多功能形位误差检测仪设计

1、目录摘要3前言3第1章 形状公差的概述.411形状公差的概述.412形状公差的定义.6第2章 编程软件LabVIEW简介21 LabVIEW概述.1022 LabVIEW的应用.1023 LabVIEW的编程环境.1124设计过程中常用功能简介12第3章 形位误差的评定31 直线度误差的评定.2132 圆度误差的评定.25第4章 直线度和圆度检测系统设计41 检测系统总体方案设计.2842 机械系统设计计算2843 检测系统的硬件设计.2944 检测系统的软件设计.31附录 1 程序图 .37附录2 英文翻译 英文原文.47 译文.58结束语.72参考文献 74摘要：本设计多功能形位误差测量仪

2、，通过LABVIEW虚拟仪器控制采集与进行数据处理，通过多功能数据采集卡进行采集，使数据进入计算机中，采用不同的方法评定轴类零件的直线度、圆度和同轴度，然后可以得到它们的误差值和误差曲线图。前言目前，生产现场对形位误差测试的要求不断提高，一些原有的测试手段已不能满足产品生产的需要。例如各种工件的直线度的测量，以前采用跨桥和自准直仪测出角度，再采用人工计算、作图的方法得出结论。这种方法存在两方面的不足：一是测量误差大、精度低。如从自准仪上读数时要产生误差、人工画图时要产生误差；二是劳动强度大、效率低。由于测量数据必须记录在表格中，再进行人工绘图，造成工作量大，耗费时间。多功能形位误差测量系统是一

3、种精度高、功能多、性能稳定、测量数度快、操作简单和使用方便的形位误差测量系统。该系统可对直线度、圆度等形位误差进行测量，并且可以采用不同的方法进行评定误差。第1章形状公差的概述11概述零件在加工过程中，由于机床夹具刀具系统存在几何误差，以及加工中出现受力变形、热变形、震动和磨损等影响，使被加工的零件的几何要素不可避免地产生误差。这些误差包括尺寸偏差、形状误差（包括宏观几何形状误差、波形和表面粗糙度）及位置误差。图11 零件的几何误差形状和位置误差（简称形位误差）对零件的使用功能有较大的影响。例如，孔与轴的结合，由于存在形状误差，在间隙配合中，会使间隙分布不均匀，加快局部磨损，从而降低零件的工作

4、寿命；在过盈配合中，则使过盈量各处不一致，影响联结强度。总之，零件的形状误差对机器或仪器的工作精度、寿命等性能均有较大影响。对精密、高速、重载、高温、高压下工作的机器或仪器的影响更为突出。因此，为了满足零件装配后的功能要求，保证零件的几何要素规定必要形状和位置公差（简称形位公差）。我国先行的形位公差标准为：形状和位置公差 通则、定义、符号和图形表示法（GB/T1182-1996）,形状和位置公差 未注公差值（GB/T1181996），形状和位置公差（GB/T42491996）及形状和位置公差 最大实体要求，最小实体要求和可逆要求（GB/T166711996）等。零件的形状公差共14项，见表11

5、。表11 形状公差分类表为了介绍形位公差，首先对几个有关术语说明如下：构成零件几何特征的点、线、面称为要素，要素可分为：1、 理想要素与实际要素（1） 理想要素 指具有几何学意义的要素。它是按设计要求，由图纸上给给定的点、线、面的理想状态。（2） 实际要素 指零件上实际存在的要素，即加工后得到的要素。通常由测得的要素来代替。由于存在测量误差，故测得要素并非该要素的真实状况。2单一要素与关联要素按该要素与其他要素是否存在功能关系又可分为：（1）单一要素单一要素指仅对其本身给出形状公差的要素。（2）关联要素 指对其他要素有功能关系的要素，即规定位置公差的要素。12 形状公差的定义形状公差是指单一实

