基于LabVIEW软件平台的多功能形位误差检测仪

11.3  多功能形位误差检测仪设计

本例所述的多功能形位误差测量系统是基于labview软件平台设计的，可对轴类零件的直线度、圆度、同轴度等形位误差进行测量，并且可以采用不同的方法自动评定误差，是一种精度高、功能多、性能稳定、测量速度快、操作简单和使用方便的形位误差测量系统。
11.3.1  实例内容说明

目前工件的直线度、圆度多数是先采用自准直仪和圆度仪测量，再采用人工计算和作图的方法，最后得出结论。这种方法存在两方面的不足：一是测量误差大、精度低，二是劳动强度大、效率低。
本例采用计算机来进行数据处理，以LabVIEW为软件开发工具和设计平台，利用软件模拟仪器部分硬件功能，并结合通用的数据采集设备实现真实仪器的功能。本检测系统连续自动地对工件进行测量，并且可以用不同的方法评定误差，绘制出各项误差曲线图，实现各项误差的自动评定。
本检测系统以计算机为核心，用位移传感测量位移，被测工件与电机1同轴安装，测头与位移传感器安装在可升降调整的丝杠螺母上，在径向测量力的作用下与被测工件保持接触，两路信号经A/D数模转换送进计算机内，再由软件处理计算得到各项误差。其总体设计方案示意图如图11-39所示。
11.3.2  硬件设计

本检测系统选用的是北京阿尔泰科技的PCI2003数据采集卡，这是一种基于PCI总线的数据采集卡，可以直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可以构成工业生产过程控制监控系统。此外，PCI2003有完备的函数模块，极大地方便了应用程序的开发，而不需要用户对硬件有过深了解，真正做到即插即用。
PCI2003数据采集卡是一个具有16路单端和8路双端模拟输入通道的标准的PCI总线插卡，卡上集成的12位ADC，采样通过频率为100KHz，为了获得良好的信号，减小外界因素对信号的影响，在系统中选用了一块与PCI2003配套使用的调理端子板—BH5614A，将它置于信号和数据采集卡之间，以实现信号的调理。
11.3.3  软件设计

本节详细讲解开发过程。下面将分别对各部分程序单元进行说明。
1．软件设计流程

程序的流程图如图11-40所示。

图11-40  程序流程图
主程序的前面板界面如图11-41所示，后面板如图11-42所示。

图11-41  主程序前面板

图11-42  主程序后面板
2．PCI2003***

PCI2003并非NI公司生产的硬件，故不能采用DAQmax来配置数据采集参数。不过可以使用Call Library Function节点进行配置。在LabVIEW中调用win32 API  GetTickcount函数，获取系统的开机时间。具体步骤为：
（1）在LabVIEW前面板放置一个数字指示框（Numeric Indicator）与一个按钮（Button）控件，实现按下按钮后，在数字指示框中显示系统的开机时间。
（2）在后面板中，放置一个While框与一个Case框、用While循环检测按钮是否被按下，如果按下，则停止循环，并向Case框输出真值。
（3）右键单击Case框，编写代码，在弹出的Functions面板中选择“Advanced”|“Call Library Function Node”，并将Call Library Function Node放置在Case框True条件中。
（4）右键单击选择的Call Library Function Node，在出现的快捷菜单中选择“Configure”，出现设置对话框，如图11-43所示。
（5）在“Library name or path”栏中选择所调用API函数的动态连接库（.dll）的位置与文件名。
（6）在“Function name”栏中选择欲调用的函数。
（7）在Calling conventions中选择“c”或“Stdcall”（Win API）。
（8）在“Parameter”选项卡页面选择输入输出参数的类型，单击“OK”按钮完成设置。

图11-43  Call Library Function节点配置
（9）将Call Function Node的输出连接到数字指示框，即可按照PCI***时序完成具体操作，具体实现如图11-44所示。

图11-44  配置PCI2003数据采集卡
3．数据分析模块

（1）圆度测量
圆度公差带是垂直于被测工件轴线的任意正截面上半径为公差值t的两个同心圆之间的区域，圆度测量的常用的算法有最小二乘法和最小外接圆法。
— 用最小二乘法测圆度
用最小二乘法测圆度即求最小二乘圆。最小二乘圆是一个穿过实际被测轮廓的圆，它所处的位置使实际被测轮廓上各测点至它的距离的平方之和为最小。具体程序如图11-45所示。

图11-45  最小二乘法测圆度程序
— 用最小外接圆法测圆度
最小外接圆是指外接于轴的实际被测轮廓的可能最小圆，最小外接圆测圆度的原理如图11-46所示。具体程序如图11-47所示。

图11-46  最小外接圆法测圆度原理
（2）直线度测量
直线度测量方法有3种：两端点测平面直线度、最小包容法测直线度、最小二乘法测直线度。下面分别介绍。

图11-47  最小外接圆法测圆度程序
— 两端点测平面直线度
如图11-48所示，以实际被测直线S的首、末两端点B和E的连线lBE作为评定基准，fBE=hmax-hmin。其程序实现如图11-49所示。

图11-48  两端点测平面直线度原理

图11-49  两端点测平面直线度的程序
— 最小包容法测直线度
如图11-50所示，根据给定平面内直线度公差带的形状，由两条平行直线包容实际被测直线S时，成“高－低－高”三极点相间接触，则这两条平行直线之间的区域就是最小包容区域U（简称最小区域），直线度的误差就是fMZ。程序实现如图11-51所示。

图11-50  最小包容法测直线度

图11-51  最小包容法测平面直线度的程序
— 最小二乘法测直线度
如图11-52所示，最小二乘中线lBE是一条穿过被测直线S的理想直线，它所处的位置使被测直线上各点至它的平方之和为最小，fLS＝hmax-hmin，fLS为直线度误差。程序实现如图11-53所示。
11.3.4  实例小结

本例介绍了多功能形位误差测量系统设计的过程，该系统可对轴类零件的直线度、圆度、同轴度等形位误差进行测量，并且可以采用不同的方法自动评定误差。本系统主要通过PCI2003数据采集卡来实现，所以读者熟悉PCI2003***很有必要。

图11-53  最小二乘法测直线度的程序实现