（机械制造及其自动化专业论文）活塞环数控车床检测监控系统的研发.pdf

活塞环数控车床检测监控系统的研发 摘要 发动机己广泛应用于工业、农业、交通运输和国防建设等各个领域，提高发动机的制 造水平对国民经济的发展起着重要的作用。活塞环是发动机的重要零件之一，其自由状态 轮廓型线的加工质量直接影响到发动机的效率、油耗、噪声、缸体寿命等性能。 目前，国内多采用靠模仿形法加工活塞环型线，由于靠模本身存在的制造精度问题以 及加工过程中的磨损等因素，活塞环的加工精度难以得到保证，而活塞环尺寸精度的检测 主要依靠人工来完成，其检测精度低，效率不高，并且劳动量大。因而迫切需要开发出活 塞环数控车床的检测监控系统，提高活塞环数控车床的加工精度，以确保活塞环的加工质 量。 本文设计开发了基于虚拟仪器技术的活塞环数控车床检测监控系统，利用声发射技术 实现了对车削接触过程的检测与监控，利用主轴编码器所采集的角度信息对活塞环外圆轮 廓曲线进行数据采集，实现了活塞环型线的在线检测。本文主要研究内容包括： 对活塞环的加工工艺进行阐述，介绍自动化制造系统的检测监控技术，探讨虚拟仪器 技术的发展及应用。 对基于虚拟仪器技术的活塞环数控车床检测监控系统进行总体结构设计，明确系统的 功能要求，阐述系统的各组成要素及系统的工作原理，介绍活塞环数控车床的结构布局以 及数控系统。 介绍声发射技术的相关知识，分析声发射信号处理技术，并利用声发射技术开发了车 削接触监控系统，设计了满足系统功能需求的硬件环境，利用l a b v i e w 图形化编程语言 与v c + + 6 0 编程语言设计开发了车削接触监控系统的软件部分，使系统具有信号采集功 能、信号分析处理功能、图形显示和数据存储功能、反馈控制功能。 设计开发了活塞环外圆轮廓型线在线检测模块，选配了符合系统检测需求的硬件构组 成，利用v c + + 6 0 编程语言设计开发了活塞环型线在线检测系统的软件部分，使系统具备 数据采集功能、数据处理功能、图形显示功能、数据存储功能，提高了活塞环尺寸的检测 精度。 在活塞环数控车床上对系统进行了运行测试，确定了各硬件部分的安放位置，通过试 验证实了声发射技术用于车削接触监控的可行性，并对活塞环型线进行了在线检测，能快 速显示测量曲线和测量误差，通过相关测试证明系统能够可靠稳定地运行，并且显著提高 了活塞环数控车床的加工效率和制造精度。 关键词：活塞环；虚拟仪器；声发射；接触监控；在线检测 i i 活塞环数控车床检测监控系统的研发 a b s t r a c t e n g i n eh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，t r a n s p o r t a t i o na n dn a t i o n a ld e f e n s e c o n s t r u c t i o na n do t h e rf i e l d s e n g i n em a n u f a c t u r e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h el e v e l o fd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y t h ep i s t o nr i n gi so n eo ft h ek e y p a r t si nt h ee n g i n e t h eg e o m e t r ya n dp r e c i s i o no ff r e el i n eo fp i s t o nr i n gd i r e c t l ya f f e c to ns o m ea s p e c t so fe n g i n e a sp o w e r , o i lc o s t ，n o i s e ，l i f eo fc y l i n d e r a tp r e s e n t ，t h ep r o c e s s i n gm e t h o do ft h ef r e el i n eo ft h ep i s t o nr i n gb a s i c a l l yi st h em e t h o d o fp r o f i l ec u t t e r 、析t l lc a n li nh o m e t h em a c h i n i n ga c c u r a c yi sd i f f i c u l tt ob ea s s u r e db yr e a s o n o ft h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h ew o r k i n gw e a ro ft h ep r o f i l i n g a n dp i s t o nr i n gm e a s u r e m e n t m a i n l yr e l yo na r t i f i c i a lc o m p l e t e d ，i t sl o wp r e c i s i o n ，a n dt h el a r g ea m o u n to fl a b o r h e n c et h e u r g e n tn e e dt od e v e l o pac n cl a t h et e s tp i s t o nc