基于多方法的圆度测量虚拟实验系统研究

摘要： 从《误差理论与数据处理》课程的教学和科研的需要出发，提出了以圆度误差测量为研究对象，结合虚拟仪器技术，开发了一套用多种方法来对圆度误差测量的实验系统。本实验系统采用多种方法对回转类工件进行圆度误差测量，将得到的数据与泰勒圆度仪测得的圆度误差进行比对，验证了此实验系统的可行性。本实验系统可以明显提高教学成果和科研效率，有利于增强学生的实践能力。

Abstract: According to the need of "Error Theory and Data Processing" teaching and researching, the paper develops an experimental system which measures the roundness error with a variety of methods，combined with the virtual instrument technology. Measurement results of the roundness error measured by the system are compared with the results of taylor roundness instrument, which verifies the feasibility of this experimental system. The system can meet the design requirements, significantly improve the teaching and research efficiency, and enhance the practical abilities of students.

关键词： 圆度测量；三点法；多步法；Labview

Key words: roundness measurement；three-point method；multistep method；Labview

中图分类号：TP315 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）11-0037-02

0引言

根据《误差理论与数据处理》课程的教学需要，结合圆度测量的特点，本实验系统采用多方法来测量圆度误差，结合虚拟仪器技术，开发出一套圆度误差测量的教学软件。本实验装置是在旋转台上安装一二维微动工作台以实现对被测工件的圆心与旋转台的圆心之间进行一次微调，达到两者之间的基本重合。用步进电机对旋转台的驱动，使转台旋转。在二维工作台上放置被测工件，用接触式传感器对工件进行检测，得到的数据传到数据采集卡中，在计算机上用Labview对数据进行采集和处理。采用三点法和多步法对圆度测量进行误差分离与修正，得到精确的圆度误差。

1圆度测量虚拟实验系统软硬件设计

1.1 实验系统硬件组成本系统主要由驱动模块、采集模块、减震系统、二维微动工作台和装有Labview的计算机组成。实验系统的基本原理是在减震系统上，用驱动模块对工作台驱动，再用采集模块将采集到的数据输送到电脑中，用Labview编写的数据处理程序，对采集到的数据进行处理，得到圆度误差。实验系统框图如图1所示。驱动模块包括有步进电机、步进电机控制器、旋转台等。采集模块包括电感传感器、数据采集卡等。本系统的步进电机控制器采用的型号为SC300。数据采集卡是由北京迪阳公司生产的型号为U18数据采集卡。

1.2 圆度测量的程序设计本软件系统是采用NI公司的Labview8.6图形化编程软件，通过虚拟仪器Labview对采集到的数据进行处理。在计算机上安装U18的驱动程序，运行Labview进行数据采集和数据处理。软件系统包括登陆系统、数据调零系统、数据采集系统、数据处理系统等。登陆系统是为了在实验教学中对学生进行记录，此系统将记录实验的日前、班级、姓名、学号、时间等等；调零系统是在数据采集之前对工件与传感器进行调整，使传感器测得的数据在规定的范围内；数据采集系统是对经过调零后的实验系统进行数据采集；数据处理系统是对采集到的数据进行处理，得到圆度误差。程序的运行界面如图2所示，图3为系统程序流程图。

2圆度测量的测量结果

2.1 单测头测量结果工件安装在微动台上后，对工件进行微调，但不能完全消除偏心误差，用最小二乘圆法处理可得存在偏心x0=0.382mm，y0=0.004mm圆度误差为0.033mm，圆度误差轮廓曲线如图4所示。

2.2 三点法测量结果采用三点法，用三个电感传感器安装在工作台上，分别对工件进行圆度测量，得到三点法圆度误差分离的基本方程：

S（n）=r1+d2r2+d3r3 （1）

r1，r2，r3分别为三个电感传感器所测得的数据。本实验中，r1和r2两测头的夹角角度为2=74°，r1和r3的角度为3=154°。d2=-sin3/sin（3-2），d3=sin2/sin（3-2）。

对（1）进行DFT得S（k），W（k）=1+de+de

R（k）=S（k）/W（k）（2）

对（2）进行IDFT即可求得圆度误差。

对数据进行处理后得到的数据，测得圆度误差0.016mm。圆度误差轮廓曲线如图4所示。

2.3 多步法测量结果采用多步法（8步）。测得被测工件一圈的数据后，逆时针旋转工作台45°，再次测量，如此测量8次，得到多步法的测量数据。

圆度误差计算公式为θ=vθ-vθ。θ为圆度误差，vθ为第k次测回平均值，vθ为主轴回转误差，步数m=8，采样点数为256，θ=i，i=0，1，2…255。

处理所得数据得到圆度误差为0.02mm。圆度误差曲线如图4所示。

2.4 各种圆度测量方法的分析与比较最小二乘圆法得到的圆度误差为33um，三点法为16um，多步法为20um。用勒圆度仪对被测工件进行检测，检测到的圆度误差为14.66um。通过实验结果对比，三点法和多步法对圆度误差的处理是可行的。

通过实验结果可知，利用三点法和多步法可以分离主轴回转误差，得到圆度误差值的精度更高。

3结论

本圆度测量实验系统采用二维微动工作台进行微调，再通过三点法和多步法进行误差分离和修正，得到正确的圆度误差值。采用虚拟仪器对数据的采集和处理，很好的节省了实验成本，并且提高了实验的灵活性。通过本实验系统，可以开展《误差理论与数据处理》的教学实验课程和相关的科学研究，使学生对误差理论和误差处理有更深刻的认识。

参考文献：

[1]费业泰主编.误差理论与数据处理(第五版)[M].机械工业出版社,2004.6.

[2]孙秋野，柳昂，王云爽编著.LabVIEW 8.5快速入门与提高.西安交通大学出版社，2009.05.

[3]朱训生，刘国良，杨建国，薛秉源.三点法误差分离测圆信号的精度分析[J].上海交通大学学报，1996-30-9.

[4]雷贤卿，李言.多步法圆度误差分离的演化形式及其谐波抑制分析[J].工业仪表与自动化装置，2006-1.

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