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新技术!基圆盘圆度偏差的测量系统设计

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-24        点击量:640

双盘式渐开线检测仪上的基圆盘理论上应与被检测渐开线基圆完全一致,但由于基圆盘和检测仪各部件制造、装配偏差的存在,如基圆盘外径偏差、内孔偏差、两端面平行度误差、端面对内孔的垂直度误差、外圆对内孔中心线跳动误差等等,这些因素都会影响齿轮齿廓的检测精度。因此,对基圆盘的圆度误差进行测量对于齿轮齿廓误差分析是十分必要的。

圆度偏差是指回转体在同一正截面上实际被测轮廓相对其理想圆的变动量。对轴盘类零件进行圆度偏差测量是检验该类零件加工质量的重要指标之一。目前,实际工程应用中,圆度偏差测量仪器设备很多。而不同的仪器设备采用不同的圆度偏差评定方法。圆度偏差的评定方法有4种:最小包容区域法,最小外接圆法,最大内切圆法,最小二乘法。在圆度偏差的评定理论方面,国内许多学者的研究水平与国际水平相当。基于在直角坐标系中的最小二乘法推导了一种用于圆度偏差评价的通用算法。提出了一种圆度偏差测量数据采集系统,该系统采用非接触测量,采集圆度偏差数据。

本文在分析测量原理的基础上,着重先容了根据最小二乘法评定圆度偏差原理,采用数据采集卡PCL-818L,基于VC++6.0开发工具编制数据采集和处理App,以实现基圆盘圆度偏差数据采集和处理的自动化。

基圆盘圆度偏差的测量系统设计

测量原理

将被测基圆盘和芯轴安装在径跳检测仪上,在基圆盘的上方装有电感测微仪测头,转动芯轴,通过目测电感测微仪示值,从而测量基圆盘的径向跳动并评定其圆度偏差。

对于基圆盘圆度偏差的测量,由于需要较多的检测数据,手工测量和记录分析数据的方法主要存在以下不足:视觉上的读数偏差;如果检测数量大,人易疲劳、效率低。现利用已有的测量硬件系统,使用计算机、研华数据采集卡及VC编程,可实现圆度偏差数据采集和处理的自动化,并自动生成相应曲线,同时显示计算结果。

 

硬件部分组成

数据采集硬件组成包括电感测微仪及传感器测头、数据采集卡、按键输入电路和计算机,考虑到精度要求,电感测微仪选用差动电感式测微仪(DGB-5B),其在测量时能消除工件的定位偏差,以及由于测量装置的移动,温度变化和工件回转等引起的偏差,从而保证测量准确度。测量范围选用:±3μm,准确度为0.1μm。通过对信号进行放大、滤波等措施,使之适应数据采集卡等设备的需求。数据采集卡选用PCL-818L,它提供了12位的A/D转换器,同时提供40kHz采样速率。这些特性使得系统的精度能够得到很好的满足。按键输入电路的作用是:按下采集数据、删除数据和停止等按键后发出脉冲信号,以便数据采集卡判断相应I/O口状态。硬件系统的特点在于:

1)成本较低。采用了实验室原有设备及仪器设备。

2)可靠性高。计量器具是指能用以直接或间接测出被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。电感测微仪和数据采集卡具有较高的性能。

3)维护方便。主要是硬件电路的维护。

 

App部分的实现

在本系统中对PCL-818L进行Windows应用程序开发,采用VC++6.0编程[5],调用数据采集卡自带的标准动态链接库DLL文件与硬件相联系[6]。这样的结构决定了App应用程序的典型I/O操作控制控制模式

主要程序包括:

1)数据采集与处理子程序:调用研华卡PCL-818L自带的动态链接库函数DRV DeviceOpen()打开PCL-818L,开始进行数据采集,采集到的数据存放在数组中,测量结束后,调用DRV DeviceClose()关闭PCL-818L,同时使用数组中的测量数据进行曲线绘图,并通过计算得到圆度偏差。

2)按键控制子程序:测量App通过能够直接访问硬件端口和物理内存的WinIO2.0库函数GetPortVal()和Set-PortVal()来直接读取和设置PCL-818L的I/O口引脚状态,以此来判断硬件电路发出的脉冲信号,实行按键的动作。

App基本功能如下:

1)基本参数设置;

2)响应按键指令;

3)显示传感器测头的微位移量;

4)绘制出径向跳动度曲线图、最小二乘圆圆心和最小二乘圆示意图,显示最小二乘圆圆心坐标、半径和圆度偏差的计算结果;

5)数据备份及打印。

采用这种方法实现App功能的优势在于:一定程度上降低了程序开发的难度,与购买的圆度自动测试仪App相比较,具有较好的灵活性和移植性,便于程序的可持续改进和开发新功能。

 

试验数据分析处理

最小二乘圆是实际轮廓上各点到该圆的距离的平方和为最小的圆。以被测实际轮廓的最小二乘圆作为理想圆,其最小二乘圆圆心至轮廓的最大距离与最小距离之差即为圆度偏差。即

式中,Rc为最小二乘圆半径;ri为任一测点对原点的极半径。

根据最小二乘圆法原理得到的评定圆度偏差的近似计算公式为

式中,a为最小二乘圆圆心横坐标;b为最小二乘圆圆心纵坐标;xi为测点对原点的横坐标;yi为测点对原点的纵坐标;N为采点数。

将测量的圆轮廓的极坐标值θi及ri,转化为直角坐标值xi,yi,其关系式为

式中i=0,1,2,3,,n-1,n为沿轮廓测量的总采样点数。将各测量值xi,yi变换到新坐标系中,得新坐标值x‘i,y’i

其中,(x0,y0)为圆心坐标。

以C为原点的径向值r'i为

找出rci中最大值rcmax及最小值rcmin,可得圆度偏差为

在实验中所使用的理论基圆半径R为56381.56Lm。找到实际测量基圆盘相对理论基圆半径径跳为0.00Lm的点作为第一点,将基圆盘圆周等分为32个采样点,进行径向跳动数据采集。得到一组数据如表1所示。则ri=R+测量值(其中i=0,1,2,3,,31).

根据上述最小二乘圆算法,由公式

(2)使用VC编程可得最小二乘圆圆心及半径如下

(5),将各测量值的xi,yi变换到新坐标系中,得新坐标值x'i,y'i,并求以C为原点的径向值r'i,找出r'i中最大值r'max=56381.86μm及最小值r’min=56381.40μm,可得圆度偏差的近似值

由于实验满足最小偏差假设、小偏差假设且测点分布均匀[3],计算结果与SWIFT算法得出的最优解进行比对,完全满足测量准确度要求。

在VC++6.0生成友好界面的优势下,使用最小二乘法评定基圆盘圆度偏差不仅使整个测量系统的可靠性及精度得到保证,而且提高了效率,缩短了测量App的开发周期。在采集数据的实验过程中,仪器设备的回转精度、测头的安装偏差以及采样点数是产生测量偏差的主要因素。应尽量设法减少其影响,从而提高基圆盘圆度偏差的测量准确度。

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