾何量虛擬量儀的開發(fā)

自20世紀(jì)80年代以來，虛擬儀器技術(shù)在廣泛的能源、振動等檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，直接應(yīng)用于幾何檢測領(lǐng)域（包括大小、形狀誤差和運動誤差）的虛擬儀器技術(shù)有很多困難。這是因為幾何測量嚴(yán)格需要對傳感器和測量對象之間的相對空間關(guān)系，以及測量基準(zhǔn)或基準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)）。本研究借鑒虛擬儀器的理念,立足于誤差分離的方法,在虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW上,試作以軟件的方式實現(xiàn)可柔性地適應(yīng)不同工件的形狀誤差和不同裝備的運動誤差的在機(onmachine)測量與分離,以及數(shù)據(jù)后處理和評定。經(jīng)過實際測量操作驗證,其測量結(jié)果與從傳統(tǒng)的實體量儀獲得的結(jié)果基本無異,為最終開發(fā)出更廣泛意義下的柔性幾何量虛擬量儀進行了預(yù)研。1形狀誤差的測量算法描述進行高精度在機測量時,測量操作中產(chǎn)生的誤差通常都包含工件的形狀誤差和加工機(或測量機)的運動誤差等。其中形狀誤差有圓度、直線度、平面度、圓柱度誤差等,運動誤差有平動誤差、轉(zhuǎn)動誤差等。誤差分離(ES,errorseparation)方法采用多個傳感器(或單個傳感器的多次轉(zhuǎn)位或移步)對工件進行測量,能夠?qū)崿F(xiàn)工件的形狀誤差與加工機(或測量機)的運動誤差測量與分離。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過近40年的研究,提出各有特點的幾十種不同誤差分離方法,為了納入統(tǒng)一的虛擬幾何量儀系統(tǒng),筆者提出了“一維和多維誤差分離技術(shù)的統(tǒng)一理論”,原理如下:一維和多維誤差分離的測量讀數(shù)方程可以統(tǒng)一表達(dá)為Z=AH+BΔ(1)式中,Z為多通道傳感器讀數(shù)信號列向量;A、B分別為被測工件形狀誤差映射矩陣和加工機(或測量機)運動誤差映射矩陣;H、Δ分別為形狀誤差列向量和運動誤差列向量。人為的設(shè)置一個權(quán)值系數(shù)行向量C,使之左乘式(1)的兩端,可得CZ=CAH+CBΔ(2)然后對上式進行下列的兩次分離操作,即可分離出形狀誤差或運動誤差,這里以先分離形狀誤差的一維誤差分離技術(shù)為例進行說明:①首次操作。合理選擇C使式(2)中CBΔ=0,可先消除各運動誤差分量的影響,得到只包含形狀誤差的組合信號方程CZ=CAH(3)②二次操作。按照頻域法或時域法進行操作,當(dāng)采用頻域法時,對上式進行離散Fourier變換(DFT),記Z(k)=DFT[h(n)],H(k)=DFT[h(n)],則有Z(k)=H(k)G(k)(4)式中,G(k)為測量和分離系統(tǒng)的權(quán)函數(shù),它只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),表示了測量與分離系統(tǒng)的傳遞特性。當(dāng)G(k)≠0,有H(k)=Z(k)/G(k)(5)對式(5)進行離散Fourier逆變換(IDFT),最終可以得到工件形狀誤差h(n)=IDFT[H(k)](6)例如,上述測量和分離過程具體化到測量圓度或者直線度時,就分別為求解下列方程的過程。①圓度三點法:???z0(n)z1(n)z2(n)???=???100010001??????h(n+p0)h(n+p1)h(n+p2)???+???cos(p0?Δθ)cos(p1?Δθ)cos(p2?Δθ)sin(p0?Δθ)sin(p1?Δθ)sin(p2?Δθ)??????δx(n)δy(n)???(7)②直線頻域三點法:???z0(n)z1(n)z2(n)???=???100010001??????h(n+p0)h(n+p1)h(n+p2)???+???111p0?Δlp1?Δlp2?Δl???[δ(n)γ(n)](8)上兩式中pi為傳感器安裝間隔;Δθ=2π/N,Δl=L/N為采樣間隔;N為總采樣點數(shù);L為被測量長度。2運動誤差的測量本研究試行開發(fā)的虛擬量儀系統(tǒng)主要用于工件形狀誤差和裝備運動部件運動誤差的測量,和一般的虛擬量儀相似,由計算機、儀器硬件、應(yīng)用軟件組成。2.1數(shù)據(jù)采集、傳輸和預(yù)處理硬件總體框架如圖1所示。主要由計算機和儀器硬件組成,前者包括微處理器、存儲器、顯示器等,主要用于實時高效的數(shù)據(jù)采集、傳輸和預(yù)處理,為后期處理提供可靠數(shù)據(jù)。