计量装置及应用
MEASUREMENTEQUIPMENTANDAPPLICATION
泰勒圆度测量仪的技术改造
陈永革,马 静
(中国一拖集团公司计量中心,河南洛阳 471004)
[摘 要]带有通用计算机处理系统的圆度测量仪器,是在原泰勒专用圆度测量仪的基础上,、绘图仪、控制
电箱以及成套软件等,对机械零件的圆度、,及评定。
[关键词]形状误差;仪器改造;自动测量
[中图分类号]TB92[]B02-0032-03
上世纪80高精度圆度仪,在机械生产加工调试、零件检测和标准计量过程中发挥着不可替代的作用。然而近几年来,这台高精度仪器的相关电路和配套计算机故障频发,我们开始立项对泰勒圆度仪进行技术改进。由于仪器的关键部件(主轴和传感器)保持着良好精度,所以只对电路处理信号和软件进行改造,从而使之升级为全新的智能化仪器。
圆度仪的测量原理是轮廓测量法,主轴在传动系统带动下匀速转动,与被测工件接触的电感测头将采集的原始信号送给后续的电路进行处理,得到相应的原始数据,这些数据送给计算机后,根据需要选择按照特定的评定算法给出圆度的各项参数。从而可以看出,圆度仪的核心问题是取得被测工件表面的原始轮廓数据,经过放大滤波后送入计算机,再按照一定的评定算法给出测量结果。
按照计划任务书的要求,经过多次研究确定总体改造方案:为保持原仪器的测量精度,利用原仪器精密的机械部分、能够正常使用的电气部分;更新原故障较多的计算机部分;放弃出现严重故障造成仪器不能正常使用的圆光栅读数部分,采用新的计量方法替换读数光栅,将停用数年的仪器恢复正常使用。
在技术改造方案中,数据处理采用国家标准GB7235—87《评定圆度误差的方法半径变化量测量》中
数据处理等功能。精度指标要达到同类仪器的先进水
平,满足一拖公司产品检测的质量保证需要。
1 仪器的硬件系统配置
硬件系统联接如图1所示
。
图1 仪器硬件系统联接示意图
111 使用接口读入测量数据
最小二乘圆法来评定样品的圆度误差。
应用软件主要包括:定时中断采样、数据处理、绘图显示、打印、磁盘保存等功能。应用软件在Win2dowsXP操作系统中运行。
圆度仪改造要达到的预期目标是:采用微机数控技术进行数据采集,开发配套软件,达到自动检测、
[收稿日期]2009-09-17
利用原仪器的测量传感器以及其原有的模拟信号传输通道,通过接口板接入更新后的计算机,利用原仪器提供的稳定的单脉冲信号产生中断来判断被测圆的测量起点和测量终点;另外,将原仪器提供的测量放大倍数信号通过接口读入计算机;参与数据计算。为了防止对高精度的圆度仪设备造成不利影响,或降低测量精度,对原仪器控制箱未进行计算机控制方面的改动。112 接口板的选择
接口板选择研祥工控集团的PCI-64AD64通道高增益多功能DAS卡,该卡拥有我们需要的12位模拟数字转换功能、中断功能和16位数字信号输入输出功能,该接口卡使用PCI总线插槽。
计算机系统采用配有PCI插槽的商用计算机,硬件配置要求能够运行WindowsXP操作系统。由于使用地点环境条件较好,未配置工业控制计算机。
[作者简介]陈永革(1963-),男,重庆人,高级工程师,毕业于湖南大学,从事测控计量技术工作。
・ 32・IndustrialMeasurement2010 Vol.20No.2
MEASUREMENTEQUIPMENTANDAPPLICATION
113 读数光栅的替代
计量装置及应用
利用圆度仪转台能够实现恒速转动的特点,在转台转速稳定后,采用软件定时采样的方法替换原读数光栅读数,有效地解决了由于液压系统漏油造成的读数光栅的故障。114 滤波方法
为保证原测量仪器的测量精度,使用硬件滤波,根据通带宽度硬件滤波分为5档,此外应用软件采用中值平均的滤波方法,以求减少干扰因素的影响,滤波程序在定时触发过程中执行,不宜过长。
度误差的方法半径变化量测量》,用最小二乘法,计算圆度误差。
在选择使用计算机语言编制应用程序时,在原来使用过C语言编制应用理论基础上,采用了VisualC++610进行编程,利用其MFC编制WindowsXP操
