基于软件的精密机械元件质量检测机理研究

摘　要：本文基于计算机技术和现代传感技术研究精密机械元件质量软检测系统，项目紧密联系企业实际需求进行研究开发，实现精密机械元件的自动化检测和生产质量控制。在恒温控制元件的质量检测中，本文选用价格比较低的接触式位移传感器，研究高效的计算机软件来完成检测，达到降低成本、提高检测精度和性能的目的。

关键词：恒温元件；检测；位移；温度

1. 引言
　　长三角地区已经成为全国重要的制造业基地，中小规模的精密机械元件加工制造厂在数量上越来越多，生产制造的精密机械元件广泛用于手机、数码相机、电脑、汽车、家用电器等产品，元件加工制造质量也不断提升。但是，大部分生产企业普遍规模较小，缺乏研发技术人才，创新能力较弱，可持续发展能力不强，急需提升技术研发实力。对于精密机械元件加工制造厂，其产品质量检测和生产质量控制是企业的关键环节，由于技术及资金投入少，很多中小规模的企业都停留在传统的人工检测阶段，生产效率比较低，产品质量很难达到国际大厂商的要求。
　　国外规模大、实力强的精密机械元件加工制造企业，会投入大量资金来研究开发精密机械元件质量检测系统，目前普遍采用价格昂贵的激光传感器、位移传感器、高精度工业相机等数据采集设备，研究开发专用的检测设备，实现精密机械元件的质量检测，其生产加工的精密机械元件通常能达到下游生产企业严格的质量要求。由于这样的检测设备开发成本高，销售价格非常高，国内大部分中小企业都没有实力购买。国内也有很多研究人员研究出了各种精密机械元件检测方法和仪器，但成套设备购置成本通常比较高，检测的具体实现方法和手段不能满足不同的生产企业的实际需求。所以，研究一种灵活的以计算机软件为核心，通过一定的传感器来检测精密机械元件质量的检测系统，对于降低设备成本、提高检测效率非常重要。
　　本文阐述了一种普遍应用于汽车、摩托车、水龙头等需要温度控制的恒温元件质量检测系统的研发机理，由于选用了价格较低的接触式位移传感器，通过计算机软件来控制检测过程，突出计算机软件的在检测中的核心作用，替代价格昂贵的硬件投入，达到降低成本、提高精度和检测效率的目的。
2. 恒温元件位移温度特性
　　恒温元件的行程（位移）会随着温度的变化而变化，其温度提升特性需要达到规定的标准才能正常的使用。在恒温元件的研制阶段，其温度提升特性的检测结果可以作为元件设计改进的重要依据，在生产阶段，恒温元件生产企业在产品出厂前必须对其温度提升特性进行检测，产品达到合格的标准后才能出厂。
　　由于每次检测时，需要缓慢提升温度，一次完整的检测耗费的时间一般要两个多小时，传统的人工检测方法已不能满足高效的批量的检测要求，而且，由于人工检测所得到的数据精度不能保障，误差比较大，导致检测的可信度降低。本系统使用计算机来进行数据的采集、检测和数据分析，各种控制功能均由计算机软件来实现，提高了检测效率。同时，开发时使用传统的软件开发方法来设计开发检测系统软件，显著降低了检测设备的开发成本。
　　各种恒温元件由于使用的场合和用途不一样，其所需的温度提升特性也设计得不一样，如型号为SF/0168-1A的恒温元件主要用于摩托车加浓阀，型号为SH09-WB/01A的恒温元件主要用于水龙头等器具的恒温控制。这里简单介绍一下SH09-WB/01A恒温元件的温度提升特性：将恒温元件置于水中，将水温缓慢升高，使得恒温元件的温度也缓慢升高，温度从6℃升到20℃时，恒温元件行程应为2.6±0.2毫米，温度从20℃升到30℃时，恒温元件行程应为2.25±0.12毫米，温度从6℃升到50℃时，恒温元件行程应小于7毫米。同时，需测试升温特性和降温特性的差别即滞后性，当温度上升到20℃时，记录下位移值，再当温度由高缓慢降低到位移值与此位移相等时，所对应的温度值与20℃的差值就是滞后性，SH09-WB/01A恒温元件的滞后性要求小于1。
　　从恒温元件的温度提升特性来看，要检测的数据非常多，检测时间比较长，使用计算机软件来替代人的操作和计算，将大大提高检测的精度和可靠性。
3. 检测系统硬件构成
     本系统硬件由位移传感器、温度传感器、恒温水槽、测试支架、数据采集卡、计算机等构成。系统结构图如图1所示。
    
　　图1 系统硬件结构图
     恒温水槽具有加热和制冷功能，水温可控制在-10摄氏度到100摄氏度之间，检测时，将恒温元件及温度传感器完全浸入水槽的水中。为了使得水温均匀，需要开启水槽的循环功能，使得水槽中的水不断的流动。
     在测量位移时，需要达到0.01毫米的精度，可以选用接触式的位移传感器和非接触式的位移传感器[1]。非接触式位移传感器常见是激光传感器，其精度比较高，能达到测量的要求，但是价格大约是接触式的位移百分表的5倍以上，考虑到本检测设备主要是为中小规模的生产企业设计，需要较低的设备购置成本，故采用接触式的位移传感器，即位移百分表。接触式的位移百分表精度比激光传感器低，但已能满足本类元件的检测要求。由于，接触式的位移百分表工作温度一般不超过40摄氏度，而恒温元件的测量范围要远远超过40摄氏度，因此，设计时，在位移百分表的探针和测量元件之间加上一层隔热的碳素棒，使得位移百分表能正常的工作。
　　测量恒温元件的温度时，温度传感器的精度要求比较低，一般达到0.1摄氏度的精度即可以。铂电阻因具有测温范围大、性能稳定、重复性好等特点，工业上被广泛应用[2]，本项目选用PT100铂电阻和温度校准电路作为温度检测传感器，温度传感器输出的是模拟电压信号，要得到实际的温度值，需要经过多个步骤才能得出[3]，本文选用数据采集卡的16位AD采集端口将测得的温度信号转换为数值大小。
4. 检测系统软件开发
     本系统软件有四个核心的子模块，如图2所示。其中SF/0168-1A参数检测模块和SH09-WB/01A参数检测模块分别用于两种型号的恒温元件位移温度提升特性的检测。串口调试模块用于接收位移传感器的数据，以便分析位移传感器是否正常工作。温度参数调试模块用于温度传感器的系数调校。系统可检测多种规格的恒温元件质量参数，且该系统的温度测量系统具有自动调校功能，以便在使用时可以更换不同的温度传感器。
图2  恒温元件质量检测系统软件模块图
　　温度检测使用查表法来实现，在温度校准时，记录标准的温度计的温度值与 PT100温度检测模块输出的电压值，每隔1摄氏度记录一个数据，在数据库中形成一张温度-电压转换表。这样，当实际测量温度时，可以通过查表法来换算出实际温度。同时，测量时的数据采用中值滤波法进行滤波，使得测量到的数据更加可靠准确。
　　检测系统软件开发目前有两种常用的方法，一种是使用如LabVIEW、LabWindows/CVI等虚拟仪器专用开发工具来开发测试系统.电子测量技术，2010,33(1).

受浙江省教育厅科研项目资助（立项编号：Y201019114）
受浙江省教育厅科研项目资助（立项编号：Y201019114）