儀器硬件包括各種傳感器、測量架和通用標(biāo)準(zhǔn)總線接口,例如插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ),主要完成信號的采集和傳輸。由于數(shù)據(jù)采集時要求在機床或測量機的主軸每轉(zhuǎn)動一個指定角度或工作臺每移動一個指定長度時采集一次,因此需要有編碼器或漏光盤等同步觸發(fā)設(shè)備來提供外部時鐘控制。2.2子任務(wù)的控制本系統(tǒng)是在美國國家儀器公司出品的LabVIEW平臺上編制的,可運行于Windows平臺和其他操作平臺上。軟件開發(fā)時要針對眾多不同的測量對象選擇相應(yīng)的方法,并按照模塊化設(shè)計的理念把測試任務(wù)分解成一系列的子任務(wù),每一項子任務(wù)還可以分解為更小的子任務(wù),直至把一項復(fù)雜的測試任務(wù)分解為一系列最低層的子任務(wù)。各個子任務(wù)以組件模塊的形式開發(fā)出來,作為一個獨立的模塊嵌入到整個軟件系統(tǒng)中,框圖如圖2?？梢钥闯?流程中各模塊之間是緊密相連的,為提高測量和分離精度,首先需通過參數(shù)設(shè)計模塊設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)參數(shù),然后采樣邏輯模塊才能控制傳感器等硬件進行數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)采集模塊所獲得的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過濾波和同步平均模塊消除干擾和隨機誤差?！邦l域誤差分離模塊”或“時域誤差分離模塊”利用了前面數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果和參數(shù)設(shè)計模塊中的權(quán)函數(shù)計算結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示和存儲模塊可以對計算結(jié)果進行圖形和打印輸出,并保存為數(shù)據(jù)文件。此外,該軟件提供多窗口多任務(wù)運行環(huán)境,有良好的用戶界面。3測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理在MG1432B高精度磨床上對Φ65mm×600mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)芯棒的外圓輪廓及母線分別進行了實測與分離,用以對已試作的虛擬幾何量儀系統(tǒng)進行運行考核,驗證系統(tǒng)的正確性和有效性。測量前,須在虛擬幾何量儀軟件系統(tǒng)引導(dǎo)下,以人機對話方式根據(jù)需要選擇合理的測量方法,合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),以便避免或減少諧波抑制現(xiàn)象的發(fā)生,據(jù)此安裝和布置傳感器;測量時,線位移傳感器采用了自帶濾波放大功能的DBG-5型電感測微儀;外部時鐘采用漏光盤轉(zhuǎn)角脈沖信號控制;傳感器采集到的信號經(jīng)過放大、濾波等前置調(diào)理后,通過CB-68LP轉(zhuǎn)接板和R68帶狀電纜把信號傳輸?shù)轿挥谟嬎銠C主板PCI插槽的PCI-6024E(NI產(chǎn)品)多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡上,然后再利用軟件進行數(shù)據(jù)的后處理操作。對外圓輪廓進行測量時,沿圓周方向徑向布置3個傳感器,每周采樣點數(shù)N=128,各傳感器安裝間隔為p0=0,p1=32,p2=63;對母線進行測量時,沿母線平行布置3個傳感器,測量長度L=320mm,采樣點數(shù)N=64,傳感器安裝間隔為p0=0,p1=8,p2=13。對于各傳感器采集到的數(shù)據(jù),可直接傳到計算機工作站中利用軟件進行實時誤差分離處理并通過屏幕或者打印機顯示輸出,所獲得的圓度頻域三點法EST分離結(jié)果如圖3所示,其中,圖3左邊部分分別為傳感器組輸出結(jié)果、圓度形狀誤差h(n)、主軸回轉(zhuǎn)運動誤差的x軸分量δx(n)以及y軸分量δy(n)在直角坐標(biāo)系上的顯示結(jié)果,右邊相應(yīng)為極坐標(biāo)系顯示結(jié)果。所獲得的直線頻域三點法EST結(jié)果如圖4所示,其中,圖4左上為傳感器組輸出結(jié)果,右上為形狀誤差h(n),左下為直行運動誤差的平動分量δ(n),