作系统的应用软件。最终,应用软件使用C++语言编写,并在VisualC++610上编译通过。在编程时,1～4B,使用这些,获得测量结果。这些函数被封装在数据处理类中。另外,为保存测量信息,建立了样品信息类和样品信息对话框,用于输入、存储样品的使用单位等信息。
2 ,仪器的探头接触被测圆周,被测圆(零件)随转台旋转一周后,探头测得被测圆周数据;按下述方法处理建立数学模型,可获得一个回归的圆。在以转台的旋转中心为原点(0,0),以旋转中心到第一个测量点的方向为X轴正方向,建立直角坐标系,探头测得的圆周上任意一点,如果为圆周上一点,则该点坐标(x,y)按下式求解。
x=k×2y=k×2
3 系统的程序调试
311 软件接口程序
单脉冲中断程序,由于接口板上不含硬中断器件,因此单脉冲信号直接使用接口版上的16位数字量输入通道其中的一位读取,采用查询的方法,以确定单脉冲信号是否出现。
定时读数程序,有设置部分和一个定时采样函数组成,定时采样函数内包含的是定时器在触发后应用软件所从事的工作,即从外设读取数据、数据滤波、保存数据等。定时器的设置部分与计算机系统硬件有关,编制定时中断程序时应注意不同的硬件设置不完全相同,如当使用Inter公司的微处理器时,时间精度为毫秒级时,时间设置间隔可被设置成1～16ms。放大倍数读取程序:直接使用接口版上的16位数字量输入通道中的十位,读取放大倍数信号,并将其转换成相应的放大倍数。312 接口驱动程序
n
×Si+b×Si+b
(1)(2)
n
式中:k、b为常数,k与圆度仪的测量时使用的放大倍数有关,b与绘制的图形有关,在评定圆度误差计算时可令b=0,计算图形绘制的点坐标时,通过调整b值控制输出的图形;Si为探头在i点的测量值,n为被测圆旋转一周探头测得的数据总数,i为测量点的顺序数。
根据国家标准GB7235—87《评定圆度误差的方法半径变化量测量》,用最小二乘法,计算最小二乘法圆心及圆度误差。
最小二乘法圆心坐标(X,Y)计算如下:
n
接口卡经销商提供相应的接口驱动程序,由于应用软件采用WindowsXP操作系统,应尽量避免在应用软件中直接插入外设控制代码,因此,采用接口驱动程序。
313 用户操作界面
2×
X=
∑x
i=0n
i
n
(3)
2×
Y=
∑y
i=0
本程序的运行使用需要WindowsXP操作系统的
i
n
(4)
式中:n为被测圆旋转一周探头测得的数据总数,i
为测量点的顺序数,xi、yi为第i点的坐标值。将测量点数据分别用公式(1)、公式(2)处理,获得该点对应在圆周上的坐标;使用最小二乘法求出最小二乘法圆心坐标;按照国家标准GB7235—87《评定圆
工业计量 2010年第20卷第2期
支持,采用Windows操作界面,可方便灵活地用鼠标
或键盘使用工具栏、菜单、快捷菜单、快捷键、对话栏等工具进行有关操作,并利用状态栏查看相关信息。
314 安装程序的制作
从使用者维护应用软件和计算机的角度出发,为
(下转第36页)
・ 33・
计量装置及应用
MEASUREMENTEQUIPMENTANDAPPLICATION
件,造成不少流量计在使用中存在这样或那样的问
题。从前面分析中,我们感到测管的生产厂比较好地考虑了现场条件对测量的影响,并尽可能地摸拟现场条件对仪表进行试验,掌握了大量试验数据,用以指导现场的应用,在与生产厂多次接触中,听取他们的
#
意见,充分应用他们的试验数据。攀钢2高炉煤气测量采用测管流量计,从根本上解决了存在的三大难题,,]
[],采用了独特的蹄形切口结构,见图2。测管式流量计的测头上仅有一个全压取压孔,取压管内介质相对静止,取压孔内不易形成粉尘埋积。由于测头采用蹄形切口设计,向下安装,湿煤气中的冷凝水随时滴入管道,冷凝水不会再存积于引压管内。另外,测管式流量计配有在线吹扫装置,一旦发生堵塞可随时进行吹扫。这样较好解决了在测量煤气等脏污介质的堵塞、
[4]
取压管内壁结垢等问题。
J]1,2008,(5):461-4641
2SO7145—1982,圆形横截面封闭管道中流体流量测量
———在横截面的一点上速度的测量方法[S]1
[3]ISO7194—1983,测量封闭管道中的流量———在圆管中处
于漩涡及非对称流动下用皮托管及流速计组的速度面积
图2 测管式流量计的测头结构图
流量测量方法[S]1
[4]王京安1测管式流量计在大口径气