6、际要素的形状所允许的变动全量。形状公差用形状公差带表达。形状公差带是限制实际要素变动的区域，零件实际要素在该区域内为合格。形状公差带包括公差带形状、方向、位置和大小等四个因素。其公差值用公差带的宽度或直径来表示，而公差带的形状、方向、位置和大小则要随要素的几何特征及功能要求而定。121各项形状公差带及其公差带尽管零件的种类繁多，但构成零件几何的要素不外乎是直线、曲线、平面。回转面和曲面等。形状公差项目有下列6项。1 直线度直线度公差用于控制直线、轴线的形状误差。根据零件的功能要求，直线度可分为在给定平面内、在给定方向上和任意方向上三种情况。（1） 在给定平面内其公差带是距离为公差值t的两平行直

7、线之间的区域。（2） 在给定方向上又可分为：、 给定一个方向其公差带是距离为公差值t的两平行平面之间的的区域（如下图1-2所示）图1-2、 给定两个方向其公差带是正截面为t1*t2的四棱柱内的区域（见下图1-3）图1-3当只需控制实际线某一给定方向上的形状误差时，按前者标注。而后者标注法则用于控制实际线两个给定方向上的形状误差。通常是指相互垂直的两个方向，以下相同。（3） 任意方向上其公差带是直径为公差值t的圆柱面内的区域(如下图)，用于实际任意方向上的形状误差均需控制的情况。图1-4标准中规定，在形位公差值前加注“F”，表示其公差带为一圆柱体，当被测要素为轴线或中心平面等中心要素时，指引线的

8、箭头应与尺寸线对齐（如上图1-4）2 圆度圆度公差带是垂直于轴线的任意正截面上半径为公差值t的两同心圆之间的区域（如下图1-5）图1-5第2章 编程软件LabVIEW简介 随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器己从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展；从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化、网络化和综合化方向发展。虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测

9、试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程于一身，实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视。所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，

10、启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果（数据、波形）和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。21 LabVIEW概述LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的简称，是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS,简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研

11、究和工业自动化领域广泛存在的实际任务。在20世纪80年代初计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通讯端口来控制总线仪器。后来，随着PC机的出现，工程师和科学家找到一种通过性能价格比高的通用PC机控制台式仪器的方法，各种基于PC机接口的板卡产品便应运而生。22 LabVIEW的应用LabVIEW 在包括航天、通讯、生物医学、电子、地球物理、机械等各个领域内得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用LabVIEW的成果和开发产品

12、。221 LabVIEW应用于测试与测量LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC串行设备和插卡数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet 、ActiveX 、DDE 和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。222 LabVIEW应用于过程控制和工业自动化LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程的控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更为复杂、更专业的工业自动化领域，在LabVIEW基础上发展起来的Bridge

13、VIEW是更好的选择。223 LabVIEW应用于实验室研究与自动化LabVIEW为科学家和工程师提供功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算机和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也为此提供专门的附加软件包。23 LabVIEW的编程环境221 LabVIEW模板与一般的程序相比，LabVIEW提供了三个浮动的图形化工具模板，分别是工具模板、控制模板和功能模板。这三个模板功能强大，使用方便，表示直观，是用户编程的主要工具。（1）工具模板 工具模板包括操作工具，定位

14、工具，标注工具，连线工具，弹出菜单工具，滚动工具断点工具探针工具，颜色工具和颜色拷贝工具。通过这样的工具，就用于VI的创建、修改和调试。 （2）控件模板控件模板按功能分类，每个工具图标双包含一系列子模板。控件模板功能强大，通过这些子模板可以找到创建程序所需的所有对象工具。使用控制模板可以给前面板增加输入控件和输出指示器。子模板包括数值子模板、布尔子模板、字符串子模板、列表和环子模板、数组和簇子模板、路径和参考名子模板、图形子模板、装饰子模板、用户控制子模板、控制子模板和AxtiveX子模板。（3）功能模板使用功能模板可创建框图程序模板上每一个顶层图标都表示一个子模板。LabVIEW框图编程的所

