STM32与LabVIEW平台的车用带轮 多参数检测仪的研制

使用STM32开发汽车带轮监测仪器，使用labview上位机进行数据的分析。

    在经济全球化和技术进步不断加快的背景下，以中国为主的亚洲市场上，汽
车行业蓬勃发展，以此对车用带轮部件需求愈发加大，同时，对带轮的要求也越
来越高，带轮实物图如图1.1所示。汽车制造商要求带轮合格率需达到100%
若出现一件不合格工件，将予以全部退货。因此，带轮加工后的检测环节尤为重
要，是企业提高竞争力和避免损失不可或缺的手段。
    现阶段，工厂对生产出来的带轮多采用人工方式检测，使用游标卡尺，百分
表等通用量具〔0，环节繁琐，人工测量产生的读数误差较大，员工在测量完成后，
还需手动记录相关数据，工作繁重还不能保证数据记录的正确性。管理人员得到
的测量结果往往是滞后的数据，不利于现场查出不良率，且造成人力资源的浪费。
为了满足厂商对带轮产品生产后检验测量的要求，论文研究了一种采用自动化数
据采集技术的快速检测设备替代以往人工检测方式，可一次性将多个参数显示出
来，精度高，速度快，还减少了人力资源的配置。该系统检测一个带轮所用时间
仅需数秒，大大提高了带轮的检测效率，这样可以及时发现生产线的问题，避免
传统办法因检测周期长而造成的大量废品，从而为企业节省大量成本。设备管理
方伸，节省管理费用，具有广泛的应用前景。

    目前制造企业对生产出来的带轮工件的检测工作，依然采用多个工位，流水
作业的形式，以通用量具为手段，对带轮作以下检测:
    (1)内径/圆柱度。气动量仪操作简单，配合合适的量规，将被测工件穿入量
规上，通过玻璃管上有刻度的浮标读出测量值，以其最大值与最小值的差值为圆
柱度。因为气动量仪在测量过程中，人为误差小，不会影响精度;气动测头与被
测件不直接接触，测头可减少磨损，延长使用寿命;测量主体与测头用通气导管
连接，使用中方便、灵活。正因为它具备的多种优点，在机械制造业得到了广泛
的应用。
    (2)外径。工厂里常用的测量外径的工具是外径千分尺，以千分尺夹持带轮，
旋转棘轮，读取数值，一般选择多个点求其均值，以减小误差。千分尺的测量精
度较高，但根据测量人员的熟练度不同，人为选择的夹持的两点是否处在带轮外
径上并不可知，全靠操作人员的主观测量。
垂直度。使用市场上专用的垂直度偏差测量仪进行测量。
外圆跳动。将带轮和百分表同时固定，带轮外圆周检测面抵住测头，人
(3(4
工旋转一周，测得测量表指针的最大摆动即圆跳动的值。
    (5)平行差。将带轮放置于测量平板上，使用高度杠杆比较仪在工件环面测
量一周，以测量值的最大变化量作为平行差。

    传统制造业在寻求转型，需要更多的智能化的测试设备，市场上也存在一些
带轮检测设备。如北京某公司推出的一款设备，采用机器视觉技术，运用非接触
式光学测量方式，通过光幕扫描带轮齿形，获得齿形轮廓坐标数据，并通过数学
模型，根据坐标点计算出相应参数;使带轮转动，获得跳动数据，求得跳动参数，
并自动判定是否合格，如图1.2所示。
    传统制造业在寻求转型，需要更多的智能化的测试设备，市场上也存在一些
带轮检测设备。如北京某公司推出的一款设备，采用机器视觉技术，运用非接触
式光学测量方式，通过光幕扫描带轮齿形，获得齿形轮廓坐标数据，并通过数学
模型，根据坐标点计算出相应参数;使带轮转动，获得跳动数据，求得跳动参数，
并自动判定是否合格，如图1.2所示。