(汽)体流量测量
(2):46
5 结束语
许多流量测量专家认为:流量仪表的应用甚至比
仪表的研究、生产更为复杂,大量仪表在实验室都有优良的性能,但仪表使用现场往往满足不了其使用条
中的应用[J]1世界仪表与自动化,2009,
-471
[编辑:谢永善]
(上接第33页)
应用程序制作了配套的安装程序软件,在必要的时候,本应用程序可以方便地进行安装和卸载,安装程序使用InstallShieldforVisualC++610制作。315 应用软件的调试在应用程序调试中,解决的一些问题的过程简单介绍如下:
(1)时间中断程序与计算机硬件联系十分紧密,调试中容易产生意外,有些函数不能直接在中断程序中使用。这一点必须注意。
(2)抗干扰问题,本仪器的使用地点(精密测量室)紧靠柴油机生产车间,在开始调试采样及模数转换程序时,并未注意到生产干扰问题,造成采样数据不稳定,经过反复检查测试,终于发现十分严重的振动干扰,通过安装良好的地线和采用屏蔽线等方法解决了这个问题。
(3)计算精度问题,不同的数据类型计算精度不同,在进行较复杂的数据运算时,一定要检查各参数
的数据类型,在调试中,发现使用不同的放大倍数测试同一样品时,测试结果相差较为明显,改进计算方法后,该问题得到圆满解决。
(4)接口驱动程序问题,购买硬件含驱动程序时,尽量选择具有较好的驱动程序的硬件。以免在调试中给自己带来过多的不便。
(5)用定时读数程序时,受转台的转速的影响较大,为此加入了测量修正程序。
4 结束语
改造后的泰勒圆度仪,可实现自动采样、数据处理和精度评定,各项技术指标均达到了原有国外仪器的技术要求,同时也解决了企业新产品形位误差检测项目的一个难题,经实际测试分析仪器检测结果稳定可靠,该项目技术经济效果较为明显,达到了机械行业同类仪器的技术水平,并有一定的推广应用价值。
[编辑:谢永善]
・ 36・IndustrialMeasurement2010 Vol.20No.2
计量装置及应用
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泰勒圆度测量仪的技术改造
陈永革,马 静
(中国一拖集团公司计量中心,河南洛阳 471004)
[摘 要]带有通用计算机处理系统的圆度测量仪器,是在原泰勒专用圆度测量仪的基础上,、绘图仪、控制
电箱以及成套软件等,对机械零件的圆度、,及评定。
[关键词]形状误差;仪器改造;自动测量
[中图分类号]TB92[]B02-0032-03
上世纪80高精度圆度仪,在机械生产加工调试、零件检测和标准计量过程中发挥着不可替代的作用。然而近几年来,这台高精度仪器的相关电路和配套计算机故障频发,我们开始立项对泰勒圆度仪进行技术改进。由于仪器的关键部件(主轴和传感器)保持着良好精度,所以只对电路处理信号和软件进行改造,从而使之升级为全新的智能化仪器。
圆度仪的测量原理是轮廓测量法,主轴在传动系统带动下匀速转动,与被测工件接触的电感测头将采集的原始信号送给后续的电路进行处理,得到相应的原始数据,这些数据送给计算机后,根据需要选择按照特定的评定算法给出圆度的各项参数。从而可以看出,圆度仪的核心问题是取得被测工件表面的原始轮廓数据,经过放大滤波后送入计算机,再按照一定的评定算法给出测量结果。
按照计划任务书的要求,经过多次研究确定总体改造方案:为保持原仪器的测量精度,利用原仪器精密的机械部分、能够正常使用的电气部分;更新原故障较多的计算机部分;放弃出现严重故障造成仪器不能正常使用的圆光栅读数部分,采用新的计量方法替换读数光栅,将停用数年的仪器恢复正常使用。
在技术改造方案中,数据处理采用国家标准GB7235—87《评定圆度误差的方法半径变化量测量》中
数据处理等功能。精度指标要达到同类仪器的先进水
平,满足一拖公司产品检测的质量保证需要。
1 仪器的硬件系统配置
硬件系统联接如图1所示
。
图1 仪器硬件系统联接示意图
111 使用接口读入测量数据
最小二乘圆法来评定样品的圆度误差。
应用软件主要包括:定时中断采样、数据处理、绘图显示、打印、磁盘保存等功能。应用软件在Win2dowsXP操作系统中运行。
