基于虚拟测量技术的模块化测量系统研制

王 斌，孙 睿

（核工业理化工程研究院，天津300180）

0 引言

虚拟仪器（Visual Instrument，VI）是指一个以计算机为核心部件、以虚拟控制面板为标志的测量和实验装置，它主要被用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。在以PC机为基础的虚拟仪器中，一个典型的虚拟仪器系统包括：计算机、VI软件、数据采集卡、硬件接口、传感器和连接电缆等。虚拟仪器己经成为越来越多测控人员的最佳选择，这是因为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测控问题，也可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，可以用于各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统。因此，这些特点都非常适合将其用于开发可满足特殊测量要求的定制化专用检测设备。本文将介绍一种基于虚拟测量技术建立的用于筒状产品几何尺寸及形位公差检测的专用检测设备，该设备采用了结构先进的电感传感器及激光传感器作为信号采集单元，结合被测筒类工件的结构特点和测量需求，设计可满足准确测量采点的定位及驱动装置。通过模块化的信号通道将各种信号采集、处理并输出结果，从而建立了可满足产品设计精度要求的专用检测设备。

1 研究思路

针对被测对象的测量要求，开展信号采集传感器的选型研究及测量定位工装的设计。该工装嵌入测量传感器和电气控制元器件后形成测量平台的机械部分；控制及数据处理硬件集成于PXI系统形成电控部分硬件，并与由LabVIEW G语言开发的专用测量程序实现通信后，构成测量平台的测控部分。

该系统将通过数字信号的输入输出完成对平台机械部分机械动作的监视与控制，模拟信号输入，完成对测量数据信号的采集，并通过软件编制的特定算法将采集的尺寸数据按照相关的国家标准进行计算，最终实现对机械产品质量状况的准确测量。

2 测量定位及驱动装置设计

根据工件设计要求，应以筒体内腔作为测量基准，采用回转测量的方式，同时测量筒体的直径、圆度、壁厚均匀度及垂直度等参数。测量定位及驱动装置采取分步形式进行测量定位，驱动模式为摩擦驱动，如图1所示。

2.1 测量定位机构设计

为了满足测量定位基准设计要求，采取了分步式测量定位方式，测量过程共分为3个步骤：

1）外圆粗定位。该步骤用于对工件进行粗定位，工件以外圆定位放置在外支承定位机构的V型架上，然后由气缸举升至测量位置。当内支承定位机构到位后，外支承定位机构回到初始位置。

2）内孔精定位[1]。采用左右各一套内支承机构以两端内孔三点实现定位，两个固定点，一个浮动点，如图2（a）所示。采用三点式轴承定位方式，固定支撑轴承主要实现工件的内孔定位，浮动涨紧轴承在微型气缸的作用下实现对工件的涨紧固定，满足工件回转采点需要的同时，有效防止工件在回转过程中发生径向偏移而带来的测量误差。

2.2 驱动机构设计

驱动方式为摩擦驱动，如图2（b）所示。摩擦带由气缸驱动下压到位，摩擦带包覆工件外圆并在电机驱动下通过带轮传动，工件则在摩擦力的作用下匀速回转，进而实现传感器的回转采点。

3 信号采集单元设计

根据测量对象的特性要求，确立了电感传感器和激光传感器两种信号采集模块。电感传感器主要完成接触采点的信号采集，激光传感器完成非接触采点的信号采集，分别满足了不同表面加工状态下的信号采集。图3（a）为电感式信号采集机构结构图，图3（b）为激光传感器信号采集原理图。

4 系统硬件设计

系统硬件基于NI公司的PXI平台进行总体设计，PXI平台具备了良好的定时与同步技术，可大大提高测量精度，实现高级触发检测。根据对系统硬件设计要求的研究，确定了包括主控制器、数据采集卡及数字I/O卡等主要硬件。

4.1 A/D数据采集模块设计

考虑到本系统对采集数据的准确性要求，选择差分连接作为接线的方式。采用了如图4所示的连接方式，通过导线将航空插座与NI PXI-6289采集卡的接线盒SCB-68A相连，由于采集卡满足本系统16路差分AI或32路单端AI对于通道数的要求，相比于单端，差分连接能够更好地减少噪声的干扰。

4.2 串口数据采集模块设计

激光传感器的脉冲信号为数字信号，故采用串口通信方式，可在短时间内频繁地向激光传感器发送命令并接收数据，且实现方式更简单。直接将激光传感器驱动器的串口与控制器相连，来完成数据传输。

4.3 I/O控制模块设计

（1）输入控制

输入控制是用于监测机械操作台传输信号的电压变化，将采集的磁性开关信号与开关信号分别与NI PXI-6528采集卡的输入端口正端相连，地端与采集卡各输入端口负端相连。在采集卡某输入端口正负之间并联1000Ω的电阻，根据连线方式电阻两边的电压即信号电压，采集卡测量电阻电压从而获得信号电压。输入控制对信号状态监测的连接方式如图5所示。

