基于LabVIEW平臺的加工誤差統計分析系統設計

于文娟，李新成，王繼偉

(青島農業大學機電工程學院，山東青島 266109)

加工誤差統計分析是運用數理統計分析法對批量零件尺寸進行抽樣檢測，通過分布曲線法找出加工誤差的種類、大小及規律，分析廢品產生的原因，提出解決方案，并采取有效措施，預防廢品產生[1-4]。目前，零件加工誤差統計分析主要有兩種方法：一種方法是人工測量零件尺寸，并利用Flash ActionScript軟件、MATLAB軟件或VB.NET軟件編程，使用計算機處理數據，繪制可視化圖表[5-8]；另一種方法是利用電渦流位移傳感器測量零件尺寸，通過數據采集卡和MATLAB軟件采集并對誤差進行統計分析[9]。前一種方法人工測量并記錄數據，人為誤差大，測量結果不準確；后一種方法雖然有較高的誤差統計分析效率，但測量過程需要根據電渦流位移傳感器的檢定數據擬合輸出電壓與測量距離間的函數關系，因此輸出電壓的測量誤差直接影響零件的測量精度。為此，迫切需要研發一種能直接、準確測量零件尺寸，并快速運算和處理數據的加工誤差統計分析系統。

1 方案設計

2 硬件系統

硬件系統主要由測量裝置、模數轉換模塊和計算機組成。硬件系統基本原理如圖1所示。系統通過測量裝置上的位移傳感器讀取零件尺寸的模擬量，并將模擬量輸送到模數轉換模塊轉換成計算機可識別的數字量，最后將數字量由端口RS232輸入到計算機，實現模擬信號向數字信號的轉換。

圖1 硬件系統基本原理

2.1 測量裝置

測量裝置為武漢華科機電工程技術有限公司生產的HJD-JZ6型形位公差測量綜合實驗臺。綜合實驗臺包括測量平臺和位移傳感器。測量平臺包括基準平臺、V型塊和三維可調整運動部件，可保證測量零件安放準確，并使位移傳感器能夠進行三維空間移動。位移傳感器為線性差動變壓器式傳感器，其特點是內部設置信號放大電路，實現一體化預校準，可直接與通用型數字顯示表、計算機數據采集系統接口配套使用。

2.2 模數轉換模塊

模數轉換模塊采用研祥智能科技股份有限公司提供的ARK-8017DHI模塊。該模塊可實現兩路單端位移傳感器模擬信號采集和數字信號轉換，通過RS232串口傳輸到計算機。它配置瞬態抑制二極管抑制浪涌脈沖，可在惡劣環境下可靠工作，具有集成度高、抗干擾能力強、穩定性高等特點[10]。

3 軟件系統

3.1 軟件功能

系統通過LabVIEW平臺編程，實現數據采集、數據處理和結果顯示功能。數據采集部分根據用戶操作，通過串口向外部發送指令和讀取數據；數據處理部分對采集的數據進行拆分、運算，并依據數據繪制圖形；結果顯示部分可顯示輸出零件尺寸測量數據表、頻數分布表，以及常值系統誤差、隨機系統誤差、工藝能力系數、工藝能力等級、廢品率等數據圖表和計算結果，并通過圖像控件描繪直方圖、實際分布圖。

3.2 前面板設計

系統的前面板是LabVIEW平臺圖形化人機交互界面，主要包括用戶信息、數據采集、數據處理等信息顯示窗口和操作按鈕。

3.3 數據采集程序設計

數據采集程序采用串口通信方式，通過系統全局變量讀取端口號，并設置串口參數(如波特率、奇偶校驗位、停止位、數據位等信息)，然后根據通信協議發送程序指令，讀取模擬量數據，輸入通道0，經過短暫延時后，上位機讀取數據。程序指令格式見表1。

數據采集程序包括循環結構和順序結構兩部分(圖2)。循環結構用來采集每個零件A、B兩點的尺寸誤差，順序結構則調用表格控件生成零件尺寸測量數據表。數據讀取過程中，可通過指示燈實時顯示采集數據開始和完成情況。

3.4 數據預處理程序設計

受到周圍電場、磁場等信號干擾，位移傳感器測量時，讀取的零件尺寸常存在異常數據。為進一步準確測量零件尺寸，設計數據預處理程序，可根據Chauvenet準則剔除最大值和最小值、計算平均值，記為零件測量結果[11]。另外，計算機采集信號為十六進制數字量，數據預處理程序可將十六進制數字量轉換為十進制數據，為后續數據處理做好準備工作。十六進制數字量最高位為符號位，其他為數字位。符號位為“0”表示零件測量誤差為正值，符號位為“1”表示零件測量誤差為負值。數據預處理程序讀取十六進制數字量后，首先根據符號位判斷誤差的正負，然后將其他數字位轉換為十進制數據。數據預處理程序如圖3所示。

3.5 數據處理程序設計

數據處理程序如圖4所示。首先，程序從預處理程序輸出結果中讀取十進制數據，根據數據確定樣本尺寸最大值和最小值，依據樣本容量計算零件尺寸分組數、組距、組中值、平均值和標準差；然后，程序調用表格控件生成零件尺寸測量數據表、頻數分布表，并以零件尺寸為橫坐標，以頻數為縱坐標，繪制零件尺寸實際分布圖和直方圖；最后，計算常值系統誤差、隨機系統誤差、工藝能力系數、工藝能力等級和廢品率。

表1 指令格式

圖2 數據采集程序

圖3 數據預處理程序

4 系統應用

4.1 器材

4.2 方法

將樣本隨機排序。在樣本中選取1號零件，用數顯游標卡尺測量1號零件任意A點尺寸，并將該讀數作為其他零件的實測基準尺寸；將1號零件放在測量平臺V型塊上，通過三維可調整部件調整位移傳感器與1號零件的相對位置，使位移傳感器測頭與1號零件A點接觸，并壓縮1～2 mm；在系統前面板輸入用戶信息，選擇數據COM端口，輸入樣本容量、零件圖公差和實測基準尺寸；測量1號零件轉動1圈的尺寸誤差，則該尺寸誤差的2倍與上述實測基準尺寸之和，記為1號零件A點的實測尺寸；同樣方法測量1號零件任意B點的實測尺寸；依次測量所有零件的實測尺寸，生成測量數據表(表2)、頻數分布表(表3)和數據處理結果(表4)。

4.3 結果分析

從表2、表3、表4可以看出：該系統測量零件尺寸數據可精確至0.001 mm，而人工測量一般只能精確至0.01 mm，因此，該系統具有較高的測量精度；該系統可自動生成和打印所有數據，與人工測量、計算、統計相比，具有較高的效率。

表2 測量數據表

表3 頻數分布表

表4 數據處理結果

5 結論

利用測量平臺、位移傳感器、模數轉換模塊設計了硬件系統，通過LabVIEW平臺編程，采集數據并進行誤差處理，實現了對零件加工誤差的智能準確測量和快速統計分析，可直接給出計算結果，具有較高的測量精度和計算效率。本文的設計可為機械制造業批量零件加工誤差統計分析提供技術支持。