拉丝模孔型检测系统上位机软件的设计

文怀兴 杨永涛 张玉杰

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

硬质合金拉丝模是生产金属丝材的重要工具之一，它的质量优劣将直接影响金属丝材的产量和质量，尤其是在高速拉丝机中。模具孔型结构参数及各部分尺寸是模具质量的关键因素，这就要求在模具生产过程中，生产者要及时掌握这些参数，以便进行必要的研磨修正，从而提高产品质量。因此，选择合适的测量系统是快速、精确测量模具孔型的关键。

随着计算机技术的不断发展，利用计算机软件系统在工业中进行自动化的控制与监测中得到了广泛的应用。

1 拉丝模孔型结构特点

拉丝模孔的轴向结构如图1所示，按工作性质可分入口锥A、压缩锥B、定径带C和出口锥D等4部分。模具在生产过程中拉丝模的内径轮廓很重要，它决定着压缩线材所需的拉力，并影响拉拔后线材中的残余应力。

拉丝模孔型检测系统主要测量的是轴向参数，包括入口锥、工作锥、定径带长度和工作锥角度（2β，2γ）。比如压缩锥锥角2γ，主要用于确定拉拔力的大小:2γ过大，则金属丝在变形区中的流线急剧转弯，从而导致附加剪切变形增大而造成模具破裂;2γ过小，金属丝与模壁工作面的接触面积增大，从而增大金属丝与模孔的摩擦力使拉拔力增大。

2 检测系统结构设计

拉丝模内部几何结构的特点使测量器具活动空间受到限制，操作调整不便，对小孔、深孔的测量难度更大。合理的机械设计是拉丝模孔型测量系统的核心。模孔定径带的最小直径为0.5 mm，一般的测量方法无法实现内孔参数的直接测量。因此，采用如图2所示的探针式接触测量，其测量原理为:电动机4通过齿轮传动、丝杠螺母机构4带动模具1水平移动，从而使探针2产生垂直位移。探针的微小位移变化，被位移传感器转化为电压信号输出。这种间接测量将拉丝模孔轴向变化通过位移传感器转换为径向位移，最终达到测量的目的。

3 上位机软件系统的设计

上位机软件以32位的Windows XP操作系统为开发平台，并采用支持可视化编程的集成环境Visual Basic.NET作为开发工具。

软件采用模块化设计方法，主要由以下几个模块构成:发送命令模块，接收数据模块，绘制图形模块及运算处理模块。该应用软件运行后，控制系统直接进入主界面，用户可以进行数据采集命令发送、接收数据、进行曲线拟合处理，算出入口锥角，最后进行相应结果的优化和整理，保存采集数据到数据库中。上位机软件运行主界面如图3所示。

3.1 系统功能

软件系统设计的主要目的是完成对下位机采集的拉丝模具的数据进行接收，并对其进行分析和处理，最后得到需要的参数，包含的主要功能有:

（1）启动下位机进行数据采集 下位机将采集的数据通过串口上传至上位机，作为上位机软件进行后续分析的数据来源。

（2）数据处理和分析 上位机软件通过对采集来的数据进行分析和计算，计算出拉丝模孔型的相关参数，包括入口锥、工作锥角度、工作锥和定径带长度等。

（3）采集数据和分析结果的存储 上位机软件将对每次采集结果按照测量的模具类型和模具名的方式来分别存储，方便于对不同模具的测量和记录。

（4）历史数据查询和报表打印 可以根据模具类型、模具名称以及测量时间来查询之前测量过的模具数据，并可以图形方式打印输出。

（5）用户管理 系统对每个操作员设置一个用户名和密码，并且系统将记录每个操作员的操作信息，包括登录时间、退出时间等。

3.2 数据采集界面

模具位置调整好之后，点击“立即采集”按钮，开始采集数据。当数据采集完成时，单击“原始曲线”按钮之后会在左边的坐标系内显示原始曲线，颜色为绿色。如图4所示。

3.3 系统查询界面

在统计查询界面下可实现数据显示、绘图、生成报表以及打印功能。用户可通过对拉丝模型号进行设置，可以查找到对应型号模具在数据库中的历史数据及结构曲线。历史数据显示了从数据库中提取的对用户有用的信息，如检测时间、入口锥角、工作锥的角度（出口锥角）、工作锥的长度和定径带的长度;趋势曲线图显示一段时间该编号型号的工作锥角度（出口锥角）的趋势变化曲线，同时当用户单击某一个时间点的测量记录时，还可以显示该时刻的历史测量曲线。统计查询界面如图5所示。

当用户单击“生成测试报表”按钮，会生成一个测试报表，该报表直接在Word2003下生成，形象直观，方便用户查看操作。生成的报表如图6所示。

3.4 软件的操作流程

这里使用的是VB.NET中的串口通信控件Serial-Port。利用函数发送具有特定意义的字符命令来实现事件的驱动。例如:要实现上下位机的链接测试，相关函数 SendData（CTE，SP1）发送连接命令 CTE（Command－Test－End），如图7所示。

4 系统关键技术的设计

（1）实时数据显示 上位机接收到下位机传送的数据后，将数据以曲线的形式显示出来。下位机发送的数据是12位的二进制数，每一个数据使用2个字符来表示。上位机接收到二进制字符之后，将其转换为十进制数。方法是:高字节×256+低字节=十进制数。然后将转换后的数据存到数组中，将数组中的数再在图片框中显示出来。

（2）数据低通滤波 采集上来的数据由于存在误差，为了尽量减小误差，对原始数据进行滤波处理。使用低通滤波可以减小误差较大的数据产生的影响，也就是高频成分。所以，采用低通滤波中的移动平均法来对原始数据进行处理。

（3）分段直线拟合 在数据的处理过程中，采用分段最小二乘法对滤波后的数据进行直线拟合。所以在对原始数据进行滤波之后，对其进行分段直线拟合，恢复其实际的线段状态，然后才能进一步计算出需要的夹角参数。

（4）夹角计算方法 利用两角差的正切公式，计算两条直线的夹角。tan（α－β）=（tanα－tanβ）/（1+tanαtanβ）。其中，α是第1条直线的倾斜角，tanα=k1是第1条直线的斜率;β是第2条直线的倾斜角，tanβ=k2是第2条直线的斜率;α－β就是两条直线的夹角。然后，再利用反正切函数求出α－β，并且取其绝对值。

5 结语

以VB.NET为开发工具，在Windows环境下编写一个针对拉丝模孔型数据测量的可视化图形操作界面，该界面能够快速、准确地显示出滤波后拉丝模孔型的结构曲线，最后对该曲线进行分段线性拟合，得到所需要的重要参数。同时将测量结果进行保存并可根据需要打印出测量结果。针对不同工艺要求的拉丝模建立起模具数据库，达到在生产中快速测量与修复的目的。与以前的测量系统相比，该系统工作过程更加自动化、系统功能更加完善化、计算结果更加准确化。经使用表明，拉丝模孔型测量仪性能稳定、测量准确，适应大规模生产的要求。

［1］张玉杰，郑晨升，蔡陈替.拉丝模孔型测量仪的研制［J］.冶金自动化，2005（1）:63－65.

［2］李亚非，郑玉，张军强，等.Visual Basic程序设计教程［M］.南京:南京大学出版社，2009.

［3］蔡宏.Visual Basic.NET案例开发集锦［M］.北京:电子工业出版社，2008.