一种新型便携式智能气电测微仪的研发
2021-08-18辛百灵陈桂芳
辛百灵 陈桂芳
(三门峡职业技术学院，河南，三门峡 472000)
0 引言
在目前机械加工行业，机械零件的精度检测量仪分为机械式、光学式、电感式和气动式，气动量仪是唯一非接触式测量，适用于零件的精密测量，尤其是薄壁零件和高精度零件因无测量力而备受欢迎。目前行业内广泛使用的有浮标式气动量仪、电子柱式气电测微仪和SPC气电测量工作站等，每一种量仪都有其使用范围，不能很好的与现代智能化生产相适应，为此，我们研发了一种能够完成现场检测、在线检测、多通道多参数检测、检测数据存储、传输、即时处理的方便携带的新型智能气电测微仪，该仪器集气动测量技术、气电转换技术、计算机嵌入式技术、信息通讯技术、SPC统计分析技术于一体，适用于机械加工行业各种类型企业机械零件检测的需要。
1 气动量仪检测特点分析
气动量仪的测量原理是利用喷嘴挡板机构，将间隙(位移)变化转化为气体流量或压力的变化，再将这一变化通过浮标或指针或液柱或电子柱显示出来[1]。测量介质为压缩空气，气动测量装置与被测零件之间不直接接触，是非接触式测量。气动量仪依据被测参数不同与不同测量头配合使用，指示或显示被测尺寸相对于标准尺寸的变化量，属于比较式测量。
1.1 浮标式气动量仪检测特点
浮标式气动量仪实物图如图1所示,该量仪曾经是应用最为广泛的一种气动量仪，其主要组成为空气过滤器、空气稳压器、指示部分和测量装置，其工作原理是把被测量的尺寸变化转换为相应的空气流量的变化的一种测量仪器，当压缩空气通过锥度玻璃管时流量的变化使得浮在管内的浮标位置发生相应变化，刻度尺上浮标位置的变化量就是被测尺寸的变化量。
图1 浮标式气动测量仪实物图
优点：结构简单；装配、调试、维修方便；价格低廉。
不足：刻度尺人为读数，有误差；多管量仪的各管之间存在相互干扰现象；不能提供测量信号，不适用于自动化测量。
1.2 电子柱式气电测微仪
电子柱式气电测微仪实物图如图2所示。该量仪采用了嵌入式单片机技术，是模拟气电电子柱的更新换代的数字化产品，更是浮标式气动量仪的替代产品。它是把被测量的尺寸变化转换为相应的气压变化，通过气电转换器将气压信号转换为电信号，由发光管组成的电子光柱显示测量数值的一种测量仪器。
图2 电子柱式气电测微仪实物图
优点：采用了单片机技术，进入了数字化时代，具有了智能化测量功能和USB、RS232/RS485、I/O等接口。指示部分采用了发光电子柱显示，读数更直观清晰；设置液晶显示屏，中文菜单操作界面,可人机交互方便操作，同时直接显示检测数值；可多台拼装，搭配不同气动测头，可实现多种参数测量。
不足：多种参数测量需多台拼装，不太方便；虽然有的产品可以进行多种规格被测参数的多程序设置、测量数据的存储和查询，但毕竟有限；虽然通过数据通讯功能可使现场多台量仪组成测控网络，通过服务器用SPC测量软件采集并存储测量数据，形成SPC统计图表，实现网络化在线质量管理，但毕竟不能在该量仪上实现，达不到实时监控和管理。
1.3 气电测量SPC工作站
气电测量SPC工作站是根据用户要求定制的大型智能检测仪器，其实物各不相同，但大体结构如图3所示，主要由液晶显示屏、工作台、工控机、各种通道箱、SPC测量分析软件等组成。测量原理是利用被测工件间隙变化引起气压变化，经气电转换器把气压变化转换为电压信号，送至AD板卡对模拟电信号量进行数据采集和数字处理，并采用工控机技术，建立Access数据库，使用SPC测量软件，显示屏可直接显示各通道被测尺寸的测量值。
图3 气电测量SPC工作站实物图
优点：测量数据通过外接触发按钮可保存到历史数据库存，方便质量管理人员对相应产品测量数据的追朔与查询；使用SPC测量软件能够对测量数据进行数理统计、分析、图表绘制及测量数据存储、导出和备份，可对加工机床进行工艺能力指数CP值、CPK值，PP、PPK值的计算和评定；设置多个相互独立的通道(目前大多为12个通道)，用软件模拟电子柱显示测量数据，代替多台电子柱式测微仪的拼合。
不足：SPC工作站主要应用在高精度、大批量零部件生产工厂的重点工序，以对重点参数进行统计分析。因其体积庞大，设置在固定场所，零件的检测需操作者或送检员送到工作站，由专职检查员进行检测，费时费工，又不能在线检测，达不到实时监控的目的。
2 便携式智能气电测微仪