o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v i n gt h ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c yo fp i s t o nr i n g ，d e t e c t i o na c c u r a c y , i no r d e rt oe n s u ep r o c e s s i n gq u a l i t yo ft h ep i s t o n r i n g s t h ea r t i c l ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ep i s t o nr i n gl a t h ei n s p e c t i o na n dm o n i t o r i n g s y s t e mw h i c hb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n du s ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yt o m o n i t o rc o n t a c t ，u s i n gt h ee n c o d e rs h a f ta n g l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e do nt h ep i s t o nf r e el i n ed a t a o nl i n e t h i sp a p e ri n c l u d e ： t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h ep i s t o nr i n gs e t ，i n t r o d u c e dt h ei n s p e c t i o na n dm o n i t o r i n g s y s t e mo fa u t o m a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , a n di n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y d e s i g nd e t e c t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，ac l e a rf u n c t i o no ft h e s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dd e s c r i b e dt h ee l e m e n t so ft h es y s t e ma n dt h es y s t e mw o r k s a n a l y s i so fa c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yr e l a t e dk n o w l e d g e ，a n du s ea c o u s t i ce m i s s i o n d e v e l o pt h es y s t e mo fl a t h ec o n t a c tm o n i t o r , d e s i g n e dt om e e tt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e mh a r d w a r ec o m p o n e n t s ，u s eo fl a b v i e wg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev c + + 6 0 p r o g r a m m i n gl a n g u a g ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dc o n t a c t st u r n i n g t h es o f t w a r ep a r to ft h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mf u n c t i o n sw i t ht h es i g n a la c q u i s i t i o n , s i g n a la n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gf u n c t i o n ，g r a p h i c a ld i s p l a ya n dd a t as t o r a g ec a p a b i l i t i e s ，f e e d b a c kc o n t r 0 1 d e s i g n e da n dd e v e l o p e df o rp i s t o nr i n gc o n t o u rf r e el i n eo nl i n em e a s u r e m e n ts y s t e m ， d e s i g n e dt om e e tt h et