基于Labview的小尺寸零件直线度误差检测方法的研究

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【摘 要】机械零件几何要素的形位误差是零件的主要质量指标之一，影响机器整体的质量。直线度又是形位误差中重要的组成部分，本文主要研究基于labview的小尺寸零件直线度误差的检测系统，该系统可以采用不同方法评定直线度误差，具有准确，快速，可靠等特点。

【关键词】小尺寸;直线度;LabVIEW

0 引言

直线度是限制实际直线对理想直线变动量的一种形状公差，是几何公差中最基础的部分，在直线水平方向的偏移量称为水平直线度，垂直方向则为垂直直线度。直线度误差是指直线上个点跳动或偏离理想直线的程度，是评价机械产品质量的重要指标之一，本系统测量的直线度是在给定平面内，其公差带是距离为公差值t的两平行直线之间的区域。目前常用的小尺寸零件检测方法主要有等倾干涉仪多尺互检法，刀口尺光隙法，测微仪法，平晶干涉法等，测量过程为人工通过仪器读取数据，再进行复杂的数据计算，最后得出结果。由于操作者不同，测量结果会有差异性，且效率很低。本文提出基于Labview平台的针对小尺寸零件的测量直线度误差系统，具有测量速度快，操作简单等特点。

1 直线度误差的评定准则及方法

直线度的评定准则是最小条件准则，即被测实际要素对其理想要素的最大变动量为最小。直线度的评定方法主要有两端点连线法，最小包容区域法和最小二乘法。其中，两端点连线法精度最低;最小区域法精度最高，所得的误差值最小且是唯一的，但算法繁琐，计算量较大;最小二乘法，其评定方法简单快速，可满足一般精度要求，因而广泛地应用于生产领域。本系统将使用两点连线法和最小二乘法对直线度进行评定。

2 系统设计

整个检测系统由步进电机，测试台面，测量仪器，上位机组成，如图1所示。

图1 检测系统示意图

2.1 串口通信

测量仪器选用的是数字千分表，其和计算机通过串口相连。在LabVIEW中，编写串口通信程序，调试界面如图2所示。

用户进入串口调试程序后，可以选择串口端，设置波特率，数据位，奇偶校验，停止位。串口数据字节格式为一个字节由10bit组成，其中1位起始位，8位数据位和1位停止位，没有奇偶效验位，波特率为4800。数据一直主动发，每秒4到8次，和外部电脑的状态无关。每组数据共5个字节，见表1：

表1 数据组成

其中，同步码：0xaa，表示串行起始数据，用于数据同步。第2、3、4字节表示测量的位移数据，每个字节表示2个十进制数，数据低位先发送。第5个字节为控制字节，见表2：

表2 控制字节

其中，Bit0=公英制选择（其中0表示公制，1为英制）;Bit1=正负方向标志（其中0为正，1为负）;Bit2=1当确认按钮按下，该数据被确认。由于数据是连续发送，只有当数据线上的按键被按下时，该数据Bit2才设为1。

2.2 直线度误差评定

测量到给定平面内被测零件实际直线上的采用点坐标（xi，yi），i=1，2，…，n，由采样点坐标值建立最小二乘理想直线方程为：

y=kx+b（1）

其中k，b为待定的参数，需要满足其残余误差εi的平方和最小，即：

εi=yi-（xi+b），i=1，2，…，n（2）

J（k，b）=∑■■εi2=min

由此条件，分别求εi对k，b的偏导数，并令它们为零，求出k和b的值，确定最小二乘法拟合的直线。实际操作时，选取10个采样点，间隔5mm，将测量所得数据按直角坐标绘制曲线图，X轴为测量方向的长度，Y轴为测量时读出的数据。直线方程的一般形式为AX+BY+C=0。已知（x1，y1），（x2，y2）是直线上的点，则A=（y2-y1），B=（x1-x2），C=（y1x2-x1y2）

自点（x3，y3）至直线的距离可按下式计算：

L=■（3）

注意：计算时，X与Y的单位要一致。以最小二乘直线作为基准评，分别计算出拟合直线两侧最远点到基线距离的绝对值之和，即为用最小二乘法得出的直线度误差值。

3 结论

在实验室选取一个零件进行测量，结果数据如下所示：

图3 检测界面

其中绿色直线是拟合出的基准线，红色为首尾两点连线。在相同测量条件下，对同一个零件进行了5次测量，采样间隔为5mm。数据如表3所示。

由以上数据可见，最小二乘法比两点连线法的值更精确。对同一物体测量，稳定性较好。传统小尺寸零件直线度误差的计算过程比较繁琐，效率低，基于Labview的小尺寸零件直线度误差检测系统可以采用不同方法评定直线度误差，具有检测速度快，操作简单等特点，大大提高了检测效率。

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基金项目：北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目（12222994701）。