15、有函数按照功能分类都分布在功能模板的子模板里。每个子模板的内容及操作是LabVIEW编程最基本、最重要的内容。功能模板包括下列子模板：结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串子模板、数组子模板、簇子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器输入/输出子模板、通信子模板、数据采集子模板、分析功能子模板、示教课程子模板、高级功能子模板、选择VI子程序子模板、用户库子模板、应用控制子模板和仪器驱动子模板。通过这些功能子模板，可实现所有LabVIEW的应用功能。 24 设计过程中常用功能简介241 数据类型LabVIEW的数据类型与传统编程语言中的数据类型基本相似，除了

16、一般的数据类型之外，还有一些独特的数据类型。LabVIEW中的数据类型包括数字型(Numeric)、布尔型(即逻辑型，Boolean)和字符串型(String)；构造数据类型包括数组和簇；其他数据类型包括枚举（RefNum）、空类型等等。数字类型的前面板对象包含在控制模板 Numeric子模板中，传统的数据类型分为变量和常量两种，在某种意义上，LabVIEW的数据也可以这么分，Numeric子模板中的前面板对象就相当于传统编程语言中的数字变量，。LABVIEW的子模板包括多种不同形式的控制和指示，它们的外观各不相同，人数字量、滚动条、水箱、温度计、旋钮、表头、刻度盘以及颜色框等，但本质是完全相

17、同的，都是数字型，只是外观不同而已。在LabVIEW中布尔弄数据即逻辑型数据，它的值为真(true)或假(false)，或者为1或0。布尔型前面板对象包含在控制模板 Boolean子模板中。模板中有不同有布尔前面板对象，如不同形状的按钮、指示灯和开关等，这都是从实际仪器的开关、按钮演化来的，十分形象。采用布尔按钮可以设计出逼真的虚拟仪器前面板。与数字类型相似，这些不同的布尔控制也是外观不同，内涵相同，都是布尔型，只有0和1两个值。242 结构For循环是LabVIEW最基本的结构之一，它执行指定次数的循环，相当于语言中的For循环：For (i=0; i<N; i + ) LabVIEW

18、中的For循环可从框图功能模板FunctionStructure子模板中创建。大多数情况下，用户使用For循环处理数组。这是因为LabVIEW已经知道了元素的个数，而且自动变址功能会为用户自动处理迭代：用户所要做的所有事情是将数组装入循环，迭代次数会与数组中的元素的个数相等。移位寄存器（Register）和框架通道（Channel）两个独具特色的新概念。移位寄存器的功能是将第 i-1, i-2, i-3次循环的计算结果保存在FOR循环的缓冲区内，并在第i次循环时将这些数据从循环框架左侧的移位寄存器中送出，供循环框架内的节点使用。在循环框架上的右键弹出菜单中选择Add Shit Register

19、创建。框架通道是For循环与循环外部数据交换的数据通道，其功能是在For循环开始运行前，将循环外其他节点产生的数据送至循环内，供循环框架内的节点使用。还可以在For循环运行结束时将循环框架内节点产生的数据送至循环外，供循环外的节点使用。用连线工具将数据连线从循环框架内直接拖至循环框架外，LabVIEW会自动生成一个框架通道。框架通道有两面三刀种属性：有索引(Enable Indexing)和无索引(Disable Indexing).For循环执行的是包含在循环框架内的程序节点。其重复端口相当于C语言For中的I，初始值为0，每次循环递增步长为1。而且，重复端口的初始和步长在LabVIEW中是

20、固定不变的，若要用到不同的初始值或步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算，也可用到移位寄存器来实现。CASE选择结构，相当于C语言中的switch语句：switch(表达式)case 常量表达式1：语句1； case 常量表达式2：语句2； case 常量表达式n：语句n；default ：语句n+1； 在某种意义上还相当于C语言的if语句： if(条件判断表达式) else语句选择结构可从框图程序中的功能模板 Function Structure 中创建。最基本的选择结构是由选择框架（Case Frame）、选择端口（Selection Terminal）、框架标识符(Diagram

