基于激光位移传感器的跳动度测试仪的研制
基于激光位移传感器的跳动度测试仪的研制
作者:向晓汉;苏高峰;李润海
在传感器应用中, 激光技术一直被寄以厚望,只是由于成本太高, 使其应用始终受到限制。近年来, 随着半导体技术的进步, 激光测距传感器的价格终于下降到可以接受的程度, 从而使传感器和检测技术的性能获得大幅度的提高。波轮洗衣机的内桶主体是塑料件。为保证质量,洗衣机制造厂要对洗衣机的内桶的多个参数进行检验,其中有一个关键的参数就是洗衣机的内桶圆跳动度。传统的方法是用接触法测量,采用机械式的百分表测量,该方法的缺点非常明显,如下:
(1)测量时,测量人员注意力必须高度集中,先要判断最大值和最小值,再计算两种之差,容易产生人为因素误差,测试人员的劳动强度大;
(2)由于洗衣机的内桶检测量很大,每天要很多次旋紧和松开测量仪表的仪表杆的螺丝,仪表杆螺丝非常容易乱牙,这是厂家最不能忍受的缺点;
(3)测试时,需人力转动洗衣机内桶,容易使内桶产生晃动,从而产生随机误差;
(4)自动化程度低,劳动强度大,测量效率低;
(5)测量数据难以保存,没有引入统计学分析。
针对以上缺点,重新研制新型的跳动度测试仪就十分必要。SIROH I J、常凤筠、叶菁等人虽然对非接触测量进行了研究,但将统计技术引入非接触测量系统的研究,目前还未见报道。
2洗衣机内桶的跳动度测试仪的结构
洗衣机内桶的跳动度测试仪的机械结构比较简单,它主要由电动机1、减速器2、机架3、主轴4、和锁紧螺母6等组成。机架对整个系统起支撑作用,电动机和减速器为测试仪提供动力,锁紧螺母则将洗衣机内桶压紧到主轴上。机械的运动过程是:电动机接收到控制器的启动命令后,电动机转动,从而带动蜗轮蜗杆减速器旋转,蜗轮蜗杆减速器的输出轴与主轴相连,转动的主轴带动洗衣机内桶旋转。由于蜗轮蜗杆减速器的减速比很大(高达121),所以主轴的转速和洗衣机内桶的转速较慢 (约为12r/min),这使得内桶转动平稳,而且便于采集卡能采集更多的数据,有利于提高测量的精度。轴承的精度和机械结构的刚度对于测试仪的精度影响很大。
先由人读出内桶转动一周后最大和最小数值,再计算两者之差,将差值作为跳动度。
3跳动度测试仪的控制系统及其工作原理
3.1 跳动度测试仪的工作过程
当测试员按下“测量”按钮时,接口板收到启动信号,并对此信号进行光电隔离,之后此信号传向数据采集卡PCI-1800L,接着计算机处理此信号,计算机向数据采集卡发出电动机启动的信号,数据采集卡向接口板发出TTL信号,这个信号很弱,需要经过接口板放大后驱动继电器进而驱动接触器,再启动电动机。机架上装有1个,接近开关,当接近开关第一次接收到信号时,模拟量转换开始,实际上开始测量位移,当传感器收到第二次信号时,表明测试仪对洗衣机的内桶测试正好 周,这时计算机发出停止信号,数据采集卡不再采集模拟量信号,而且同时发出信号到接口板,接口板发出信号让电机停止旋转。测量的过程也是数据处理的过程,测量结束时,计算机很快判断跳动度是否合格。当跳动度都在误差范围内时,表明洗衣机内桶的跳动度合格,这时,数据采集向接口板发出一个信号,使三色灯的绿灯亮,同时计算机的屏幕上显示跳动度值。反之,若跳动度超差,数据采集向接口板发出一个信号,使三色灯的红灯亮,同时计算机的屏幕上显示跳动度值,最后计算机将测量值和测量时间存入数据库,完成一个测量周期。
3.2跳动度测试仪的工作原理及数据处理
测试仪的机械结构上装有 个激光位移传感器,激光位移传感器测量传感器激光发射头到内桶外圆面的位移。计算机通过数据采集卡不断采集此位移,并适时进行数据处理,将测量到的最大值和最小值保留,而将中间值抛弃,直到洗衣机的内桶转动一周为止,将传感器测到的位移最大值与最小值作减法,两者的差就是端面跳动度。
3.3 跳动度测试仪控制系统的硬件
PCI-1800L数据采集卡:PCI接口;12位分辨率;330kB/s的采集速度;16通道单端或8通道差分模拟输入;最大32倍可编程增益;16路 TTL数字量输入;16路TTL数字量输出;
接口板:可与PCI-1800L数据采集卡同时购买,自制更加省钱,其电路比较简单,输出电路由隔离电路和放大电路组成。光电隔离的目的是为了保护数据采集卡,是必须的。
工控机:PentiumIV,主频 2GHz;内存 1G;硬盘160G;17’液晶彩显。
激光位移传感器:测量范围(30±2)mm,综合误差±0.2%,0~10V,PT50系列。由于该传感器利用三角原理测量,所以安装传感器时要特别注意,两束激光组成的平面要和内桶的回转轴线共面。切不可将传感器安装成两束激光组成的平面要和内桶的轴线垂直,这样测量精度会降低。
3.4跳动度测试仪控制系统的软件
首先要在工控机中安装 Windows 操作系统(如 Windows 2000 和 Windows XP)、PCI-1800L 数据采集卡驱动程序,这样数据采集卡厂家编写的底层程序就可以被调用。上层软件采用VB编程(也可用C、VC等),VB具有易学易用和界面友好等特点,适合编写本系统的程序。位移信号的采集集和处理是本系统编程的关键,以下介绍软件的编写。
4假设检验
内桶的入厂合格率是99.5%(显著水平α =1-0.995=0.005)才能被厂家接收,很显然要等待把所有的内桶测试完成再开具验收报告是不现实的,因此必须引入统计学的分析方法,只检测部分内桶就推算出当前批次是否能被接收。由于每批次的内桶是同一厂家生产,因此可将检测到的外圆跳动度作为正态总体样本是合理的。设外圆面跳动度 X1 , X2 ,.. Xn 为总体 N(μ,σ2) 的一个样本。由于 σ2 未知,零假设为 H0 : μ <μ0(验收合格的条件是测量的跳动度小于规定的最大极限值),其对应的样本函数分布为 t(n -1)。
当测量到一定数量的样本后,以上过程可以由程序自动计算完成,判定批次产品是否合格,并自动生成WORD文档的检验报告。上述的例子只是为了说明问题,显然样本数还太少,厂家检
验样本数目应该要多些,因为检验的样本数目越多,假设检验越准确,也就是说越接近真值。
5结束语
本跳动度测量仪是典型的机电一体化产品,解决了老式跳动度测量仪的一系列问题,具有明显的优势,如下。
(1) 采用非接触式的激光位移传感器测量,提高了测量精度,抛弃机械式测量仪表,也就不存在百分表杆螺纹乱牙的问题。
(2)使用简单、自动化程度高,内桶安装完毕后,只要按一个按钮就可自动完成整个测量过程,测量人员不需要读数,减少了差错率,降低了工作难度,提高了工作效率。
(3)洗衣机内桶的转动由电机带动,消除了过去手动旋转带来的晃动,增加了测量的准确性。
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