圆度仪改造要达到的预期目标是:采用微机数控技术进行数据采集,开发配套软件,达到自动检测、
[收稿日期]2009-09-17
利用原仪器的测量传感器以及其原有的模拟信号传输通道,通过接口板接入更新后的计算机,利用原仪器提供的稳定的单脉冲信号产生中断来判断被测圆的测量起点和测量终点;另外,将原仪器提供的测量放大倍数信号通过接口读入计算机;参与数据计算。为了防止对高精度的圆度仪设备造成不利影响,或降低测量精度,对原仪器控制箱未进行计算机控制方面的改动。112 接口板的选择
接口板选择研祥工控集团的PCI-64AD64通道高增益多功能DAS卡,该卡拥有我们需要的12位模拟数字转换功能、中断功能和16位数字信号输入输出功能,该接口卡使用PCI总线插槽。
计算机系统采用配有PCI插槽的商用计算机,硬件配置要求能够运行WindowsXP操作系统。由于使用地点环境条件较好,未配置工业控制计算机。
[作者简介]陈永革(1963-),男,重庆人,高级工程师,毕业于湖南大学,从事测控计量技术工作。
・ 32・IndustrialMeasurement2010 Vol.20No.2
MEASUREMENTEQUIPMENTANDAPPLICATION
113 读数光栅的替代
计量装置及应用
利用圆度仪转台能够实现恒速转动的特点,在转台转速稳定后,采用软件定时采样的方法替换原读数光栅读数,有效地解决了由于液压系统漏油造成的读数光栅的故障。114 滤波方法
为保证原测量仪器的测量精度,使用硬件滤波,根据通带宽度硬件滤波分为5档,此外应用软件采用中值平均的滤波方法,以求减少干扰因素的影响,滤波程序在定时触发过程中执行,不宜过长。
度误差的方法半径变化量测量》,用最小二乘法,计算圆度误差。
在选择使用计算机语言编制应用程序时,在原来使用过C语言编制应用理论基础上,采用了VisualC++610进行编程,利用其MFC编制WindowsXP操
作系统的应用软件。最终,应用软件使用C++语言编写,并在VisualC++610上编译通过。在编程时,1～4B,使用这些,获得测量结果。这些函数被封装在数据处理类中。另外,为保存测量信息,建立了样品信息类和样品信息对话框,用于输入、存储样品的使用单位等信息。
2 ,仪器的探头接触被测圆周,被测圆(零件)随转台旋转一周后,探头测得被测圆周数据;按下述方法处理建立数学模型,可获得一个回归的圆。在以转台的旋转中心为原点(0,0),以旋转中心到第一个测量点的方向为X轴正方向,建立直角坐标系,探头测得的圆周上任意一点,如果为圆周上一点,则该点坐标(x,y)按下式求解。
x=k×2y=k×2
3 系统的程序调试
311 软件接口程序
单脉冲中断程序,由于接口板上不含硬中断器件,因此单脉冲信号直接使用接口版上的16位数字量输入通道其中的一位读取,采用查询的方法,以确定单脉冲信号是否出现。
定时读数程序,有设置部分和一个定时采样函数组成,定时采样函数内包含的是定时器在触发后应用软件所从事的工作,即从外设读取数据、数据滤波、保存数据等。定时器的设置部分与计算机系统硬件有关,编制定时中断程序时应注意不同的硬件设置不完全相同,如当使用Inter公司的微处理器时,时间精度为毫秒级时,时间设置间隔可被设置成1～16ms。放大倍数读取程序:直接使用接口版上的16位数字量输入通道中的十位,读取放大倍数信号,并将其转换成相应的放大倍数。312 接口驱动程序
n
×Si+b×Si+b
(1)(2)
n
式中:k、b为常数,k与圆度仪的测量时使用的放大倍数有关,b与绘制的图形有关,在评定圆度误差计算时可令b=0,计算图形绘制的点坐标时,通过调整b值控制输出的图形;Si为探头在i点的测量值,n为被测圆旋转一周探头测得的数据总数,i为测量点的顺序数。
根据国家标准GB7235—87《评定圆度误差的方法半径变化量测量》,用最小二乘法,计算最小二乘法圆心及圆度误差。
最小二乘法圆心坐标(X,Y)计算如下:
n
接口卡经销商提供相应的接口驱动程序,由于应用软件采用WindowsXP操作系统,应尽量避免在应用软件中直接插入外设控制代码,因此,采用接口驱动程序。
313 用户操作界面
2×
X=
∑x
i=0n
i
n
(3)
2×
Y=
∑y
i=0
