基于虚拟仪器的圆度误差测量系统设计0上虞

基于虚拟仪器的圆度误差测量系统设计

基于虚拟仪器的圆度误差测量系统设计 圆度误差的存在直接影响着零部件的配合精度、回转精度、摩擦、振动、噪声等，从而降低其使用寿命。现代工业，特别是国防工业的不断发展，对回转工件的圆度误差提出了越来越高的要求，如有些精密机床主轴偏摆要求控制在0．01μm以内，轴向窜动小于0．03μm。随着精密工程技术和尖端技术的迅速发展，圆度误差为5nm一50nm的回转体零件也将被广泛使用。例如，静电悬浮陀螺需要10nm或更精确的转了。因此进一步提高圆度测量的精度是现代科技发展的迫切要求，对保证与提高机器及仪器的质量有重要意义。 圆度误差的评定是建立在轮廓横剖面法基础之上的，圆度误差定义为包容同一横剖面的实际轮廓且半径差为最小的两个同心圆之间的距离。目前，圆度误差的评定主要有四种方法，分别是最小区域法、最小二乘法、最小外接圆法和最大内切圆法。 自从1986年NI公司首先提出了虚拟仪器的概念，虚拟仪器深刻地改变了传统的仪器观念，成为现代计量测试柔件化、智能化发展的一个重要方向。对于几何量测量，虚拟仪器强大的数据处理能力，极大的简化了测量系统的硬件设计，真正实现了仪器功能的软件化，提高了测量的速度和误差评定的自动化水平。本文采用LabⅥEW下台设计了基于虚拟仪器的圆度误差测量系统，可实现圆度误差最小二乘圆评定法算法，提高了圆度仪测量的速度和误差评定的自动化水平。1 测量系统的构成 测量系统由硬件和软件两大部分构成，如图1所示。硬件部分主要完成信号调理及数据采集功能，软件部分为该系统的核心，主要包括数字滤波、数据存储、误差评定以及协同硬件实现测量控制和数据采集的功能。

测量系统的信号调理模块如图2所示。当电感测头与实际被测截而轮廓接触时，实际被测轮廓的半径变化量就可以通过测头反映出来，用交流电桥作为信号调制电路，得到与截而轮廓半径变化量相对应的电压信号，然后经过放大、相敏检波和低通滤波电路，取出圆度误差信号。最后用倍率转换电路将信号放大，以使数据采集卡有满量程输入。

2 数据采集系统设计2．1数据采集硬件的选择 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。为了较好地还原波形，实际工程中选用5～10倍。在本课题中，经过信号调理模块后的信号最高频率是25Hz，所以选择500Hz的采样频率足以满足要求。 传统的圆度仪有62．5、125、250三种标准测杆。当测头装在62．5测杆上，测量范围±O．07mm，测量精度为O．29m。通过实际测量，传感器输出信号为最大时，测头最大测量位移土0．07mm，把传感器最大输出放大到。如测量满量程5V，则当测头径向移动0．2，传感器输出信号电压为14．3mv，即传感器最小输出信号。 设n为A仍转换的位数，Fs为满量程测量电压值，则分辨率S为：取测量电压满量程为5V，则：

求解式(2)，可得n=8。 综上所述，根据实验窄现有条件，选择NI公司的PCI6014数据采集卡。该数据采集卡带有l6位A／D转换器，200kHz采样频率，具有高精度和高稳定性，足以满足测量要求。2.2数据采集软件的设计 在进行数据采集时，在驱动程序的用户接口MAX中对硬件进行各种必要的设置和测试，然后LabⅥEW中的数据采集函数便按照MAX中的设置进行相应操作。通过调用相应数据采集函数，便可实现数据采集程序，如图3所示。

3 圆度误差的评定 圆度误差评定模块主要完成对测量结果的评定和计算，采用不同的评定方法会获得不同的误差值。在各种评定方法中，最小二乘法具有统计意义，应用广泛，在实际测量点有限的情况下不失为一种安全性较好的方法。本文采用最小二乘法确定圆度误差。 设被测零件截而轮廓上第i个测量点的极坐标为Pi(ri，θi)， 则该点至最小二乘圆的径向偏差可表示为：

其中(a，b)为最小二乘圆的圆心坐标，R为最小二乘圆半径。经过进一步的推导可得：

其中

最小二乘法评定圆度误差程序如图4所示，首先读入测量点数据，即截而轮廓上各点的极坐标值，然后再根据式(6)求出最小二乘圆的圆心和半径增量△R。并利用LabVIEW中的公式节点及循环语句，根据求得的圆心坐标(a，b)、截面轮廓半径增量值△ri和各采样点处的角度值口，，利用式(5)即可求出各测点到最小二乘圆的径向偏差s，，进而求出径向偏差εi，的最大值和最小值之差，即圆度误筹。4 结语 本文以LabVIEW作为设计开发平台，设计了基于虚拟仪器的圆度误差测量系统，实现了数据采集，数据分析与处理，实现了圆度误差最小二乘圆评定法算法。所设计的硬件系统能满足测量精度要求，具有较高的测量效率。采用的最小二乘圆评定法算法实用可靠，便于实现LabVIEW编程，因此具有较高的程序执行效率。

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