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1、欍欍欍欍氥应用技术基于虚拟仪器的汽车刹车盘表面粗糙度的测量姜风国( 烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264005)摘要: 介绍了基于虚拟仪器开发的汽车刹车盘表面粗糙度测量系统，给出了该系统的硬件和软件实现方法，分析了测量中误差产生的原因并提出了相应的解决办法，该系统具有 测量精度高、效率高、可靠性高等优点关键词: 刹车盘; 表面粗糙度; 虚拟仪器; 传感器; LabVIEW中图分类号:文献标志码:TP391 76A汽车工业是我国国民经济发展的支柱产业，汽车零件的质量是汽车工业发展的关键1 刹车 盘是汽车制动系统中的一个重要零件，其质量关 系到乘车人员和行人的人身安全 本课题来源于 龙口一
2、家汽车刹车盘生产企业，该企业目前仍使 用指针式仪表采用目测的方法进行检测 从实际 使用效果来看，这种方法效率低，漏检、错检的几 率很大 随着生产规模的扩大，企业对检测设备的 自动化、智能化要求非常迫切 我们研究开发了一 套检测装置，该装置由工控机进行控制，引入虚拟 仪器技术，具有开发周期短、测量精度高、可靠性 高等特点 表面粗糙度是衡量汽车刹车盘质量优 劣的重要指标之一，以下就表面粗糙度测量部分 作一详细论述机、数据采集卡、数字 I / O 卡、传感器、步进电机等组成丝 杠控立 柱图 1 系统硬件结构Fig 1 The hardware structure of system传感器安装在立柱上
3、，传感器测头上装有金刚石触针，可以避免传感器直接与刹车盘表面接 触，延长传感器的使用寿命 本测量系统采用差动式电感传感器，与其它传感器相比，结构简单，分辨率高，能测量 0 1 m 甚至更小的位移，输出特 性的 线性度较好且比较稳 定 采 用 集 成 芯 片 AD698 作为电感传感器的信号调理电路，AD698 是一个完整的单片式线位移差动传感器信号调理接口芯片，只要增加几个外接元件就能够高精确地将传感器的机械位移转换成直流电压输出，并 且输出的直流电压正比于传感器的位移变化，大1系统的硬件组成目前表面粗糙度的测量主要分为接触式测量和非接触 式 测 量2 经过现场调研发现，刹 车 盘表面有一层油
4、膜保护层，如果采用激光非接触式 测量油膜的存在会给光学系统带来影响，导致结 果不可靠，而接触式测量则不受此影响，因此采用 接触式测 量 系 统 硬 件 结 构 如 图 1，主 要 由 工 控收稿日期: 2011-01-17作者简介: 姜风国( 1976-) ，男，山东烟台人，讲师，硕士，主要研究方向为测控技术及仪器I/O欍氥欍氥数 据 采 集 卡工 机信 号 调 理 电 路传 感 器数 字卡工 件步 进 电 机工 作 转 台丝 杠底 座330烟台大学学报( 自然科学与工程版)第 24 卷大简化了信号处理电路的设计，提高了传感器性能和测量精度测量时，首先在工控机上设置需要设置的参 数，接着测量开
5、始 步进电机带动丝杠使传感器向 下匀速移动，使传感器的触针接触到工件表面并使 传感器的铁芯位于线圈中心附近 工控机通过数字 I / O 卡控制步进电机驱动精密丝杠带动工作台和 固定在其上的工件一起转动 传感器的触针在工件 表面轻轻划过，由于工件表面是一个峰谷起伏的轮 廓，触针将在垂直于工件轮廓表面方向上产生上下 起伏的移动，传感器将这微小位移转换成电信号， 经过滤波、放大等信号调理后由数据采集卡送入工 控机，软件对数据进行数字滤波，分离出表面粗糙 度并计算其参数 工控机实时地显示测量数据并给 出分析结果，同时将相关数据存入数据库，供以后 检查或分析使用 测量结束后传感器上移，离开工 件 测量过
6、程控制框图如图 2 所示2 1数据采集模块在表面粗糙度测量中，信号采集非常重要，是软件部分的核心 数据采集卡采用台湾研华公司的PCI 1713，最大采样频率 100 kHz 由于 LabVIEW 不能直接调用非 NI 公司的数据采集卡的驱动函 数，笔者用 Borland C + Builder 编制了数据采集卡 的 DLL 文件，在 LabVIEW 中调用该 DLL 文件，从 而实现 LabVIEW 与数据采集卡之间的数据交换 LabVIEW 中调用 DLL 的节点是 Call Library Func- tion node 节点 DLL 程序流程如图 3 所示重 复 ？图 3 DLL 程序流
