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复杂机械零件数字化在线检测系统的开发

燕山大学 高明磊，杨宪
（1．燕山大学 机械工程学院，河北省秦皇岛市 066004；
2．燕山大学 机械工程学院，河北省秦皇岛市 066004） 高明磊（1987-），男，河北沧州市，学生，本科

史艳国 副教授
摘 要：为解决目前工业上零件外观尺寸测量效率低、成本高等弊端，提出一种新型的、快捷的测量方案。采用单线式、接触式测量，涡流传感器传感，单片机模数转换，窗口显示等过程，为用户提供数字式信息。单线式测量做到有目的测量提高工作效率，接触式测量减弱外界干扰，涡流传感器灵敏度高，单片机将模拟信号转换成数字信号，输出准确，窗口显示便于使用、收集、保存。
关键词：零件测量；经济；数字化

引言
机械制造业的发展要求开发新的测量与检测方法，实现高精度、高效率的测量和检测。目前国际上发达国家对复杂机械零件的检测的方法所使用设备价格昂贵、数据计算量大、检测效率低；我国机械制造业对复杂零件的检测主要是使用专门的检具，且一般为手工检测，效率低，对于大批量的产品只能采用抽检。随着机械制造业向着小批量、高精度方向发展，目前的检测方法已经不能满足机械工业的发展需要。

一 社会背景

机械制造业的发展要求开发新的测量与检测方法，实现高精度、高效率的测量与检测。然而在实际生产过程中，我国对形状复杂的机械零件测量是通过手工方法实现的。通常采用专用人工检测仪和检测器具如量规、样板检具对零件的精度进行检测。这些检具仅能检测某一种产品，不具有通用性，而且该方法效率低下，无法进行批量检测。由于这些检测方法存在诸多弊端，往往造成某些部位不能精确检测，使产品质量降低，己远远不能满足现代工业对零件测量的要求。
国际上发达国家对复杂机械零件的检测主要是采用非接触测量的方法，如三坐标测量机(CMM)、激光扫描、经纬仪法、现代数字化图像等方法。这些方法设备投资大、数据计算量大、检测效率低。多用于进行大尺寸工件上高密度的、三维重构的坐标点的测量，该过程所花费的时间太长，造成检测工作的效率降低。随着机械制造业的发展，传统的检测方法已经不能满足生产的需要，尤其是对精度要求高，批量大的产品，更需要寻找方便快捷准确的测量方法。
随着机械制造业向着小批量、高精度方向发展，目前的检测方法已经不能满足机械工业的发展需要。本课题拟综合应用传感器、计算机及机构等技术设计一套数字化的检测系统，该系统采用多种定位方式，使用位移传感器采集位移信号，计算机进行数据处理。

二 项目介绍

1 机械部分
机械部分是装置实现功能的基础，机械部分设计的好坏直接影响到功能的实现。机械部分主体按功能分为三个部分：装卡部分，定位部分和测量部分。结构如图1。
装卡部分主要由三个相互关联的约束杆和一个带磁性的独立约束杆构成。三个相互关联的约束杆能始终保证被测量零件被固定在装卡盘的中心轴上（方便测量定位），磁性约束杆移动或固定方便，能够将零件固定。定位部分主要由四个电机和两个定位光栅条构成，用于对测量装置移动和定位。由于齿轮传动会有返程误差，因此精确定位由光栅条完成（定位精度介于0.005-0.01之间），每个y轴电机配备一个光栅条。通过光栅条反馈信息调节电机转过相位。通过y轴、z轴方向的四个电机，两个自由度完成测量装置平面运动。测量部分主题由涡流位移传感器和变速装置构成。
2 传感器
（1）电涡流传感器工作原理
图2
图1
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

（2）实验数据
图3
为了获得详细准确的传感器参数及金属体（被测体）材料的选择，我们亲自进行实验，实验数据如图3
通过对实验数据的分析，得出结论：将铁介质作为被测体，可以获得更好的线性区间，传感器性能较佳。
3 装置工作过程及优点
本装置通过测量装置的探针与被测零件接触，采用接触式测量。探针的上下移动经简单机构传送反映到传感器的金属体，引起金属体与探头线圈的距离变化，经传感器转化为电压信号，通过传感器性能参数及实验数据转化为数字量。通过串口通信传送给计算机形成txt文件保存。此外，我们使用VB编制程序，对保存数据进行读取、编辑等工作。
接触式测量受外界影响较小，测量过程相对简单，结果准确；采用电涡流传感器将位移信号转化为电压信号，并有模数转化器将其转化为数字信号，传送给计算机，便于数据保存和使用。计算机最后将其保存在生成的txt文件中，方便调用。我们使用 VB编辑了简单的程序进行演示，更多的功能课根据需要进行二次开发。
4 参考文献
[1]张洪润.传感器原理及应用[M]. 北京：清华出版社,2008
[2]曹麟祥. 三坐标测量机的现状、发展与未来[J]. 宇航计测技术，1996,16(2):15-19
[3]黄桂平,叶声华,李广云.经纬仪大尺寸柔性三坐标测量系统的开发与应用[J].仪器仪表学报,2002,23(S2):607-610
[4]王晋疆,金素坤,邸旭.经纬仪测量系统在工业测量中的应用[J].光电工程,2003,30(1): 53-55,69
[5]孙旭东,张国雄,付继有.多路激光跟踪干涉柔性坐标测量系统三自由度坐标测量方法的研究[J].电子测量与仪器学报,2000,1(14):22-25
[6]李广云.激光跟踪测量系统的原理及在车身在线检测中的应用[J].上海计量测试,2002,29(4):14-18
[7]张国雄,林永兵,李杏华.四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统[J].光学学报, 2003,23(9):1030-1036
[8]董斌,尤政,刘兴占.用构造光系统实现3-D形貌测量的研究[J].光学精密工程, 1999,7(3):21-24