e s t i n gr e q u i r e m e n t so ft h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e m ，u s i n g v c + + 6 0p r o g r a m m i n gl a n g u a g ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dam o d e lo nl i n ed e t e c t i o ns y s t e m s o f t w a r ep a r to ft h es y s t e mw i t hd a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g ，g r a p h i cd i s p l a y , d a t as t o r a g e ， i m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c yo fp i s t o nr i n gp r o f i l e t or u na n dt e s tt h es y s t e mi np i s t o nc n cl a t h e ，a n dd e t e r m i n et h ep l a c e m e n to fe a c h h a r d w a r el o c a t i o n ，c o n f i r m e db ye x p e r i m e n t so fa et e c h n i q u et om o n i t o rt h ef e a s i b i l i t yo f 扬州人学硕士论文 t u r n i n gc o n t a c t s ，a n dp i s t o nf r e el i n ew e r em e a s u r e do nl i n e ，c a ns h o w st h em e a s u r e dc h i v ea n d m e a s u r e m e n te r r o rf a s t ，t h es y s t e mc a nb er e l i a b l ea n ds t a b l eo p e r m i o n ，a n dg r e a t l yi n c r e a s et h e p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yo ft h ep i s t o nr i n ga n dm a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n k e yw o r d s ：p i s t o nr i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；c o n t a c tm o n i t o r ；o nl i n em e a s u r e 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 互碣 ， 签字日期：驴扣年孑月己f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 多啮 导师签名： p 拼铭 签字日期：bf d 年9 月力i | 6 日签字日期：7 纠口年一月秒乒日 活塞环数枉车床榆漓啦拄系统的研发 第一章绪论 11 活塞环加工工艺概况 活塞环是发动机的重要零件之一，它是发动机配件中唯一做三个方向( 轴向、径向、 回转) 运动的部件，能起到保持气密性、控制机油、冷却活塞、支承导向、润滑等重要作 用，其制造质量的好坏将直接影响发动机的功率、油耗、噪声和使用寿命等性能”圳。如图 l 一1 所示，活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，菇带有开口，被装配到活 塞上相应的环槽内，和活塞一起在气缸中做往复运动。嵌入括塞槽沟的活塞环分为压缩环 和机油环，也称气环和油环，其装配结构如图1 2 所示。气环装在活塞头部上端的环槽内， 用以密封燃烧室内的压缩空气，并将活塞头部的热量传递到气缸壁，疏散活塞的热量。油 环则用来防止润滑油窜八燃烧室，并将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳，它安装在气 环的下方环槽内。在保证密封要求的前提下，活塞环数目不宜过多，活塞环数目少既保持 了堆小的摩擦面积，减少功率损耗，又缩短了活塞的高度，相应也就降低了发动机的高度， 目前发动机一般是两道气环和一道油环。 图l 一】活塞环 图】一2 活塞环装配图 由于活塞环是发动机的关键零部件，又是发动机中工况条件最苛刻的摩擦零件之一， 所以要求活塞环具有很好的工作性能。活塞环加工过程的关键工序为： i 、材料选用 传统上柴油发动机的活塞环一般使用球墨铸铁和台金铸铁，汽油发动机的活塞环一般 采用钢材。目前国内仅有合会铸铁、少量球铁和极少量台= ：i ；= 刚几种材料。合金铸铁用于农 机、空压机和轻型汽车发动机上，球铁用于载重汽车和微型车、摩托车上。相比铸铁环， 刚质活塞环无需铸造过程、重量轻、加工方法简单、成本低廉。由于汽车工业的高速发展， 过去多用于汽油机上钢质活塞环被逐渐引入到柴油机领域。