21、 Identifier)以及递增/递减按钮(Increment/Decrement Button)组成。 在选择结构中，选择端口相当于上述C语言Switch 语句中的“表达式”，框图表示符相当于“表达式n”。编程时，将外部控制条件连接至选择端口上，程序运行时，选择端口会判断送来的控制条件，引导选择结构执行相应框架中的内容。为与选择框架外交换数据，选择结构也有框架通道。选择结构的边框通道与For循环相类似，但有其自身特点。当外部数据连接到选择框架上供其内部节点使用时，选择结构的每一个子框架都能从该通道中获得输入的外部数据；当选择结构内部的数据需通过框架通道送至外部时，必需在每一个子框架中都连接一

22、个同数据类型的数据到同一个框架通道上。这主要是因为选择结构执行时是根据外部控制条件从其所有的子框架中选择其一执行的，子框架选择非此即彼，所以每一个子框架都必需连接一个数据。对于一个框架通道，一个子框架中如果没有连接数据，那么在根据控制执行到这个子框架时，框架通道便没有向外输出数据来源程序就会出错。LabVIEW选择结构与其他语言的选择结构相比，简洁明了，结构简单，不但相当于Switch 语句，还可以实现ifelse 语句功能。243 数学运算LabVIEW的数学运算功能主要由功能模板 Numeric子模板中的节点完成。Numeric 模板由基本的数学运算节点，类型转换节点、三角函数节点、对数节

23、点复数节点和附加常数节点组成。 基本数学运算节点不仅实现加、减、乘、除等基本运算，还可以实现求整、开方、求幂、数组求和、求积和复合运算等功能。基本运算节点支持数值输入。但与一般编程语言提供的运算符相比，LabVIEW的数学运算节点功能更强，使用更灵活，它不仅支持单一的数值量输入，还可以支持处理同类型的复合型数值量，比如由数值量构成的数组、簇和簇数组等。数值类型包括浮点数、整数和复数。模板中的Trigonometric子模板可实现各种三角函数运算，该模板中的节点均心为弧度为单位。节点的输入可以是数字标量、数字量的数组或簇、数字量的簇的数组。该模板包括了大部份常用三角函节点，如sinx、coax、

24、tanx、arcsinx、sinc等。基本运算模板还可以通过类型转换节点在各种不同的数据类型之间进行转换，通过对数节点和复数节点进行对数与复数的运算。244 比较运算比较运算就是通常所说的关系运算，比较运算节点包含在Comparison子模板中。中LabVIEW中可以进行以下几种类型的比较：数字值的比较、布尔值的比较字符串的比较以用簇的比较。比较节点在比较两个数字值时，会先将其转换为同要类型的数字。两个布尔值比较时，Ture比False值大。字符串的比较是按照字符在ASCII表中的等价数字进行比较的。245 数组创建一个数组，可从控制模板中的Array & Cluster子模板中创建。

25、但这时只不过是一个数组框架，不包含任何内容，再根据需要将相应数据类型的前面板对象放入数组框架中，更得所需的数组类型。当有一串数据需要处理时，它们很可能是一个数组，大多数的数组是一维数组，少数是二维数组，极少数为三维数组。在LabVIEW上可以创建数字类型、字符串类型、布尔类型以及其他任何数据类型的数组。数组常由LOOP循环来创建，其中，其中For循环是最佳的，因为在循环开始时它已经分配好了内存。数组是LabVIEW中常用的数据类型之一，与其他编程语言相比，LabVIEW中的数组更加灵活，独具特色。数组由三部份组成：数据类型、数据索引和数据。另外，数组在创建之初都是一维数组，如果要用到二维以上的

26、数组，用鼠标在索引显示的左下角向下拖动，或者在数组的右键弹出菜单中选择Add Dimension即可添加数组维数。对于一个数组进行操作，无非是求数组的长度、对数、对数据排序、取出数组中的元素、替换数组中的元素或初始化数组等各种运算。传统语言编程主要依靠各种数组函数来实现这些运算，而在LabVIEW中，这些函数是以功能函数节点形式表现的。下面介绍一下常用的功能：(1). Array Size 返回输入数组的长度。其输入为一个n维数组，输出为该数组各维包含元素的个数。(2)Index Array返回输入数组中由输入索引指定的元素。当输入数组为一维数组时，节点返回的是数组中与输入索引对应的元素。当输