本程序的运行使用需要WindowsXP操作系统的
i
n
(4)
式中:n为被测圆旋转一周探头测得的数据总数,i
为测量点的顺序数,xi、yi为第i点的坐标值。将测量点数据分别用公式(1)、公式(2)处理,获得该点对应在圆周上的坐标;使用最小二乘法求出最小二乘法圆心坐标;按照国家标准GB7235—87《评定圆
工业计量 2010年第20卷第2期
支持,采用Windows操作界面,可方便灵活地用鼠标
或键盘使用工具栏、菜单、快捷菜单、快捷键、对话栏等工具进行有关操作,并利用状态栏查看相关信息。
314 安装程序的制作
从使用者维护应用软件和计算机的角度出发,为
(下转第36页)
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计量装置及应用
MEASUREMENTEQUIPMENTANDAPPLICATION
件,造成不少流量计在使用中存在这样或那样的问
题。从前面分析中,我们感到测管的生产厂比较好地考虑了现场条件对测量的影响,并尽可能地摸拟现场条件对仪表进行试验,掌握了大量试验数据,用以指导现场的应用,在与生产厂多次接触中,听取他们的
#
意见,充分应用他们的试验数据。攀钢2高炉煤气测量采用测管流量计,从根本上解决了存在的三大难题,,]
[],采用了独特的蹄形切口结构,见图2。测管式流量计的测头上仅有一个全压取压孔,取压管内介质相对静止,取压孔内不易形成粉尘埋积。由于测头采用蹄形切口设计,向下安装,湿煤气中的冷凝水随时滴入管道,冷凝水不会再存积于引压管内。另外,测管式流量计配有在线吹扫装置,一旦发生堵塞可随时进行吹扫。这样较好解决了在测量煤气等脏污介质的堵塞、
[4]
取压管内壁结垢等问题。
J]1,2008,(5):461-4641
2SO7145—1982,圆形横截面封闭管道中流体流量测量
———在横截面的一点上速度的测量方法[S]1
[3]ISO7194—1983,测量封闭管道中的流量———在圆管中处
于漩涡及非对称流动下用皮托管及流速计组的速度面积
图2 测管式流量计的测头结构图
流量测量方法[S]1
[4]王京安1测管式流量计在大口径气
(汽)体流量测量
(2):46
5 结束语
许多流量测量专家认为:流量仪表的应用甚至比
仪表的研究、生产更为复杂,大量仪表在实验室都有优良的性能,但仪表使用现场往往满足不了其使用条
中的应用[J]1世界仪表与自动化,2009,
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应用程序制作了配套的安装程序软件,在必要的时候,本应用程序可以方便地进行安装和卸载,安装程序使用InstallShieldforVisualC++610制作。315 应用软件的调试在应用程序调试中,解决的一些问题的过程简单介绍如下:
(1)时间中断程序与计算机硬件联系十分紧密,调试中容易产生意外,有些函数不能直接在中断程序中使用。这一点必须注意。
(2)抗干扰问题,本仪器的使用地点(精密测量室)紧靠柴油机生产车间,在开始调试采样及模数转换程序时,并未注意到生产干扰问题,造成采样数据不稳定,经过反复检查测试,终于发现十分严重的振动干扰,通过安装良好的地线和采用屏蔽线等方法解决了这个问题。
(3)计算精度问题,不同的数据类型计算精度不同,在进行较复杂的数据运算时,一定要检查各参数
的数据类型,在调试中,发现使用不同的放大倍数测试同一样品时,测试结果相差较为明显,改进计算方法后,该问题得到圆满解决。
(4)接口驱动程序问题,购买硬件含驱动程序时,尽量选择具有较好的驱动程序的硬件。以免在调试中给自己带来过多的不便。
(5)用定时读数程序时,受转台的转速的影响较大,为此加入了测量修正程序。
4 结束语
改造后的泰勒圆度仪,可实现自动采样、数据处理和精度评定,各项技术指标均达到了原有国外仪器的技术要求,同时也解决了企业新产品形位误差检测项目的一个难题,经实际测试分析仪器检测结果稳定可靠,该项目技术经济效果较为明显,达到了机械行业同类仪器的技术水平,并有一定的推广应用价值。
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