7、程图Fig 3 The program flow diagram of DLL测 量 位 置2 2 步进电机控制模块步进电机采用三相混合式步进电机，由细分 型步 进电机驱动器驱 动，最小步距角可达到 0. 012，通过定时写数字 I / O 卡端口发出频率可 变的脉冲控制步进电机的速度 LabVIEW 中最小 的时间精度是 1 ms，要实现比较高的速度需要更 精细的时间控制 为此，用 C + Builder 编写了高 精度软件定时器 里面用到 Windows XP 系统中的2 个 Win32API 函 数: QueryPerformanceFrequency图 2 测量过程控制框图Fig 2
8、The control frame diagram of measuring process2系统软件设计虚拟仪器系统在功能开发上依赖于软件的开发，因此软件的开发是虚拟仪器开发的核 心3本系统采用 LabVIEW8 5 软件开发，主要有参数 设定模块、数据采集模块、数据处理与显示模块、步进电机控制模块、数据库模块，下面就数据采集和步进电机控制模块作一介绍( )QueryPerformanceCounter ( ) ，QueryPerfor-和manceFrequency( ) 获 得 系 统 高 精度计数器的频 率，QueryPerformanceCounter( ) 获得计数器的当前 计数值
9、 该定时器可实现最小精度为 1 s 的 定 时，将该定时器封装成 DLL 在 LabVIEW 中调用是传 感 器 上 移结 束否结 束 A/D释 放 内 存结 束开 始设 置 参 数开 始 测 量传 感 器 下 移工 作 台 转 动否数 据 采 集是 否 回 到 起 始开 始分 配 内 存启 动 A/D检 查 缓 冲 区否缓 冲 区 满 ？是是数 据 传 输331第 4 期姜风国: 基于虚拟仪器的汽车刹车盘表面粗糙度的测量间位置时，Z1 = Z2，传感器输出应为零5，由于工艺水平的限制及温漂等的影响，实际上总存在零 点残余电压输出，造成零点误差，成为影响测量精 度的主要因素之一 通过示波器观察
10、发现，零点残 余电压中包含基波分量和高次谐波分量，硬件上 采用补偿电路来减小零点残余电压，如图 5 所示 将传感器铁芯向平衡位置移动，通过示波器观察 传感器输出，调节 R4 找到基波为零的位置，再调 节 R2 使高次谐波降到最低，可以有效地抑制零 点残余电压编程代码如下:#include windows h extern C _ _ declspec ( dllexport)signed long time)void timer ( un-void timer ( unsigned long间，单位为 s _int64 Frequency;_int64 previous;_int64 curr
11、ent;double time1 ，time2;int i = 0;time ) / /time 为 定 时 时R1QueryPerformanceFrequency( ( LARGE _ INTE-Z1GER* ) Frequency) ; / / 获得计数器的频率time1 = ( double) time /1000000;QueryPerformanceCounter ( ( LARGE _ INTEGER* ) previous) ; / / 确定计数器初始值do QueryPerformanceCounter ( ( LARGE _ INTE-R2Z2R3GER* ) curren
12、t) ;/ / 获得计数器当前值UR40time2 = ( current-previous) / Frequency;if( time1 = time2) i = 1; while( i = = 0) ;图 5零点残余电压补偿电路Fig 5 The compensation circuit of zero residual voltage软件上增加调零功能自动补偿校正 将传感器铁芯置于中间位 置，按“调 零”键 进 行 采 样，由 工控机对零点输出进行存储，测量时将采样数据减去此零点输出，这样基本就可以消除零点误差 对测量精度的影响( 2) 模数转换误差本测量系统采用的是 12 位 AD 采