27、入数组是n维数组时，索引端口（Index Terminals）的个数必需与数组的维数相对应(3).Reshape Array改变数组的维数。输出数组的维数由节点图标左侧demission size端口的个数决定。如把一个一维数组转换成二维数组。(4). Initialize Array初始化数组。节点的输入输出端口与数组的定义有关。数组的维数由节点左侧dimension size端口的个数决定，数组中所有元素都相同，均等于输入的element值。 (5). Build Array建立一个新数组。节点将从左侧端口输入的元素功数组按从上到下的顺序组成一个新数组。(6). Search 1D Arr

28、ay搜索指定元素在一维数组中的位置。由start index端口指定开始搜索的位置，当前数组指定位置后的那部份元素中没有元素时，节点返回；若该元素存在，则返回元素所在的位置。(7). Array Max & Min返回输入数组中的最大值和最小值，以及它们在数组中所在的位置。数组可以是任意维的，当数组中有多个元素同为最大值或最小值时，节点只返回第一个最大值或最少值所在的位置。246 波形显示控件 LabVIEW是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱

29、分析仪和逻辑分析仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，LabVIEW波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录呼（Graph）,另一类为实时趋势图（Chart），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不，同。结于事后记录图Graph方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就Graph显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；而实时

30、趋势图Chart方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。显示控件包括事后记录波形控件(WaveForm Graph)、实时趋势图控件(WaveForm Chart)、XY波形记录控件（XY Graph）、密度图形显示控件(Intensity Graph)、密度趋势控件(Intensity Chart)等XY波形记录控制器（XY Graph）是一次完成波形显示刷新，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两个数组打包构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标

31、。第3章 形位误差的评定31 直线度误差的评定形状误差的评定，既要考虑使用者的要求，又要考虑制造者的可能。即不但要规定使用者验收的项目和公差，而且要为制造者提供进行工艺误差分析的检验顶目和公差，从而把制造和使用有机地结合起来。1、 给定平面内直线度误差的评定方法（1） 最小包容区域法参看图31，根据给定平面内直线度公差带的形状，由两条平行直线包容实际被测直线S时，成“高低高”三极点相间接触，则这两条平行直线之间的区域就是最小包容区域U（简称最小区域）这称为给定平面内直线度误差最小区域判别准则。直线度的误差就是宽度fMZ。图31（2） 最小二乘中线法 参看图32，最小二乘中线L是一条穿过被测直线

32、S的理想直线，它所处的位置使实际被测直线上各点至它的平方之和为最小。以该理想直线作为评定基准，取测得各点相对于它的偏离值中的最大偏离值hmax与最小偏离值hmin之差fLS作为直线度误差。在它下面的测点的偏离值取负值，即fLShmax-hmin。图32（3） 两端点连线法参看图33，以实际被测直线S的首、末两端点B和E的连线lBE作为评定基准，取测得各点相对与它的偏离值的最大偏离值hmax与最小偏离值hmin之差fBE作为直线度误差值。在它上面的测点的偏离值取正值；在它下面的偏离值取负值，即fBE=hmax-hmin。图332、 任意方向的直线度误差的评定方法（1） 最小包容区域法根据任意方向

33、直线度公差带的形状，由圆柱面包容实际被测直线时，其中具有最小直径fMZ的圆柱内的区域就是最小区域。该圆柱面的直径即为符合定义的误差值。图34如下：图34（2） 最小二乘中线法参看图35，用轴线平行于实际被测轴线S的二乘中线lLS的圆柱面包容该实际被测轴线时，取其中具有最小直径的圆柱面的直径fLS作为误差值。具有最小直径的圆柱面与实际被测轴线的接触有两点接触和三点接触两种形式，如图35所示：图35 a b两点接触形式（见图a）是指实际被测轴线上各测点在垂直于最小中线的平面上的投影，由以相距最远两点的连线为直径的圆所包容；三点接触形式是指各测点的投影由以相距最远三点的锐角的三角形的外接圆所包容。（