在世界范围内，同本由于轿车 工业发达，钢环使用较多，钢环的工艺也更为先进，欧美国家的工程机械和重型车辆较为 发达，在铸造环领域拥有成熟的表面处理工艺。国外活塞环材料已经系列化，数量多达3 0 多种，尤其是高档次产品，如轿车、微型车用活塞环材料品种齐全，而国内低档次用台金 ： 堡壅! 塾量羔堡堡型堕芝墨堑塑! 垄 铸铁材料，中档次用球墨铸铁材料，高档次环用的合金钢几乎全部从国外进口，制造成本 还是比较高的。 2 、机械加工工艺装备 国内主要为单机台加工，加工路线很长，仅能加工中低档次产品。部分工厂从国外引 进一些加工设备，用于中高档次的部分关键工序上。国外加工设备主要用多工序组合机床， 台机床可加工多道工序t 部分设备组成生产线实现了全自动化生产，生产效率和加工精 度都很高。目前常用豹加工设备主要包括靠模仿形加工和数控加工，比较知名的有德国格 茨公司的活塞环内外圆液压仿形车床，它利用一组高精度【兀】轮靠模完成不同型线活塞环的 内外圆仿彤加工，以及日本片冈公司的车、铣复合型立式全数控活塞环机床，如图i - 3 所 示，泼机床右半部为活塞环内外圆车削单元左半部为活塞环开门铣削单元，机床使用直 线电机直接驱动活塞环加工的径向进给，取消了动力源和工作台之删的中间传动环节，同 时机床还配置了活塞环型线自动检测装置，机床性能良好，最太工作转速可达4 0 0 r p m ，但 结构复杂且价格昂贵p l 。而国内科活塞环加工设备的研制相对不足产品较少，主要产品 有扬州大学机电研究所开发的c k 系列活塞环数控车床改机床使用直线电机作为活塞环 外尉切削进给驱动系统，利用电子靠模完成活塞环自由型线的加工，加工精度好，高速响 应能力强，工作性能稳定，加工效率岛。此外还有湖南一派数控有限责任公司开发的e c k 系列数控活塞环外圆车床，该机床配置平动式数控仿形刀架，通过调用电子凸轮数据加工 活塞环外圆，机床也配置了活塞环自由型线测量仪，可以补偿修正伺服机构的加工误差。 吲】3 日本片劂下、铣复台刑立式全数拄活塞环机床 3 、表面处理 活塞环的工作条件是高温、高压，极为苛刻。发动机燃烧室爆炸的瞬间，燃气温度可 达到2 0 0 0 c 2 5 0 0 c ，往复运动的活塞遮度和负荷部根大，时活塞环的表面处理工艺提出 了极大的挑战。目前，球墨铸铁和合金铸铁“雍环多采用喷铡、氮化、喷陶瓷新工艺，以 减少环境污染，提高生产效率和高档次活摩环的使用敬果。钢质环则多采用氮化、喷钼、 扬州人学顾l ：论文 p v d 工艺，较为先进，在发达凼家尤其是同本的活塞环行、l k 内被广为采用。随着园内发动 机工业的进步，中国的活塞环行业表面处理- t 艺也得到了长足发展，端面闪镀、复合电镀、 氮化、喷钼、物理气相沉积( p v d ) 等先进的工艺都开始应用。但由于各种工艺都相应要 建立一条新的生产线，对技术、生产和资会实力提出很高要求，因此囤内目前仅仪征双环 活塞环和安庆帝伯格茨两家公司拥有上述先进工艺的生产线。 4 、检测仪器 活塞环的检测项目很多，基本均为专用仪器，国外公司大部分自制，检测仪器齐全。 由于产品比较昂贵，国内目前检测仪器除部分三资企业进口外，大部分工厂检测仪器的品 种不全，数量少，不能进彳亍全部项醚的检测。国产活塞环机床基本上没有配套自动检测仪 器，给工厂的质量管理带来较大难度1 4 j 。 漏光度与闭口间隙是活塞环两个重要的参数指标。活塞环外壁与气缸间的气密性直接 决定了发动机的工作效率p j ，我国主要以活塞环与标准环规问的光密封度来间接反映气密 性【6 】，在实际生产中，是通过观察漏光光线来评判光线通过的能力，因此有了漏光度这个 概念。闭口间隙则是活塞环放在标准气缸内，在闭口处呈现的间隙。闭口间隙用来防止活 塞环受热膨胀后卡死在缸内，因此闭口间隙尺寸对活塞环工作性能起着重要作用f 7 1 。一般 过程为将活塞环置于标准环规内，用光源从下向上照射活塞环与环规接合面，手动旋转活 塞环，同时用肉眼观察圆周的漏光情况并估算出总的漏光弧长和分布情况【8 9 1 ，得出漏光度 大小，然后再用塞尺测量闭口间隙尺寸。人工检测劳动强度大，并伴随着人为的主观因素， 检测结果精度不高，检测效率低。 1 2 自动化制造系统的检测与监控技术研究现状 在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对加工 过程进行检测与监控。对加工过程的检测与监控可以有效减小人为因素和技术因素引起的 故障停机时间，提高生产率和机床利用率。加工过程检测与监控功能主要是对加工过程中 刀具状态的检测与监控和对工件加工精度的检测【lo 】。 1 2 1 加工过程中刀具状态检测与监控技术 制造过程中影响加工质量的因素多而复杂，主要来源于刀具，机床、夹具托盘等。如 刀具磨损及破损、刀具受力变形、刀具补偿值、机床间隙、刚性、热变形、托盘零点偏移 等。国外统计资料表明，由于刀具原因引起加工误差的概率最高。因此，应在自动化制造 系统中配置刀具状态的检测与监控装置。其中，刀具与工件接触状态的检测方法一般是通 过观察接触产生的火花来判断；刀具磨损状态最简单的检测方法是记录每把刀具的实际切 削时间，并与刀具寿命的极限值进行比较，达到极限值就发出换刀信号；刀具破损状态的 简单检测方法是将每把刀具在切削加工开始前或切削加工结束后移近固定的检测装置，以 检测是否破损。上述三种方法实现方式简单，在自动化制造系统中得到广泛应用。在切削 加工过程中对刀具的状态的检测与监控需要附加检测装置，技术上比较复杂，费用较高。 