检验与评定形位误差也是机械行业中最常见的工作之一。在形位误差检测时，由于检测过程及数据处理比较复杂，所以随着科技水平的不断提高，计算机技术的应用越来越普及。检测时通过计算机的辅助分析与计算，使误差检测更快、更准确，避免了低水平的重复工作，节省了大量的时间，最大限度地缩短了检测工时，节约了劳动成本。如图1所示，要检测此20孔的大型板孔零件进行圆度、圆柱度误差是否满足7级公差精度要求。该零件长度1400mm，宽700mm，厚200mm，重量约达1540kg，有20-Φ100H7的孔。在设计检测系统时以性能先进、运行可靠、具有一定的通用性和使用方便为出发点，根据测量空间以及大型板孔零件的特点，机械结构采用工作台固定、传感器回转的闭口移动桥式的结构，传感器回转中心必须与所测量孔中心对中，采用光栅尺作为位置反馈；控制系统主要由计算机和运动控制卡及相关部件组成，计算机主要进行输出运动控制指令和数据处理。由于空间限制和测量环境的要求，伺服驱动系统只能选择体积小、不产生电火花的交流伺服电机和与其配套的伺服驱动器。控制系统由7个控制模块来控制机械结构完成测量。
1控制系统模块的总体设计
控制系统分为数据处理和过程控制两个子系统。数据处理包括数据的采集、误差处理以及数值计算等。过程控制程序主要是使微机的运动控制卡按照一定的方法进行计算，然后输出，以便控制机构的运动与测量。开发平台采用BorlandC++Builder6.0，具有界面友好、操作简便、直观易懂等特点；软件根据功能可划分为7个模块，即初始化模块、机构复位、圆心定位、传感器部件的升降、传感器的移动、测量和误差评定。其步骤按图2检测流程图进行。在检测开始时，关键是要使传感器的回转轴线与孔中心线对中，将传感器下移至孔最下面截面的位置，然后开始测量。当传感器旋转一周采样128个点后，传感器上移一个节距至第二个截面，进行测量。循环测量10个截面，然后传感器移至工件之上，X、Y轴在伺服电机的驱动下，找下一个孔的位置。直到测完20个孔为止。
1.1初始化模块
初始化模块完成板卡功能的软件设计及参数设置的工作。系统中主要用到板卡功能A/D转换、D/O输出及用定时/计数器测频、测脉宽等。为实现以上功能，板卡硬件上须有一系列的跳线设置与之相联系。在此基础之上，主要工作在软件的设计上。初始化完成如下工作：（1）电机控制卡、A/D卡、光栅采集卡初始化，根据手册完成各板卡的初始化工作。主要是申请资源和获得板卡的控制。（2）输入孔中心坐标以及测量截面数。为一次性完成工件所有孔的圆度、圆柱度误差的测量，所以需要给出相对于测量系统的原点的中心坐标。根据电机减速比和丝杠的螺距，这些值将会转换成电机码盘的脉冲数，然后以此送到电机控制卡。电机控制卡会根据电机已经转过的脉冲数和期望值的差用PID算法调节，控制电机运行。另外，还应该输入每个孔被测量的截面数。
1.2机构复位
机构复位的目的是使测量机构移到X、Y坐标原点。根据测量机构的设计与安装，X、Y坐标原点是光栅尺的零点，即光栅尺的读数为零的点。系统是根据当前光栅尺的读数驱动电机运行的。此时X、Y向的电机处于连续控制方式，即不考虑码盘信号。机构向光栅尺读数为零的方向移动，直到移动到零位。系统的控制框图如图3。因为所有坐标都是依据系统的零位给出，所以在测量前系统必须复位。然后在此基础上相对移动。
1.3圆心定位
首先，根据机构的当前位置和输入的孔中心坐标，计算出相对位移，然后把相对位移根据码盘每周脉冲数换算成需要计数的脉冲，然后给电机控制卡。电机控制卡会根据设定的速度和加速度根据PID算法调节控制电机的运行。其次，在电机运行过程中，不断采集光栅尺的读数，通过读数和设定值的比较进一步控制电机的运行。工作原理是:位置信号(光栅信号)经过细分、整形后送入计数器，计算机从而获得实际的空间坐标值。CPU将实际的坐标值和设定的坐标值进行比较(设定的坐标值由插补计算得出)，得到位置误差，DSP将位置误差带入PID伺服控制公式，计算出控制电压，计算机把计算出来的控制电压通过D/A转换器变成模拟信号，再通过模拟信号控制伺服驱动器工作。其中速度调节环和电流环都在伺服驱动器内部完成。整个圆心定位的过程是X、Y方向位移的结果。如前所述圆心的定位要求精度非常高。所以定位应该借助与光栅尺的读数完成全闭环反馈。此过程包括以电机码盘脉冲为基准的位置反馈系统和依赖于光栅尺读数的大闭环反馈系统。在控制过程中一方面通过位置差转换成码盘脉冲数，送给电机控制卡实现闭环；另一方面读取光栅尺的输出作为判定准则。把距离转变成脉冲数送给电机控制卡，实际上是利用了电机控制卡和伺服驱动卡之间的PID控制算法。没有电机控制卡的作用，电机会过转（超调）或出现启动速度太大等情况，损坏系统。因为电机的运行速度和加速度受到待拖动对象的限制，所以电机控制卡会在容许的范围内以加速度达到一定的速度。而且还会利用实际脉冲输和期望脉冲数的偏差控制电机运行，保证低的超调和系统稳定。实际中可能出现两种情况：（1）电机控制卡以脉冲数实现的控制已经完成，但光栅尺并没有达到指定位置。在排除光栅尺的损坏外，一般不考虑光栅尺的误差。那么很明显是由于传动机构和执行机构的误差引起的。这种情况下，应该把光栅尺没有完成的距离继续转换成脉冲，再次让电机运行。（2）光栅尺的表示位置已经到达，但电机控制卡的脉冲数并没有完成。这个时候应该急停电机。而且可能由于电机的惯性导致过位移。如果误差较大可能需要驱动电机往相反的方向运动。