34、3） 两端点联线法参看图36，用轴线平行于实际被测轴线S两端点连线lBE的圆柱面包容该实际被测轴线时，取其中具有最小直径的圆柱面的直径fBE作为误差指。具有最小直径的圆柱面与该实际被测轴线的接触有两点接触和三点接触两种形式。图3632 圆度误差的评定1 圆度误差的评定方法（1） 最小二乘圆法最小二乘圆是一个穿过实际被测轮廓的园，它所处的位置使实际被测轮廓上各测点至它的距离的平方之和为最小。其圆心称为最小二乘圆圆心。参看图37， 图37测量中心O为测量实际被测轮廓时所采用的坐标系的，令最小二乘圆圆心的直角坐标为G（a，b），按直角坐标系获得实际被测轮廓上各测点的坐标为Pi(xi，yi)，按极坐标

35、系获得实际被测轮廓上各测点的坐标为Pi(ri，)，则最小二乘圆圆心的坐标值a 和b按下式计算：式中 n 测点数目。最小二乘圆的半径R按下式计算：R取最大二乘圆圆心至实际被测轮廓的最大距离Rmax与最小距离Rmin之差作为圆度误差值fLS，即fLS=Rmax-Rmin。2 最小外接圆法最小外接圆是指外接于轴的 实际被测轮廓的可能最小圆，如图38所示。其圆心O称为最小外接圆圆心。由最小外接圆包容实际被测轮廓时，实际被测轮廓上有两个测点与该圆接触，而由这两点连成直径恰为该圆的直径（图38a）;或者实际被测轮廓上有三个测点与该圆接触，而这三点连成一个锐角，该圆圆心位于此三角形内（见图410b）。取最小

36、外接圆圆心至实际被测轮廓的最大距离（即最小外接圆半径）R与最小距离Rmin之差作为园度误差值fmc,即fmc=R-Rmina b图38第4章直线度和圆度检测系统设计41 检测系统总体方案设计检测系统采用了以微型计算机为核心的测量系统，位移测量用位移传感，被测工件与电机1同轴安装，测头与位移传感器安装在可升降调整的丝杠上，在径向测量力的作用下与被测工件保持接触，两路信号经A/D数模转换送进微型计算机内，再由软件程序处理计算得到各项误差。其总体设计方案示意图如下图所示。42 机械系统设计计算机械系统主要有底座（带导轨）、摆线轮定位夹紧装置、摆线轮旋转驱动装置、横向拖板丝杠副、纵向升降调整装置及电机

37、、传感器定位夹紧装置。设计计算主要由同组的另一位同学完成，在此不再赘述。43 检测系统的硬件设计431 PCI2003数据采集卡说明一、 介绍PCI2003卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。PCI2003板上装有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器。为用户提供了8 双/16 单的模拟输入通道和2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。程控增益可选择1、2、4、8（PGA

38、203）或1、10、100、1000（PGA202）倍，A/D转换器输入信号范围:±5V、±10V、010V，D/A转换器输入信号范围:±5V、±10V、010V。 二、主要元件布局图 19 37 RP1 RP3 RP4 RP5 XF6 RP6 RP7 XF7 RP8 XF8 AD1674 XF1 XF2 1 2 XF9 XF3 XF4 XS2 XS1 19 20 1 2 DC-DC 20 XF5 XS3 1 XF10 19 20 PCI插头432 传感器的选择测量可分为接触式测量和非接触式测量，如采用接触式测量，测头与被测工件之间的摩擦会影响测量效果，