    (1)制造工厂现阶段所用的通用量具检测的方法，操作简单，一个检具对应
一种测量参数，针对性较强，但是功能单一，需要多个操作人员执行;
    (2)某些参数的检测跟工人的主观能动性关系较大，选取的采样点数和人员
的操作水平对结果产生的误差影响较大;
    (3)因为此类工件需要大批量检测，操作人员在大量的重复性的检测之后，
极易出现视觉疲劳，产生误判的结果;
    (4)市场上的通用检测设备测量的参数主要针对齿形轮廓和跳动，针对性较
低，无法满足客户的检测参数要求，此类产品只能完成一部分的指标测量，其余
多项指标还需要按传统方式补充检测，故实用性较低。

    数据采集，是根据需要采集被测量信息的过程。现代科学技术日新月异的发
展，数据采集技术朝着智能化、集成化、远程化的方向进步。现阶段，数据采集
技术在日常生活、工农业设备以及其他众多领域中得到广泛的应用，是一门强调
实践性的技术。同时，它还与测量、传感器、信号分析、微控制器、计算机信息
技术等多种技术深度结合。人们可以通过对传感器信号的测量、分析、控制，实
现对生产或运作过程的测量、控制、管理的一体化和自动化。数据采集是通过对
各种传感器的电压、电流信号的取样反应被测要素的变化，实现人类观察的目的。
    数据采集系统最初是由军事上的测试系统发展而来，初期多为专用的定制性
质的系统。随着计算机的普及开来，逐渐发展出了通用的数据采集和自动控制系
统。这一阶段的数据采集系统主要分为两类，一类由计算机、通用接口总线和仪
器仪表采集器组成，主要用于实验室环境;另一类由数据采集卡、计算机和标准
总线组成，主要用于工业现场应用。该阶段的数据采集系统在测试目标发生变化
时，只需要更改相应的采集卡即可完成硬件平台的搭建，在应用上更为灵活，提
高了开发人员的选择性。进入20世纪90年代，集成电路技术飞速发展，数据采
集系统的体积越来越小，性能不断增强，随着市场需求增大，高性能的单片数据
采集系统应用而生[f210

    测量方法可分为直接测量法和间接测量法，直接测量是指无需通过数学模型
的计算，借助于相应的工具对被测要素直接测量。如使用游标卡尺测工件的高度，
卡尺读出的数值即为工件高度。这种方法直观、方便，从而最为广泛地被采用。
然而在实际情况下，很多零件很难使用工具直接测量其参数或者费时、费力，大
大增加成本，特别是大批量检测过程中，直接测量法是不可取的。在这种情况下，
使用间接测量，通过数学模型间接的计算得出测量结果往往会更加适合

    比较测量法是通过被测要素与标准件对应参数进行比较，从而计算出被测参
数相对于标准件的差异。而标准量是用其他高精度仪器标定出的精确的数值，所
以，被测参数的量值就等于差异值与标准量的代数和。这种方法，只需要把标准
量标定出，被测参数的量值就可以通过一定的数学模型得出〔J}O

    电感式传感器是利用电磁感应将被测要素转换为线圈自感或互感的变化，经
过特定的电路转换成电压或电流的变化量输出，广泛应用于微小位移的检测「6]0
    传感器测量精度应满足最严格参数公差范围的五分之一，系统中圆柱度公差
范围15 }m，所以传感器分辨率至少在3}m以内;钡J量范围满足最大参数，即100}m
以上且具备冗余;因本系统用于大批量的检测，应选择反复性较好和机械寿命较
长的器件。

    本设计针对外径、高度、平行度、垂直度参数的测量需要，选用的电感式传
感器型号为欧姆龙DSSN，该型传感器测量范围4mm，分辨率达到0.4}m，反复性
低至1.6}m，配合相应的放大器，可有两种信号输出方式，电压输出一SV}+SV或
者4}20mA电流输出，其电压/电流输出曲线如图2.4所示。

    气动式传感器具有非接触测量，精度高，抗干扰能力强等优点，可以对复杂
形状的物体进行测量，配合对应的机械方案，给常规手段不易测量的参数提供了
一种很好的解决思路〔}7。本设计选择了气动式传感器测量带轮的内径、垂直度、圆
柱度参数。
    气动式传感器是利用通常的气动测量原理，将被测量(如尺寸大小等)转换
成气压变化或者气流量变化信号，再进一步转换成电信号的一种传感器〔9l。气动测
量原理是把被测尺寸量的变化转换为气室中压力的变化或管路中流量的变化，因
此原理上气动测量分为压力式气动测量和流量式气动测量。本设计选择的气动传
感器属于压力式传感器。
    气动式传感器示意图如图2.5所示，三组气动传感器喷嘴对称的分布于气动量
规的侧面上，每一组相互对称的喷嘴内部联通，这种设计保证了喷嘴喷出的气体
压力是对称相等的，因此夹装在量规上的带轮是具有自定心功能。