4 活塞环数控车床检测监控系统的研发 常用的检测与监控方法有如下几种： l 、切削力法 切削力的变化直接反映刀具的磨损情况。图1 - 4 所示为根据切削力变化判别刀具磨损 和破碎的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会随着增大，如果刀具崩刃或 断裂，切削力会剧减。在系统中，由于工件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变 化，为了避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的特征量，即在线测量三 个切削分力足、毋和e 的相应电信号，经放大后输入除法器，得到分力比r e 和鹏， 再输入微分器得到d ( 胍) d f 和d ( f r f ：) d f 将这些数据再输入相应的比较器中，与设 定值进行比较。这个设定值是经过一系列试验后得出的，说明刀具尚能正常工作或已磨损 和破损的阈值。当各参量超过设定值时，比较器输出高电平信号，这些信号输入由逻辑电 路构成的判别器中，判别器根据输入电平值的高低可得出是否磨损或破损的结论。 图1 4 切削力法检测原理图 测力传感器( 如应变片) 安放在刀杆上测量效果最好，但由于刀具经常需要更换，结 构上难以实现。因此，将测力传感器安放在主轴前端轴承外圈上，一方面不受换刀的影响， 另一方面此处离刀具切削工件处较近，这对直接监测切削力的变化比较敏感，测量过程是 连续的。切削力检测方法实时性好，且具有一定的抗干扰能力，但需要通过实验确定刀具 磨损及破损的阈值。 2 、切削功率法 切削功率( 主电动机功率、进给电动机功率) 反映了切削力的大小。功率的测量可以 采用交流互感器、直流互感器、霍耳功率计、分流分压器等。功率法的优点是信号获取简 单、可靠，传感器便于安装，便于在生产中推广。但功率信号中的刀具磨损及破损信息较 弱，灵敏度低。 3 、振动法 将加速度传感器安装在机床工作台或刀架上，测量机床的振动信号，然后对其进行时 域和频域分析，得出刀具的状态信息。 扬州人学硕j ：论文 4 、声发射法 声发射a e ( a c o u s i t ce m i s s i o n ) 可以定义为固体在产生变形或断裂时内部迅速释放能 量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，而a e 信号则表示一个或多个a e 事件经过传感器 接收并经过系统处理后以某种形式出现的电信号。 多年研究资料表明材料中许多机制可以构成声发射源，在金属切削过程中产生声发射 信号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的接触、摩擦，刀具的破损及工件的塑性变形等。 与无损检测有关的声发射源主要有材料的塑性变形和裂纹的形成与扩展。在切削过程中产 生频率范围很宽的声发射信号，从次声频、声频直到超声频，从几赫兹到几兆赫兹不等， 其幅度从微观的位错转动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化。声发射信号可分为突发 型和连续型两种，突发型声发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发射信号 之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低，事件的频率较高，以致难以分为单独事 件f i l _ 1 9 1 。 除极少材料外，金属和非金属材料在一定条件下都有声发射现象发生，所以，声发射 检测几乎不受材料的限制，而且还可以利用时差等办法对缺陷进行定位。目前，在工程上 通常是利用声发射技术确定缺陷部位后，还需要利用其它无损检测方法加以复验。随着信 号处理水平的提高，可根据信号本身的特征，直接对缺陷的性质和严重程度进行识别。图 1 5 所示为声发射检测原理图。 质 墟的培播 图l - 5 声发射检测原理图 在正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时，声发射信号幅值远大 于正常切削，它与刀具破损面积有关，增长幅度为3 7 倍。因此声发射信号产生阶跃突变 是识别刀具破损的重要特征。声发射信号受切削条件的变化影响较小，抗环境噪声和振动 等随机干扰的能力较强。因此，声发射法识别刀具工作状态的精确度和可靠性较高，是一 种很有前途的检测方法。 1 2 2 工件尺寸精度检测技术 工件尺寸精度直接反映其质量指标，因此多采用直接测量尺寸精度的方法来保证其加 工质量。 l 、专用测量装置 6 活塞环数控车床检测监控系统的研发 在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装在机床上，不必停机，就可以在 加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的 加工过程( 如变换切削用量、刀具补偿、停止进给、退刀和停机等) 。 2 、坐标测量机测量法 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e c m m ) 是自动化制造系统的基本测量设 备，它能自动检测工件尺寸误差、形位误差以及复杂轮廓形状，其性能优异，测量数据精 确、可靠；可以自动将测量结果与预给定的公差带进行比较，根据比较结果修正刀具补偿 值，补偿刀具磨损，防止出现废品；测量时间显著缩短，用传统方法检测一工件需要几小 时，而c m m 检测只需几分钟。 