（2）输出控制

输出控制将机械控制台的电磁阀线路的两端连入对应的继电器常开点的两端，通过将NI PXI-6528采集卡的输出通道连入对应继电器的供电线路，可实现指定通道对指定电磁阀的控制。即由采集卡控制继电器的供电状况，从而控制继电器常开常闭点的状态，当继电器通电从而常开点变为常闭点时，电磁阀线路通电产生机械动作。输出端对电磁阀的控制原理与连接方式如图6所示。

5 测控软件设计

系统软件采用LabVIEW程序开发平台，该开发平台由NI公司开发，与所选硬件具有很好的兼容性。因此，系统整体稳定性更好，同时具备一定的可扩展性，可为后续二次开发和改制创造良好的软件环境。LabVIEW G语言图形化编程语言，其特点是将数据流作为程序编写主线，故编程思想主要围绕数据流向开展，结合测量功能需求开展了下列数据流模块的软件程序设计[2]。

5.1 数据采集模块程序设计

（1）数字信号采集程序设计

数字信号的传输程序如图7所示。根据与采集卡相匹配的通道号与数据类型用DAQmx Create Virtual Channel.vi来创建采集通道，创建完成后用DAQmx Start Task.vi开始采集任务，在停止任务前可以在结构函数（While循环、if循环等）中通过DAQmx Read.vi与DAQmx Write.vi所选择的读取或写入方式进行数据的传输。当传输完毕后，通过DAQmx Stop Task.vi与DAQmx Clear Task.vi来关闭通道并释放系统资源。

（2）模拟信号采集程序设计

由于传感器数据为电压信号，所以通过DAQmx Create Virtual Channel.vi创建通道。在模拟输入中选择电压，设置量程最大值、接线方式与对应的通道数，在用DAQmx Timing.vi来设置采样模式与采样点，创建完成后同样通过DAQmx Start Task.vi开始采集任务，在停止任务前可以在结构函数中通过DAQmx Read.vi所选择的读取方式与采集点数进行数据的采集。模拟信号数据的采集需要添加对采样时钟的设置，当传输任务完毕后，通过 DAQmx Stop Task.vi与 DAQmx Clear Task.vi来关闭通道并释放系统资源。采集程序如图8所示。

（3）串口数据采集程序设计

串口数据是通过仪器I/O选项中串口提供的功能vi进行采集的，采集程序如图9所示。采集前用VISA Configure Serial Port.vi先配置串口的波特率、数据位、奇偶、停止位等参数信息，这些参数需要与激光传感器的串口参数相匹配。在停止任务前可以在结构函数中通过VISA Write.vi发送命令，并在足够的延时后通过VISA Read.vi读取数据，最后通过VISA Close关闭串口。

5.2 系统设置功能模块程序设计

根据系统功能需求，设计了标件设置、公差设置与传感器参数设置3项基本设置功能模块。

根据以上特点设计功能逻辑流程，如图10所示。其中，红色线路表示数据流程，蓝色线路表示逻辑流程。

6 实验结果

6.1 重复性验证实验

选取5个测试样件，分别对5个样件连续测量10次，且每次测量均要求进行重新装卡工件，计算得到10次测量结果的标准差Sg，测量数据统计结果如表1所示。

表1 测量重复性结果统计表Table 1 Statistics of measurement repeatability

6.2 准确度验证实验

选取30个测试样件，分别测量各参数值记为Xi，通过计算Xi与基准值Xm的差，得到设备的示值误差Δ，测量数据及计算结果如表2所示[3]。

表2 测量准确性结果统计表Table 2 Statistical of measurement accuracy

6.3 检测效率

利用该系统对筒状工件进行检测，单件检测时间由原方法的15min减少到6min，检测效率提高了近3倍。

7 结论

本文设计了可满足筒类工件的测量定位机构、驱动机构及信号采集单元，建立了基于PXI平台的测控系统，利用LabVIEW程序开发语言，开发了专用测量应用程序，形成模块化自动测量系统，实现了对筒类工件尺寸及形位误差的综合检测。具体如下：

1）通过设计合理的分步式测量定位机构和摩擦驱动机构，实现了对筒体零件的内腔准确定位，满足测量采点要求。

2）根据测量精度及采点需求，设计可靠的传感器信号采集单元，并应用多种类型的高精度传感器，保证了测量的准确度和重复性。

3）通过设计多通道信号采集模块并集成于PXI平台，构建了稳定的测控系统。利用LabVIEW程序开发语言设计专用测量程序，解决了数据传输、数值计算功能，实现了对工件各参数的准确测量。测量结果表明，系统的重复性及准确性指标均可满足系统精度设计要求。