楊家榮

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

直線度誤差是指直線上各點(diǎn)跳動(dòng)或偏離此直線的程度，它是機(jī)械精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與尺寸精度、圓度和粗糙度統(tǒng)稱為影響產(chǎn)品質(zhì)量的4 大要素，同時(shí)也是其它形位誤差如平面度、平行度的基礎(chǔ)。機(jī)床、儀器導(dǎo)軌或其它窄而長(zhǎng)的平面，為了控制其直線度誤差，常在給定平面(垂直平面、水平平面)內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。直線度誤差的測(cè)量方法有很多，傳統(tǒng)的方法主要是采用直尺、檢測(cè)平臺(tái)等一系列工具進(jìn)行測(cè)量，選用適當(dāng)?shù)姆椒ǐ@得測(cè)量數(shù)據(jù)后，需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，才能得到所測(cè)對(duì)象的直線度誤差。這種手工計(jì)算可以獲得相對(duì)精確的結(jié)果，但效率低，尤其在測(cè)點(diǎn)較多的情況下，嚴(yán)重制約了測(cè)量的效率。因此，開發(fā)和研究能夠自動(dòng)測(cè)量和誤差評(píng)定的直線度誤差測(cè)量軟件具有十分重要的意義。本文利用Visual Basic(VB)軟件開發(fā)了一套直線度誤差測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，快速高效地進(jìn)行分析，并判斷產(chǎn)品是否合格，給出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果提示，并將合格數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于產(chǎn)品的追溯，大大提高了測(cè)量的效率和準(zhǔn)確度。

1 直線度誤差的評(píng)定方法

直線度誤差的評(píng)定方法很多，根據(jù)定義:在一個(gè)理想幾何形狀的平面上，當(dāng)被測(cè)線每個(gè)點(diǎn)采到的數(shù)值相對(duì)理想基準(zhǔn)直線的變動(dòng)量小于等于指定的公差值時(shí)，被測(cè)線的直線度是恰當(dāng)?shù)?。為了使理想基?zhǔn)直線到實(shí)際被測(cè)曲線的距離是最小的可能值，應(yīng)該正確定位理想基準(zhǔn)直線。因此直線度誤差就是計(jì)算實(shí)際測(cè)量曲線直線度時(shí)兩條平行線的最小距離。確定最小距離必須確定參考直線，確定參考直線的方法就是評(píng)價(jià)直線度的方法。一般而言，常用的數(shù)據(jù)處理方法有兩端點(diǎn)連線法、最小二乘法和最小區(qū)域法3 種［1］。

兩端點(diǎn)連線法:以測(cè)得的誤差曲線首尾兩點(diǎn)的連線作為理想要素，作平行于該連線的兩平行直線將被測(cè)要素包容，兩平行直線間的縱坐標(biāo)距離即為直線度誤差。這種方法較簡(jiǎn)單，但是精度較低。

最小二乘法:以各采樣點(diǎn)偏差值的最小二乘直線為評(píng)定基線，求得基線兩側(cè)的最遠(yuǎn)點(diǎn)到基線的縱坐標(biāo)距離，這兩者的絕對(duì)值之和為被測(cè)件的直線度誤差。由于其理論成熟，算法簡(jiǎn)便，在包括直線度誤差在內(nèi)的形位誤差評(píng)定中得到了廣泛的應(yīng)用。

最小區(qū)域法:其判別準(zhǔn)則是，對(duì)于給定平面內(nèi)的直線度誤差，滿足最小包容區(qū)域的兩平行線應(yīng)符合“相間準(zhǔn)則”，即兩平行直線包容被測(cè)誤差折線時(shí)成“高—低—高”或“低—高—低”相間的三極點(diǎn)接觸，兩包容線間的距離即為符合最小條件的直線度誤差值［2］。此方法精度最高，一般評(píng)定結(jié)果小于或等于其它兩種方法。

本系統(tǒng)考慮到實(shí)際應(yīng)用的綜合性，內(nèi)置了最小二乘法和最小區(qū)域法兩種評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇切換。

2 直線度誤差測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件的功能模塊組成

本系統(tǒng)主要由:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、誤差評(píng)定模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及故障檢測(cè)模塊組成。各功能模塊分別完成以下主要任務(wù):

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊:主要通過(guò)與下位PLC 之間約定的協(xié)議，進(jìn)行交互通信，控制PLC 執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，將不同位置點(diǎn)處采集到的傳感器數(shù)據(jù)讀取到PLC中。在完成1 個(gè)周期的動(dòng)作后，發(fā)送指令給PLC，進(jìn)行下一輪的采集。

顯示模塊:將采集到的水平面和垂直面數(shù)據(jù)信息，在界面上進(jìn)行顯示，同時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)度、檢測(cè)結(jié)果等信息。

參數(shù)設(shè)置模塊:設(shè)置產(chǎn)品信息，如批次、編號(hào)、班次、型號(hào)等，以及精度要求等參數(shù)。

誤差評(píng)定模塊:從PLC 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中分別讀取采集到的水平面和垂直面數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)所設(shè)定的評(píng)定方法進(jìn)行判斷是否合格。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊:將檢測(cè)到的合格產(chǎn)品及不合格產(chǎn)品的采集到的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于隨時(shí)查詢及分析原因，同時(shí)對(duì)所檢測(cè)產(chǎn)品可在今后實(shí)施追溯。