c m m 与数控机床一样，工作过程由编制好的程序控制，各坐标轴的运动也和数控机 床一样，由数控装置发出移动脉冲，经位置伺服进给系统驱动移动部件运动，位置检测装 置( 旋转变压器、感应同步器、角度编码器、光栅尺、磁栅尺等) 检测移动部件实际位置。 当测量头接触工件测量表面时产生信号，读取各坐标轴位置寄存值，经数据处理后得出测 量结果。c m m 将测量结果与事先输入的制造允差进行比较，并把信号回送到c m m 计算 机。 c m m 测量效率比人工高，测量结束，还可以通过检验与检测系统送至机床的控制器， 修正数控程序中的有关参数，补偿机床的加工误差，确保系统具有较高的加工精度。但 c m m 比较笨重且价格昂贵，受环境影响明显，安装必须远离机床，需要搬运工件进行离 线测量，工件定位较困难且效率较低，目前多用于抽样检验。 3 、利用数控机床进行在线测量 数控机床是机电一体化的数字控制自动化机床，在数控精密加工和自动化生产中得到 了广泛应用和推广。数控机床和坐标测量机的系统原理类似，数控机床具有比坐标测量机 更强大的功能。将测量装置安装在机床相应部位，借助数控机床高精度导轨的联动功能， 以机床作为测量装置的载体，并配置数据处理软件，就可完成加工过程中工件尺寸精度的 检测，数控机床实质上成了一台测量机，可以对工件进行在线测量( o nl i n em e a s u r e m e n t ) 。 如图1 - 6 所示，整个系统通过测量模块与机床数控系统进行通讯，可实现加工测量一体化， 提高了加工效率和制造精度【2 0 2 3 1 。 图l 石利用数控机床进行在线测量原理图 扬州人学硕l 论文 7 一 利用数控机床进行在线测量可大大减小人工测量产生的误差，消除了工件重复定位误 差的来源，为实现高精度的加工提供了保障；测量过程不需要对工件进行运输和等待，显 著提高了加工效率。 4 、机器人辅助测量 随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有 在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件l o o ；0 n 工。因此，特别适用于自动化制造系 统中的工序间和过程测量。同坐标测量机相比，机器人测量造价低，使用灵活且易入线。 机器人测量分直接测量和间接测量。直接测量也称为绝对测量，它要求机器入具有较高的 运动精度和定位精度，因此造价也较高；间接测量又称辅助测量，特点是在测量过程中机 器人坐标运动不参与测量过程，它的任务是模拟人的动作，将测量工具或传感器送至测量 位置，这种测量方法可使机器人在线具有多种用途，但对传感器和测量装置要求较高。 1 3 现代测试系统 随着计算机、微电子技术飞速发展，对测试技术与测试仪器的要求也越来越高。测试 系统经历了从手工到自动，从专用型到通用型的发展过程。现代测试技术与计算机之问的 界限己日渐模糊，智能仪器、虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统相继出现。与计算 机技术紧密结合，已成为当今仪器和测控技术发展的主潮流，配置相应软件和硬件的计算 机能够完成许多测试功能。 1 3 1 计算机测试系统的基本组成 计算机测试系统的基本组成框图如图1 - 7 所示【2 4 1 。与传统的测试系统相比，计算机测 试系统通过将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，利用计算机系统丰富的软、硬件资 源达到测试自动化的目的。 计 算 机 总 线 图l - 7 计算机测试系统组成 实际测试系统通常需进行多参量的测量，即采集来自于多个传感器的输出信号，如果 每路信号都采用独立的输入回路( 信号调理，采样保持、a d ) ，则系统成本将大大增加， 8 活塞环数控车床榆测监控系统的研发 且系统体积庞大。同时，由于模拟器件和阻容元件的特性、参数不一致，给系统的校准带 来很大困难。因此，通常采用多路模拟开关实现信号测量通道的切换，将多路输入信号分 时输入公用的输入回路进行测量。 将模拟量转换成与其对应的数字量的过程为模数( a d ) 转换，反之，则称为数模( d a ) 转换。由刖d 转换器和d a 转换器实现上述过程，a d 和d a 转换是数字信号处理的必 要程序。通常所用的a d 和d a 转换器输出的数字量大多用二进制编码表示，以与计算机 技术相适应，大多数转换器采用电压一数字传输方式，输入、输出的模拟电压也都标准化， 给使用带来极大方便。 对模拟信号进行a d 变换后，从启动变换到变换结束，需要一定的时间，即a d 转换 器的孔径时间。当输入信号频率较高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的孔径误差。 要防止这种误差的产生，必须在，d 转换开始时将信号电平保持不变，而在a d 转换结束 后又能跟踪输入信号的变化，即输入信号处于采样状态。通过采样保持器完成上述功能。 采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。在a d 转换过程中，采样保持 对保证a d 转换的精确度具有重要作用。 1 3 2 虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是目前国内外测试技术界和仪器制造界十分 关注的热门话题。