39、而非接触式测量则不会出现这种情况，但考虑到经济问题，如选择非接触式传感器如激光传感器，在大量程测量时，传感器的价格在十几万左右，所以我们综合考虑还是选择了接触式测量，位移传感器最终选择了DA-5型直流差动变压器位移传感器，其主要技术指标：1、测量范围：±5 mm 2、线性度：< 0.05%3、工作电源：±12 v 4、额定信号输出：±5 v5、测量系统分辨率：1m44 检测系统的软件设计441直线度的程序设计（1）用两端点评定法测平面直线度首先从数据采集卡的得到直线度的测点偏差和测点的横坐标，然后根据首末两端点的坐标B（）和( ),求出两端点的连线lBE的方

40、程系数c和g：xB 然后，由各测点的坐标值用下式变换为他们相对于的新坐标值： 求出中的最大值与最小值，以他们之差作为直线度误差值。根据这种思路，在程序中用了四个index array和两个rotate 1D array来分离出首末两端点的坐标和偏差，然后根据上式的公式通过labview的运算符号来求出c和g，以及hi,再通过array Max &Min来分离出最大值和最小值，再相减就是直线度的误差了；把x坐标和z坐标用Bundle打包，输入图形控件就是直线度的偏差图了。具体程序参见附件。（2） 用最小包容区域法测直线度最小包容区域法是根据高低高的原则来编程实现的，同样从数据采集卡得到偏

41、差和坐标，然后用array Max &Min来分离出最高点和最低点，再Delete From array 来去掉最高点，然后再用array Max &Min来找出极高点，然后利用点到直线的距离的公式通过编程求出距离，则它们的距离就是直线度的误差了，至于偏差图同上，具体程序参见附件。（3） 用最小二乘中线法测平面直线度对于实际平面直线上的各点Pi,其位置可由xi， yi (i=1，2，···，m)确定，其中xi表示测点位置，yi表示测点的偏差值，可以求出最小二乘直线：yia+gxi (i=1,2,···，m)的两个参数。

42、适当得选取坐标原点，使，则得： 其中a为截距，g为斜率。在此程序中由于很多个求和，所以用了六个for循环，来求到首末两端点，然后再利用求两端点得方法来求得误差。(4)用最小二乘法测轴线度根据被测轴线的分段数n（即测点数目为n+1）和各测点的坐标（）,按最小二乘原理求出该被测轴线的最小二乘中线lLS的方程系数a， b， c，g： 式中i为测点序号，i=0，1，2，3，···，n。然后，由各测点的坐标（）按下式分别求出它们至最小二乘中线的距离Ri。找出hi中的最大值hmax，则最小直径包容圆柱面的的直径¢即为被测轴线的直线度误差值。在程序中用了三个For循环

43、，第一个控制角度，第二个求出xi 和yi得坐标，第三个求出zi得坐标，然后再求出上面的a，b，c，g和hi各值，再利用array Max &Min来求出最大值，即为误差值，具体程序参见附件。 （5）用两端点连线法测轴线度根据被测轴线的始端点的坐标B（）和末端点的坐标E（）,求出两端点连线的方程系数a,b,c,g：然后由其余各测点的坐标（）分别求出它们至两端点B和E的连线的距离hi：找出hi中的最大值hmax，则最小直径包容圆柱面的的直径¢即为被测轴线的直线度误差值。该程序的前面与上一程序大概类同，也是用了三个For循环来求出三坐标，然后再根据上面的公式求出a，b，c， g，和

44、hi的值,再求出最大值，即为误差值。具体程序参见附件。（6）用最小二乘法测圆度首先通过编程来求出最小二乘圆圆心，最小二乘圆圆心的坐标值a 和b按下式计算：式中 n 测点数目。最小二乘圆的半径R按下式计算：R取最大二乘圆圆心至实际被测轮廓的最大距离Rmax与最小距离Rmin之差作为圆度误差值fLS，即fLS=Rmax-Rmin。在程序中首先用一个For循环来求出角度，然后再求出xi和yi的坐标，再用一个For循环求出a，b和R的值，然后利用两点的距离之和的公式求出每个测点到最小二乘圆心的距离，再用array Max&Min来分离出最大值和最小值，它们之差就是误差值。画图只需把x坐标和y坐