1.4传感器部件的升降和传感器的径向移动
传感器部件升降机构的控制是一个半闭环控制问题。当机构在定位过程中，应该上移传感器部件，定位完成后再下移到最下层的截面。测量完成后，根据测量的截面数逐渐上移一个截距，直到测完10个截面为止，传感器上移，然后进行下一个孔的测量。该部分功能是把需要的升降量根据电机的减速比和丝杠的螺纹距换算成脉冲数，通过电机控制卡控制电机运行。控制过程由电机控制卡和伺服驱动器完成。传感器的径向移动机构的控制对电机来说是一个开环控制问题。但是利用传感器的输出构成一个闭环控制系统。如前所述，该电机没有码盘，不需要控制卡的控制。直接通过换相实现步进电机的前后直线移动。该控制算法主要是读取传感器的输出作为电机运行的条件。当开始测量时整个传感器背离中心移动，直到传感器有输出为止。在测量其它截面时或测量完成时，传感器移向中心。移回的量为整个行程的最大量。
1.5测量和误差评定程序流程
数据的获取是本检测系统的主要目的。X、Y方向定位是为了对准圆心；Z轴升降是保护传感器和完成孔内多截面的测量；传感器沿导轨的移动是为了保护传感器和保证传感器和孔壁很好地接触；Z轴旋转是为了带动传感器完成测量。当测量机构停靠到具体位置后，绕Z轴的旋转电机开始旋转，此时通过放大器、滤波器把传感器的测量信号放大、滤波后，通过A/D卡读入计算机。此处解决的关键是：①计算机A/D卡开始和停止采集信号的时刻，也就是说什么时候信号有效；②控制Z轴旋转电机，刚好完成360度的旋转（测量），如果角度不够则采集的数据不足128个点；如果过采，会给后期的数据分析带来问题；③通过A/D卡读取电感式传感器的测量值。当数据采集完成后，需要对传感器采集的数据进行分析，进行圆度、圆柱度误差评定，得出相关结论。误差评定流程图如图4。其评定步骤如下：第一步：①建立被测实际圆柱面的空间直角坐标系OXYZ，建立被测实际圆柱面的最小二乘圆柱面的轴线O1Z1；②将实际圆柱面分成与Z轴垂直且彼此等距的n个采样截面（n=10），对每个采样截面轮廓又分成等间角m个（偶数）采样点（m=128）；③建立各个离散采样点Pij（,θi,zj）的矩阵及各个离散采样点的半径增量的数组；④建立O1Z1轴与每个采样截面的交点Oj（xj,yj,zj）的矩阵；⑤建立各个离散采样点到最小二乘圆柱面的相应点沿最小二乘圆柱面半径方向的偏差的数组。
2软件集成
根据检测系统的软硬件结构，采用BorlandC++Builder6.0编制控制软件。传感器将工件上孔的轮廓表面的径向位移信号转换成电压信号输出至电子单元。电子单元完成微弱位移电压信号的前置放大、滤波等；计算机控制数据采集板，当检测到传感器有信号输出，则随着传感器测头沿孔内表面的移动采集一周数据。计算机监视采集过程并进行数据处理，完成圆度、圆柱度评定分析，计算结构并图形显示。测量之前必须对检测系统进行调整初始化。要求X、Y轴回到光栅的初始零点，以便按位移准确找到第一个孔的中心位置，Z轴滚珠丝杠旋转把传感器部件提起，同时传感器在直线电机带动下移向回转中心，防止与工件表面碰撞。各轴初始化、复位完成后，传感器背离回转轴线移动，直至接触到孔壁，当传感器有信号输出时，直线步进电机停止，接着采用三点找圆心的办法，实现圆心定位。然后开始作圆度、圆柱度误差测量。测量时由系统软件连接数据采集板，设置采样参数以及控制采样板进行采样。一个截面采样完毕，在菜单里选择保存采样结果与否，并可以选择评定方法进行圆度误差评定。接下来可以采集下一个截面，直至测完一个孔为止，测其余孔则重复这样的工作。在评定并保存一个孔十个截面的圆度误差之后，通过软件拟合理想回转轴心线。通过软件做最小二乘圆柱，判断被测实际圆柱面对其理想圆柱面的变动量，即判断把实际圆柱面用两同轴理想圆柱面包容时，两同轴理想圆柱面之间的半径差的大小。这样就得出圆柱度误差。图5为初始化软件界面，图6为圆度测量界面，图7为圆柱度误差测量界面。
3小结
经过系统误差分析，该检测系统总误差占被测工件所测圆度、圆柱度公差的1/5，满足1/3～1/10的精度要求，所以该检测系统满足要求。根据前述检测系统的软硬件结构，采用BorlandC++Builder6.0初步编制了控制软件。根据功能将检测系统设计为初始化模块、机构复位、圆心定位、传感器部件的升降、传感器的移动、测量和误差评定等7个模块进行分别控制。
作者：雎力芬 关玉琴
