细长轴类零件径向圆跳动测量数据处理方法研究

翟 华 ，赵子建 ，万文松 ，3

(1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；3.航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009)

细长轴类零件径向圆跳动测量数据处理方法研究

翟 华1，2，3，赵子建1，万文松1，3

(1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；3.航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009)

基于激光位移传感器三角测量技术，利用摩擦结构驱动轴转动，结合PLC对测量数据进行处理，在线实现细长轴杆类零件径向圆跳动测量。经试验测试，测量精度可达0.05mm，满足中小直径轴类零件的非接触式测量要求。

激光三角测量；径向圆跳动；数据处理；细长轴

轴类零件圆跳动的测量由手工测量向自动化测量，由接触式测量向非接触式测量发展。大多数企业都是通过人工利用量具进行接触测量，其测量精度低，速度慢，易受人工因素影响，且不适用在线检测[1]。

本文提出利用红色激光位移传感器三角测量原理，结合三圆定心机构对轴类零件定心，实现细长轴杆类零件径向圆跳动的光电非接触测量，该方法能实现快速高精度测量，适合在线自动化检测。在CAJ40-2M轴类自动矫直机的实验验证能够满足径向圆跳动测量要求。

1 细长轴径向圆跳动测量

圆跳动国标定义为：被测实际要素绕基准轴线回转一周，指示器最大读数与最小读数差。径向圆跳动的公差带为在任一垂直于基准轴线的横截面内、半径差等于公差值t、圆心在基准轴线上两同心圆所限定区域。

忽略轴截面圆度误差，如图1所以，Y轴为激光位移传感器M发出激光束，O为轴截面回转中心，O1轴圆截面中心，回转方向如图示，截面圆半径R，一次旋转角度取值为θ，O1O偏心距为e，O1B与A2B垂直。轴回转一周，传感器测得以O为回转中心半径OAN值，N为测量点数，最大值和最小值差值为轴件径向圆跳动。

图1 径向圆跳动测量示意图

基于回转中心O半径值为：

2 细长轴类零件定心机构

在实际生产中，轴类零件矫直机中细长轴定心回转要求细长轴的回转中心线与零件中心重合，满足轴转动时径向圆跳动的位置精度要求，减少测量误差。

常用无顶针孔轴类工件矫直夹紧定位，通过滚轮与工件摩擦力驱动工件旋转。滚轮摩擦驱动[2]按动轮布置方式不同分压紧轮驱动和支持轮驱动两种，本文选用压紧滚轮驱动装置，如图2所示。

压紧滚轮驱动方式是在上方驱动滚轮转动后，通过夹紧力F控制驱动零件旋转，两个支撑滚轮为零件旋转基准支撑。压紧滚轮驱动机构成对使用，放在被测件两端。

图2 滚动摩擦驱动装置简图

3 细长轴径向圆跳动的测量

3.1 输入信号的滤波处理

本文选用松下HL-G1型红色半导体激光位移传感器，直接将模拟量信号输入西门子S7-1200PLC的CPU中，模拟量信号经过采样转化为数字量后进行处理。为消除径向圆跳动测量过程中的干扰信号而获得真实的数据，常采用数字滤波处理[3]。PLC中数字滤波方法有：软件延迟滤波、平均值滤波、中间值滤波和惯性滤波等[4]。

软件延迟滤波可以提高系统可靠性，通过软件可设置延时几毫秒至几十毫秒，并对同一测量信号多次读取，结果一致时，才确认有效。本文主要通过软件进行数字量输入滤波和模拟量信号数字滤波处理。

均值滤波法在采样次数越多时，滤波效果越明显，需综合考虑采样时间及控制系统的需要。需对采样数据进行排序和比较，去掉极值后，求出算术平均值，对消除脉冲干扰和随机干扰有效。在控制程序中通常选用均值滤波法。

3.2 径向圆跳动数据采集和处理

3.2.1 数据采集

径向圆跳动测量的采样周期须从技术和经济指标综合考虑，采样周期过短，不仅增大CPU负担，而且增大A/D转换精度，可能导致和选定的A/D转换精度不匹配。过分追求高A/D转换精度变得意义不大[5]。对于本文的激光位移传感器，适当延长测量周期使其获得充足的光量，可实现稳定测量。