在高速度、高宽带和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在 中、低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化 测试是虚拟仪器的强项，这是传统的独立仪器难以胜任的。 虚拟仪器实际上是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，是现代计算机技术和仪器 技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器利 用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的 图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器中的硬件主要用于解决 信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的读取、分析处理、显示以 及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。图1 8 给出了 一种利用数据采集卡实现的虚拟仪器组建方案1 2 5 1 。 传 信 数 感 号 据 数 器 调 采 据 虚拟仪器面板 集 处 理 理 卡 图1 - 8 典型虚拟仪器的组建方案 l 、虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物，是电子仪器和自动测试发展的 扬州大学硕士论文 9 一 一个里程碑。如表1 1 所示，它在电子测量、声学分析、振动分析、航天航空、通信工程、 铁路交通、汽车、石化、地质勘探、半导体、生物医学、建筑工程、机械工程、教学及科 研等众多领域得到广泛应用。虚拟技术的发展将极大的影响科学技术的发展以及国防、工 业、农业的生产。下面简要介绍虚拟仪器技术在工业自动化、仪器制造和实验室方面的应 用【2 6 1 。 表1 1虚拟仪器的应用领域 i 遁q 试汉q 量工业自动化 声学测试非电检；! 匾9工业自动化食品加- r 汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉 计量校准电子测量石油和天然气工程制药生产 光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化 研发调试半导体测试 s c a d a统计流程控制 通信钡试振动测试晶片传送手臂机械制造 在工业自动化应用中，虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用， 有利于提高企业自主开发和项目管理的能力，降低工业自动化技术改造的成本。采用虚拟 仪器技术，可将分布在不同企业不同位置的各种测量仪表和控制装置连接成为一个网络系 统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维 护困难、资源配置重复等缺点，提高经济效益，降低生产成本。 仪器制造业代表了一个国家科技和工业发展水平，是否具备各种先进和高性能仪器， 对整个国家的高科技开发、工业和国防现代化都有直接的影响。目前，中高档次的仪器价 格十分昂贵，而传统台式仪器制造水平取决于设计、器件、材料、工艺、加工水平等多方 面因素，较难降低成本。采用虚拟仪器技术，可将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软 件来替代，开发出各种质优价廉的测量仪器。在高档仪器系统方面，以v x i 、p x i 为代表 的模块化虚拟仪器产品，组成小型化、高性能的集成仪器系统具有很大的优势。 在实验室应用方面，虚拟仪器技术大大降低了实验室建设和管理成本，实现了自动测 试和远程网络实验教学。传统的电子实验设备通常投资大，技术更新快、维护困难。利用 虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的虚拟仪器。 利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理、功能和操作，通过仪器 与仪器、仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与实际仪器教学相同的目的。 2 、虚拟仪器的发展 虚拟仪器技术涉及的领域很宽，它将测试技术与计算机技术、软件技术、数字信号处 理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等有机结合在一起。今 后的自动测试系统将是以计算机为核心的更高层次、更高水平的虚拟仪器系统。 虚拟仪器正沿着总线标准化、硬件模块化、编程平台图形化等方向发展。为了适应现 l o 活塞环数控车床检测监控系统的研发 场、野外等需求，虚拟仪器的小型化、轻量化和低功耗已成为主流。标准化、模块化结构 可使虚拟仪器系统体积更小、速度更高、设计更方便。a s i c 和嵌入式技术将被普遍应用 于仪器与自动化测试系统中。 随着网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，虚拟仪器技术的内容将会越来 越丰富。