2.1 功能要求
1) 体积小，重量轻，便于携带；
2) 成本低，操作方便，适应各类机械加工企业；
3) 性能稳定可靠，抗干扰能力强，适应于放置在加工机床旁边；
4) 智能化程度高。能够完成现场检测、在线检测、多通道多参数检测、检测数据可存储、传输、测量数据统计分析处理，实现生产过程实时监控、追朔与查询。
2.2 测量原理
本仪器的测量原理为：稳压后的气源通过可调节流阀由气动测头(喷嘴)喷向被测面，随着测量间隙的变化会引起气体压力的相应变化[2]，经高精度气电转换装置把气体压力变化转换为模拟电压信号，送至A/D转换板卡对模拟电信号进行数据采集和数字处理，经微型工控计算机系统处理，在测量软件界面显示各通道被测尺寸的测量值。根据预先设定的工件尺寸公差界限，用软件模拟光柱及颜色指示出被测工件合格与否。测量数据可保存到历史数据库存，方便提供给操作人员及后期质量管理人员对相应产品测量数据的追朔、查询，以及SPC统计分析。测量原理框图如图4所示。
图4 测量原理框图Fig.4 Block diagram of the measurement principle
2.3 硬件、软件设计
2.3.1 主要气动测量元件选型
1) 压缩空气过滤器。根据气动测量系统对净化空气要求的尘埃或液体颗粒的直径不大于5 μm[3],选用QGL-3A型三级空气过滤装置；
2) 空气稳压器。气动量仪稳定的工作需要稳定的气压源，必须将较高压力的空气降低并稳定到规定的输出压力，且此压力不受压缩空气流量的变化及气源压力波动的影响，能保持输出压力恒定[1]。按此要求选择T-10型精密减压阀；
3) 压力传感器。选择精确度0.05% FS的压阻式压力传感器SM5651；
4) A/D转换器。选择分辨率为16位的研华PCL型A/D转换器。
2.3.2 硬件设计
外形设计要着眼于小型化，便于携带。整体结构及电路采用工业集成模块化设计，硬件采用微型工控计算机系统处理器、触摸屏(配置键盘和鼠标)、A/D转换板卡。外形图如图5所示。
图5 便携式智能气电测微仪实物图
2.3.3 软件设计
软件采用MicrosoftWIN7嵌入式操作系统，置入汉化版SPC测量系统软件，实现整套系统的稳定性、方便性和测量系统的专业性、高效性。
2.4 主要功能及技术指标
2.4.1 主要功能
1) 以前使用的气动侧头、空气过滤器仍可在该量仪上使用；
2) 测量软件可对工件各参设置、修改、模拟电子柱显示，测量数据能够运算、存储和超差报警；
3) 测量软件具有对测量数据的处理、统计分析功能：质量统计分析、绘制标准偏差S、Cp值、Cpk值等工艺参数图表；
4) 通过I/O接口可控制电机、气缸、报警灯、测量按钮等执行机构，实现工件的在线自动测控；
5) 通过模块组合可实现一支到八支传感器的任意组合运算；
6) 设置4路气电转换通道，实现4路独立的测量功能，完成一个工件多个工艺参数的同时测量或同一工艺参数的批量测量；
7) 可设置多套程序以进行多种规格参数测量。其设置参数和标准件校正值分别对应程序存储，使用时调出即可；
8) 通过网络通讯，真正实现多个量仪互联、量仪与SPC工作站互联、量仪与EMS管理系统互联等 ，达到对生产过程的实时监控，可能出现异常的及时处理。同时方便了管理人员对测量数据的追溯和查询。
2.4.2 主要技术指标
指标名称值测量方式手持(机械手)测量,触发保存数据测量节拍/Hz2～3量程范围/μm10～25数显分辨率/μm0.1～0.2示值总误差/μm0.4～1.0示值变动性/μm0.2～0.5外形尺寸/mm420×350×350质量/kg8
2.5 基本操作
该量仪是数字化智能气电测微仪，其操作方式因采用嵌入式计算机MicrosoftWIN7操作系统而与电子柱式式有很大区别。现简要介绍一下基本操作步骤。
开机→出现WIN7操作界面→打开测量系统软件→测量系统操作界面，显示操作菜单：参数设置、测量、SPC控制图、数据导出、关闭系统→参数设置→测量→数据导出或SPC控制图→关闭系统(退出)。
根据测量任务，输入相应参数，实现测量目的，具体操作，详见使用说明书。
3 结语
本量仪是与现代智能化生产相适应的智能化精密测量仪器。集气动测量技术、气电转换技术、计算机嵌入式技术、信息通讯技术、SPC统计分析技术于一体，适用于机械加工行业各种类型企业机械零件检测的需要。