在PLC控制数据采集系统中，模拟输入信道均包含在模拟量输入模块中。编程直接读取模拟量连接输入模块地址，即可实现模拟量采样。如图3为模拟量采集过程中数据显示图。

图3 数据存储显示

3.2.2 数据处理

PLC对于模拟量测量范围、采样周期和采样次数均可编程设定[6]。通过PLC函数运算、循环、数据存储、传送和转换等功能，完成圆跳动测量数据分析和处理。如图4为数据处理模块图。

图4 数据处理模块结构图

松下HL-G1型红色半导体激光位移传感器，最大输出功率1MW，分辨率0.5μm，测量范围±4mm，安装在被测中心30mm处，入射激光束光斑直径100μm，采样周期有 200μs、500μs、1ms、2ms可选择。每检测一次，工件转动一周，激光位移传感器采集的数据转化成一维数组存储在数据块中，求取数组最大值与最小值之差，得出径向圆跳动。在同一采样周期，设置不同旋转速度V，可调节测量精度。

4 实验结果

如图5为径向圆跳动误差检测装置图，实验所采用工件尺寸ø14×160mm的铝合金杆件，表面较光滑，颜色为灰白色。

测量时，确保数据完整性，设置伺服电机带动工件旋转超过一圈，每转动一次，测量结果及时显示。本实验选择传感器采样周期2ms，旋转速度10＜V＜100(单位mm/s)，对工件同一圆截面进行10次测量并记录结果。用千分表再对同一圆截面进行径向圆跳动测量，测量值为2.225mm，绘出径向圆跳动与轴转速关系如图6所示。

图5 径向圆跳动误差检测装置图

图6 不同转速下径向圆跳动误差曲线

由图可知，同一采样周期，速度越大，径向圆跳动误差越大，采样轴速度 10～50(mm/s)，测量误差0.05mm，采样轴速度 50～100(mm/s)，测量误差0.1mm。

5 结论

本文采用激光传感器建立细长轴类零件径向圆跳动件测量方法，结合PLC对采样数据进行处理，在线显示细长轴类零件径向圆跳动测量值。实验表明，采样周期 2ms，采样轴速度 10～50(mm/s)，测量误差0.05mm。同一采样周期下，采样轴速度对径向圆跳动测量值有影响，速度越大，径向圆跳动误差越大。

[1] 周愿愿，等.激光位移传感器在圆柱度误差检测中的应用研究[J].机床与液压，2016，44(4)：119-121.

[2] 杨永贺，等.轴类校直机滚轮摩擦驱动的计算方法[J].工程与试验，2012，52(1)：71-73.

[3] 郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4] 陈 瑜，王孟效，汤 伟.PLC控制系统中模拟量信号采样和滤波及其 Step7 语言实现[J].电气自动化，2006，28(5)：68-71.

[5] 尚 丽，张 兴.PLC在数据采集和处理中的应用[J].控制工程，2003，10(增刊)：61-63.

[6]廖常初.S7-1200PLC编程及应用 [M].北京：机械工业出版社，2010.

[7] 宋 起，单东日.大型轴类工件径向圆跳动非接触检测方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2015，(8)：74-78.

Treatment of measurement data for radial circular run-out of slender shaft parts

ZHAI Hua1,2,3，ZHAO Zijian1,WAN Wensong1,3
(1.Research Institute of Industry and Equipment Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China;2.College of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China;3.Anhui Province Key Lab of Aerospace Structural Parts Forming Technology and Equipment,Hefei 230009,Anhui China)

On the basis of triangulation technology from laser displacement sensor,the friction mechanism has been adopted to rotate the driving shaft.The measurement data has been processed by combination of PLC.The radial circular run-out measurement of slender shaft parts has been achieved on-line.Through test,the measuring accuracy can reach 0.05mm,which can satisfy the non-contact measurement of shaft parts in small and medium diameter.

Laser triangulation measurement;Circular run-out;Data processing

TP274

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.021

1672-0121(2017)05-0070-03

2017-04-24；

2017-06-12

2016年度安徽省科技计划项目资助(1604a0902129，1604a 0902138)

翟 华(1973-)，男，博士，教授，研究院副院长，从事校直工艺理论及设计、液压系统及元件、现代设计理论及方法等研究。E-mail：jxzhaihuajx@sina.com