    根据上表中电压和位移的对应关系拟合的线性曲线如图2.6所示。观察曲线发
现三组通道位移与电压的关系并不是严格意义上的直线，A通道在0-20},m存在明
显的非线性关系，应当使用分段函数描述他们的关系。本文中使用一维线性插值
的方法，由此将采集到的电压值计算为位移值。

    机械结构中气动功能的实现是依靠气缸活塞杆推动连接部件运动，气缸是引
导活塞在缸内进行直线往复运动或者摆动往复运动的金属机件，是将压缩气体的
压力转换成机械能的气动执行元件。按照活塞供气的方式，直线往复型气缸又可
分为单作用气缸和双作用气缸。气缸的主要组成有:缸筒、端盖、活塞、活塞杆
和密封件等。缸筒的内径大小代表了气缸驱动能力的大小;端盖上设有进、排气
接口，用以接至外部起源，是气缸的动力接口;活塞是气缸内部的受压零部件，
双作用气缸内部有左右2个腔室，一侧进气，活塞受力向另一侧运动，为防止两
腔窜气，内部设有活塞密封圈。设计中选用的气缸需要在一个方向上有可靠稳定
的伸展和缩回运动，选型时选用了单活塞双作用气缸，且内置缓冲，减小冲击。
    (1)如图2.7所示是气缸1及其联动部件。气缸活塞杆依次与波纹管联轴器、
隔板和电机连接，形成了一个统一的联动机制。气缸工作时要求工作台面平行度
尚好，否则易造成导杆扭曲，影响气缸的性能和工作寿命。为方便电机在工作台
面上的移动，设计了直线导轨，降低了摩擦力，也减小了对气缸输出的要求。波
纹管联轴器具备一定的弹性，用于吸收振动，减小活塞杆的直接冲击，使后级器
件相对平稳的运行，实现了缓冲的作用。

    (3)气缸3使用的是SMC的薄型气缸，体积小，结构紧凑，
传动场合。该气缸上安装夹具，用于固定电感传感器。 选用的气缸活塞上均安装有磁环，在缸筒上配合磁性开关，
适合行程较短的即可通过判断活塞位置来分析气缸运行状态。

    空气压缩机提供的气源接入系统气路中的二位三通电磁阀，该阀作为总开关
控制整个气路的通断。系统中需求气体的器件如气缸和气动传感器各使用了一个
调压过滤器，避免气缸动作时，气压的变化影响到气动传感器的测量。气路流程
如图2.10所示。
    调压过滤器，顾名思义，是集调压和过滤作用为一体的器件。空气中含有水
汽，若直接将气源接入电磁阀而不做过滤处理，在长时间工作下，有可能会造成
电磁阀积水，损伤器件，过滤器可以过滤空气中的水汽，保护器件长久的运转。
该器件的调压功能是为了给后级气动元件提供稳定合适的压力，若压力过大，气
缸运行速度较快，会形成一股冲击，引起工作台面振动，影响测量，通过调压器
的调节，可将速度降低到一个合理的水平。一个调压过滤器过滤空气后给3个气
缸供气，而不同的气缸因体积、推动质量的不同，需要不同的空气压力，单单通
过调压过滤器无法给所有气缸提供合适的气压。本设计中，在气缸气体接口处均
安装有速度控制阀，方便调节气缸运动的速度。

    1、电压采样。需要将传感器输出电压变换为0}3.3V，可使用求和电路将输出
电压转换为O}IOV，再使用比例算法电路按比例缩放至0一3.3 V。转换电路如图2.11
所示，当多个输入信号同时作用于集成运放的同相输入端时，就构成了同相求和
运算电路[}lo}o Un为传感器输出电压，UIZ为外接SV基准电压源，为保证最后输出
电压的变化仅由UII引起，尽量减小电路中参考电源对输出信号的影响，Ura应选
择高精度的SV电压基准。