13、集卡，相对3误差分析整个系统由很多部分组成，影响测量精度的因素主要有以下几个:( 1) 传感器自身误差传感器的精度是本测量系 统的主要精度指 标，传感器激励信号的稳定度4、相敏检波电路、 微小信号放大电路的误差都会影响传感器的输出 精度 AD698 芯片将上述电 路 整 合 在 一 起，电 路 稳定可靠 然后再对 AD698 的输出信号进行有源 二阶低通滤波处理( 图 4) ，以进一步提高精度12误差为 1 /2 = 0 024 4% ，可以满足该系统的精 度要求 PCI 1713 支 持 32 路 单 端 输 入 或 16 路 双端差分输入，这里我们采用差分输入，不但避免 了接地回路干扰，还
14、避免了环境干扰，提高了测量精度( 3) 环境对系统的干扰 机械加工现场环境较差，干扰源众多，在测量过程中不可避免地存在一些测量误差较大的点， 在软件中采用中值滤波法去除，即测量多次，将数据按从小到大顺序排列，取中间几个值进行平均这样可以消除随机干扰，效果较好为了进一步提高测量精度，还采取了一些其 他措施，如: 长距离信号传输线采用屏蔽线以避免 电磁干扰; 在电路布线上将数字电路与模拟电路AC1R1R2V0V1C2GND图 4 二阶有源低通滤波器电路Fig 4 The circuit of active second-order low pass filter理论上，当差动式电感传感器的铁芯位于
15、中332烟台大学学报( 自然科学与工程版)第 24 卷分开，数字地与模拟地分开等等m 和 1. 6 m 的标准件进行测量实验，实测数据如表 1 所示 实验结果表明测量值与标准值之间 存在一定的误差，但误差在允许的范围之内，符合 设计精度要求4实验测量结果在评价表面粗糙度的参数中，轮廓算术平均偏差 Ra 是主参数，因此这里选取 Ra 分别为 3. 4表 1 对标准件的测量结果Tab 1 Measuring results of standard piecesm标准件 Ra 值10 次实测值3 41 63 4081 6253 4121 6103 4101 6133 4081 6103 4151 6
16、083 4141 6103 4091 6113 4191 6153 4101 6203 4121 608北京工业大学，20082 付移风，潘晓彬，陈福练 便携式表面粗糙度测量仪 的设计J 传感器与微系统，2010，29( 2) : 93 945结论提出了基于虚拟仪器的汽车刹车盘表面粗糙度的测量系统，通过对标准刹车盘的测量精度可 以满足企业的要求 该系统的应用将提高企业对 生产加工质量的控制，减轻检测人员的劳动强度， 具有较高的市场潜力本系统的不足之处在于测量时仍需人工取放 工件，计划增加机械臂部分实现真正意义上的全 自动; 软件上仍需继续完善等，需要在使用的过程 中不断改进3俞爱林，曾焕浪，陈
17、文戈，等 基于虚拟仪器 的 新 型粗糙度测量系统的开发J 机电工程技术，2004，33( 7) :30 334 丁敏，王选择，杨练根，等 提高电感传感器 测 量 精 度的方法J 中国测试技术，2008，34( 3) : 17 195洪小丽 提高电感测微仪测量电路精度的关键技术J 制造业自动化，2009，8: 45 47参考文献:1刘丽峰 汽车气制动阀检测装置的实现D 北京:Surface Roughness Measurement of AutomobileBrake Disc Based on Virtual InstrumentJIANG Feng-guo( School of Mecha
18、tronics and Automobile Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China)Abstract: This paper introduces a surface roughness measuring system of automobile brake disc based on vir-tual instrument It describes the implementation method of hardware and software Furthermore，the causes of error and methods of increasing measuring accuracy are discussed The system has many advantages such as high accuracy，high efficiency and dependabilityKey words: brake disc; surface roughness; virtual instrument; sensor; LabVIEW( 责任编辑 柳瑞雪)