45、标打包就可以了。具体程序见附件。（7）用最小外接圆法测圆度首先用两点距离的公式求出每两个测点的距离,然后用array Max&Min分离出最大值,也就是最大的外接圆,然后求出原点到测点的距离再找到最小的值,把刚才的直径除以2就是半径,把最大值与小值相减就是误差了。它的程序与上面的相同。445 数据采集程序、主程序及仪器前面板的设计数据采集硬件设备采用北京迪阳科技公司的PCI2003数据采集卡，数据采集程序主要是调用原有的演示程序包，两通道同时采集数据，再加进一些信号处理子模块，最终输出的数据为测点偏差。采用连续采集数据的方法，在采集程序中使用的是顺序结构，先连续采集数据，再截取一个周期

46、数据，要得到完整的一周期数据，首先要保证采集的数据大于一个周期。得到数据后再将它们进行处理，以便输出的数据可以在子程序中直接利用，详细程序见附件。主程序的功能是协调管理其它各个模块，并将各子程序有机地组合起来，形成一个完整的虚拟直线度圆度误差检测仪软件。将上述的数据采集程序、不同的方法评定直线度和圆度的误差处理程序设为（SubVI）,在主程序中调用，将它们连接好线路，并进行必要的输入及输出控制设置，详细程序见附件。仪器前面板的设计是指在虚拟仪器开发平台上，利用各种子模板图标创建用户界面。Lab VIEW提供了非常丰富的界面控件对象，可以方便地设计出生动、直观、操作方便的用户界面。我们将主程序的

47、前面板作为仪器的操作面板，通过设计，直线度和圆度的误差检测仪的操作面板如图所示。附录一以下是各程序的前面板或后面板：主程序前面板主程序程序图主程序流程图数据采集卡子程序两端点评定平面直线度最小包容区域法评定平面直线度用最小包容区域法测平面直线度最小包容区域法评定平面直线度的流程图最小二乘法评定平面直线度两端点法评定轴线度用最小二乘法评定圆度用两端点法评定圆度附录二 英文翻译 英文原文Using NI-VISA 3.0 to Control Your USB Device This tutorial is meant as a starting point for using NI-VISA t

48、o communicate with a USB device. It is not intended as a starting point for learning about USB architecture or the various protocols used in USB communication. After reading this tutorial, you should be able to install a USB device and use NI-VISA to communicate with that device, as long as you unde

49、rstand the device communication protocol.Table of Contents:· 1. USB and VISA Background· 2. Configuring NI-VISA to Control Your USB Device· 3. Using NI-VISA to Communicate with Your USB Device1. USB and VISA BackgroundVISA is a high-level application programming interface (API) used t

50、o communicate with instrumentation buses. VISA is platform independent, bus independent, and environment independent. In other words, the same API is used regardless of whether a program is created to communicate with a USB device with LabVIEW on a machine running Windows 2000 or with a GPIB device

51、with C on a machine running Mac OS X.Universal Serial Bus (USB) is a message-based communication bus. This means a PC and a USB device communicate by sending commands and data over the bus as text or binary data. Each USB device has its own command set. You can use NI-VISA Read and Write functions t

52、o send these commands to an instrument and read the response from an instrument. Check with your instrument manufacturer for a list of valid commands for your instrument.Starting with version 3.0, NI-VISA supports USB communication. Two classes of VISA resources are supported: USB INSTR and USB RAW.

53、The USB INSTR resource class is used by USB devices that conform to the USB Test and Measurement Class (USBTMC) protocol. USBTMC devices conform to a protocol that the VISA USB INSTR resource class can understand. No configuration is necessary to communicate with a USBTMC device. To communicate with a USBTMC instrument, refer to section 3. For more information about the USBTMC specification, refer to the USB Implementers Forum Web page linked below.USB RAW instruments are any USB instrument other than those i