故障檢測(cè)模塊:與PLC 通訊，對(duì)PLC 中檢測(cè)到的設(shè)備故障在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，輔助設(shè)備操作人員快速定位和排除系統(tǒng)故障。

2.2 與PLC 的通訊

VB 中提供了可與設(shè)備串口實(shí)現(xiàn)通訊的MSComm控件，從而實(shí)現(xiàn)與PLC 的通訊。在Visual Basic 所設(shè)計(jì)的工程中，單擊“工程”-“部件”菜單，選擇Microsoft Comm Control6.0，將其添加到所創(chuàng)建的工程中。

MSComm 控件有兩種通信方式，查詢方式和事件驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)采用事件驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)端口或者端口的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，都將觸發(fā)MSComm 控件的OnComm 事件，這是處理串行端口交互作用的一種有效方法，可以捕獲和處理這些通信事件，通過(guò)查詢CommEvent 屬性值，可以獲得關(guān)于通信事件的完整信息。而采用查詢法時(shí)，則是查詢MSComm 控件的某些屬性，如CommEvent 屬性、InBufferCount 屬性的值等［3-4］。系統(tǒng)與下位PLC 之間的通信連接采用Host Link 協(xié)議，在一次交換中傳輸?shù)拿罨驊?yīng)答的數(shù)據(jù)被稱為一幀，一幀最多可包含131 個(gè)數(shù)據(jù)字符，最后以校驗(yàn)碼及結(jié)束符結(jié)束。數(shù)據(jù)傳送時(shí)的流程如圖1 所示。

命令可參考具體的PLC 的編程手冊(cè)［5］，其基本格式如下:

測(cè)量軟件發(fā)給PLC 的命令格式:

其中:起始符為@;節(jié)點(diǎn)為指定與測(cè)量軟件通訊的PLC;命令碼為兩個(gè)字節(jié)的命令碼，即指定讀或?qū)?正文為設(shè)置的命令參數(shù);檢驗(yàn)碼為@開始到正文結(jié)束的所有字符的ASCII 碼按位異或運(yùn)算的結(jié)果;終止符表示命令的結(jié)束。

當(dāng)PLC 收到測(cè)量軟件發(fā)送的命令后，將做如下應(yīng)答:

其中，結(jié)束碼表示命令結(jié)束狀態(tài)，如:00 表示正常完成;其余代碼與發(fā)送命令格式意義相同。

2.3 軟件的編制

系統(tǒng)的開發(fā)使用Visual Basic6.0，并使用Access 2007 作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)及相關(guān)產(chǎn)品信息。系統(tǒng)內(nèi)置了最小二乘法和最小區(qū)域法兩種評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)需要在界面上通過(guò)單擊進(jìn)行選擇切換，完成相關(guān)檢測(cè)參數(shù)如規(guī)格、型號(hào)、班次等信息的設(shè)置后，單擊開始檢測(cè)，系統(tǒng)即可讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)采用圖形化顯示，同時(shí)，利用內(nèi)置的直線度誤差評(píng)定算法，對(duì)該零件的直線度誤差進(jìn)行評(píng)定，合格數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄到ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于產(chǎn)品的追溯和打印質(zhì)檢報(bào)告，若產(chǎn)品不合格，則發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)給PLC，由PLC 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將不合格產(chǎn)品輸送到指定的位置，進(jìn)行下一步的處理。在開發(fā)過(guò)程中，程序采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，將上述各功能模塊的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序。系統(tǒng)軟件的流程如圖2 所示。表1 所示為以一長(zhǎng)約2.4 m 導(dǎo)軌為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試間隔為200 mm，使用本測(cè)量程序檢測(cè)出直線度誤差，并判斷是否合格。系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行如圖3 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題所開發(fā)的直線度誤差測(cè)量軟件，界面友好，可準(zhǔn)確地測(cè)量和評(píng)定零件的直線度，不但可以作為零件驗(yàn)收是否合格的依據(jù)、并提供質(zhì)檢報(bào)表，同時(shí)也可以對(duì)長(zhǎng)期積累的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出誤差產(chǎn)生的原因，為提高零件加工精度和裝配精度提供可靠的依據(jù)。用普通測(cè)量器具進(jìn)行直線度的測(cè)量，不但處理復(fù)雜，效率低，而且容易出錯(cuò)，不易得到精確的結(jié)果。通過(guò)本課題開發(fā)的自動(dòng)測(cè)量軟件，給測(cè)量工作帶來(lái)了極大的便利，配合相應(yīng)的執(zhí)行系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、分揀系統(tǒng)的全自動(dòng)化，為企業(yè)帶來(lái)大量的效益。

表1 2.4 m 長(zhǎng)導(dǎo)軌各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù) mm

［1］王文龍.電梯導(dǎo)軌直線度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與性能優(yōu)化［D］.南京:南京理工大學(xué)，2010.

［2］王慧.計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在影像測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2008.

［3］張智杰，何芳，王玉茹.PLC 與微機(jī)的串行通訊［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，16(3):302 -303.

［4］周海濤.用VB6.0 實(shí)現(xiàn)三菱PLC 與微機(jī)的通訊［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2002，24(1):53 -55.

［5］OMRON CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2AH/CPM2C/SRM1(-V2)可編程控制器編程手冊(cè)［Z］.2003