如简化仪器数据传输的i n t e m e t 访问技术d a t a s o c k e t 、基于组件对象模型( c o m ) 的仪器软硬件互操作技术o p c 、软件开发技术a c t i v e x 等。这些技术有效地提高了测试系 统的性能水平。 可互换虚拟仪器( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称i v i ) 也是虚拟仪器领域一 个很重要的方向，在v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 技术规范的基础上，i v i 规范建立了一种可互 换的、高性能的、更易于维护的仪器驱动器，它允许用户更换测试系统中的仪器时不必更 改测试软件程序。这有利于节省系统开发、维护的时间和费用，增加了用户在组建虚拟仪 器系统时硬件选择的灵活性。其主要作用为：关键的生产测试系统发生故障或需要重校时 无需离线进行调整；可在由不同仪器硬件构成的测试系统上开发单一测试软件系统，以充 分利用现有资源；在实验室开发的测试代码可以移植到生产环境中的不同仪器上。 1 4 本课题研究的意义和内容 1 4 1 本课题研究的意义 随着国民经济的持续发展，发动机、汽车工业j 下面临着高速增长，我国每年生产发动 机约四千多万，供给轿车、商用车、摩托车、农用车、工程机械、船用发动机等等，并保 持产量稳定增长。活塞环作为发动机心脏部位的关键零部件，市场需求持续扩大。活塞环 是发动机中工况条件最苛刻的摩擦零件之一，其生产制造涉及到铸造、热处理、机械加工、 表面处理等多个技术领域。活塞环在发动机气缸中做往复运动，起着支承、密封、传热和 导向的作用，其性能是否优异将直接影响发动机的工作表现和使用寿命。 随着科技的进步，要求发动机具有更高的功率和更低的油耗，因此对活塞环的加工制 造也提出了更高的要求。目前国内外资企业占据活塞环高端市场的8 0 以上，已经形成垄 断，并向汽车零部件的组件化集成化发展。合资企业的活塞环产量占全国活塞环总产量的 4 0 以上，民营企业基本都生产中低档次产品，企业规模小，经济效益差，竞争力弱。国 内现有活塞环加工设备多为中低档国产机床，高档活塞环加工设备主要依赖进口，价格相 当昂贵。 开发活塞环数控车床的检测监控系统可以提高加工效率和制造质量，促进活塞环行业 的发展和经济增长，同时也将大大促进我国活塞环制造业的技术进步。 1 4 2 本课题研究的内容 本课题在分析虚拟仪器技术和活塞环数控车床结构布局的基础上，进行了活塞环数控 车床检测监控系统的开发，并利用检测监控系统进行了相关的试验研究，以验证系统的可 扬州大学硕士论文 行性和实用性。具体研究内容如下： 1 ) 活塞环车削接触监控系统 配置声发射检测仪，并开发相应的软件系统，对车刀与活塞环的接触状态进行检测， 并及时将检测到的数据信息反馈到主控制系统，以控制机床的运动。 2 ) 活塞环型线在线检测系统 将高精度的活塞环数控车床和测量传感器有机结合，以完成活塞环尺寸的在线检测， 并利用软件系统进行相应的数据处理分析，同时将相关数据信息反馈给主控制系统，以指 导进步的加工。 1 5 本章小节 本章介绍了活塞环在发动机中的作用，分析了活塞环加工工艺，阐述了自动化制造系 统检测监控技术的研究现状，探讨了现代测试技术，最后指出了本课题的研究意义，并明 确了本课题的研究内容。 活塞环数控车床检测监控系统的研发 第二章活塞环数控车床检测监控系统的结构设计 本章将进行活塞环数控车床检测监控系统的总体结构设计，并介绍了活塞环数控车床 的结构布局，分析了与系统相关的虚拟仪器技术。 2 1 检测监控系统的总体结构 本课题所开发的活塞环数控车床检测监控系统如图2 1 所示，整个系统主要由两个功 能模块构成，分别为车削接触监控模块和活塞环型线在线检测模块。 系统基于虚拟仪器技术进行设计开发，要满足应用要求，能很好地完成测试任务，同 时还需要考虑成本因素，硬件部分采用p c d a q 系统即可满足应用要求。相应软件开发平 台的选择，要考虑对软件的熟悉程度和开发成本，同时还要考虑软件与硬件的兼容性能。 图2 - 1 活塞环数控车床检测监控系统组成框图 2 1 1 车削接触监控模块 车削监控模块应具有较强的通信能力、仪器控制能力、快速响应能力和强大的信息分 析处理能力。 车削接触监控模块的测试硬件设备由声发射传感器、前置放大器、主放大器和数据采 集卡等部分组成，主要完成对车削接触过程中声发射信号的采集、滤波、放大以及a d 转 换等功能。 车削接触监控模块的软件部分包括声发射信号采集、信号处理、数据管理、反馈控制 四个子模块。各模块功能如下： 1 ) 声发射信号采集模块 该模块利用相应的硬件驱动程序，控制数据采集卡进行声发射信号采集，使主机获取 所采集到的信息。 扬州火学颁1 ：论文 2 ) 信号处理模块 该模块负责对采集到的声发射信号进行相应的分析处理，滤掉噪声，剔除异常信号， 提取所需的特征参量数据。 3 ) 数据管理模块 该模块负责系统与外界的信息交换，如声发射信号波形图动态显示，声光报警等，同 时还要完成对数据的存储任务。 4 ) 反馈控制模块 该模块负责建立软件与控制系统之间的通讯，向主控制系统反馈相应信息，以调整车 床的运动参数或者改变车床的运动状态。 2 1 2 活塞环型线在线检测模块 活塞环型线在线检测模块应具有快速、高精度的数据采集能力，以及强大的数据处理 能力。 活塞环型线在线检测模块的测试硬件设备由位移传感器、位移变送器、模数转换板等 部分组成，其主要功能是采集活塞环外径数据，并完成相应的a d 转换。 活塞环型线在线检测模块的软件部分包括数据采集