基于虚拟仪器技术的形状误差测量系统研究
1 引言
机械零件在机械加工的过程中，受各种因素的影响，难免会产生一定的形状误差，通常把形状误差的大小作为评价机械加工质量的重要指标之一。形状误差的存在，会影响到机械产品的正常使用要求、机构运动的平稳性、正常使用寿命、部件之间的密封性、耐磨性，甚至会使机械设备在工作时产生振动和噪声等。
形状误差的测量，根据误差项目的不同，测量方法也是多样的，在企业中常用的方法是打表法，近年来也有企业采用专用量仪（如圆度仪）或三坐标机进行形状误差测量。采用打表法操作简单、花费较少，但处理数据比较麻烦，测量结果往往会因人为原因而存在较大误差；采用专用量仪或三坐标机可以获得较高的测量精度，但其对操作者要求较高且设备自身价格昂贵。
虚拟仪器是20世纪80年代中期出现的一种新的仪器模式，它是集计算机建模、软件技术、硬件技术、传感器技术等为一体的虚实并存仪器系统。其一般工作过程见图1.1所示。虚拟仪器已在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域得到了广泛的应用[1]。
图1.1 虚拟仪器的工作过程
2 国内外研究现状
2.1 虚拟技术
2.1.1国外发展研究现状
在国外，虚拟仪器硬件沿着两条技术路线发展：一是为了解决测控设备的高速度、高精度以及大型化问题而发展，从GPIB总线系统到VXI总线系统再到PXI总线系统的路线；二是为了解决测控设备低成本、性能高、应用普及问题，从PC插卡式系统到并口式系统再到串口式USB/FireWare方式系统[2]。在虚拟仪器软件方面，主要是虚拟仪器软件开发平台的研究。开发虚拟仪器软件，可以有以下两种方式：一是采用通用的编程软件进行设计开发，如Microsoft公司的Visual Basic与Visual C++、Borland公司的Delphi等；二是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的VEE和HPITG、美国NI公司的Lab View和Lab Windows/CVI等。其中美国NI公司的Lab View在测控软件中，应用最为广泛[3]。
目前在国外，多家公司和科研机构展开对虚拟仪器技术的研究，大体上分为以下几个方面：对基本体系结构机型深层次的开发研究[4]；以图形化虚拟仪器开发平台为基础，开发各种虚拟仪器系统，并应用于各领域[5]；对虚拟仪器系统的通信协议和通信接口进行优化设计并积极促进虚拟仪器系统的网络化应用[6]；虚拟仪器系统误差分析[7]等。
在国外，虚拟仪器应用比较广泛，如1999年，比利时根特大学普通机房每一台计算机都安装了Lab View软件；2004年美国密执根大学研究生涉及到测试和控制的工作都用Lab View解决；美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、实验、仿真系统；澳大利亚Craz工程学院研制的虚拟激光波长和发射功率测试系统[8]。
2.1.2 国内研究发展现状
虚拟仪器技术进入国内时间较短，目前国内的研究主要集中在应用开发设计和通信接口设计。据资料显示，虚拟仪器在国内应用较多的是高校，如清华大学、上海交通大学、北京科技大学、南京航空航天大学等。虚拟仪器在学校主要用于电路原理实验，信号与系统、数字信号处理实验，现代电路分析实验，电子测量，光学测量等。并且部分高校开设了虚拟仪器的基础课程和实验课程，并建有专用的虚拟仪器实验室[9]。
虽然虚拟仪器技术进入我国时间较短，但国内的科研机构和学者还是取得了一定的研究成果。如清华大学汽车系已经利用虚拟仪器技术开发出汽车发动机检测系统，应用于汽车发动机出厂前的出厂性能检验；重庆大学秦树人教授等人开发的QLV系列虚拟测量仪器，可实现故障诊断分析、速度测量、多功能示波器、高速数据采集功能，已开始用于教学和科研；上海仪器仪表厂研发制作了基于虚拟仪器的热电偶温度测试与分析系统，应用于温度测试；上海交通大学电气系制作了基于虚拟仪器的变频器测试系统，用来进行对通讯系统进行系统测试和故障诊断；上海同济大学已经制作了基于虚拟仪器技术的工程结构监控系统，并且对虚拟仪器项目进行了立项实施。在几何量检测方面，华中科技大学徐振高教授等人提出用于虚拟仪器的电感测微仪；李旦、李博、全越、俞爱林等人将虚拟仪器技术应用于表面粗糙度测量；徐树英等人将虚拟仪器技术应用与轴承外径的测量；崔敏、熊焕庭等人将虚拟仪器技术应用于齿轮齿距误差及径向误差的测量；也有学者将虚拟仪器技术应用于形状误差的测量。
2.2形状误差评定
2.2.1国外研究现状
在国外，很早就对形状误差评定方法展开了研究，并且在各方面取得了一定的技术成果。通过外国仪器公司制造生产的仪器和科技文献资料，可以看出，在此领域先进的发达工业国家，如美国、德国、英国、日本等已达到相当高的技术水平和水准。
形状误差是指经机械加工的实际被测要素形状对其理想要素的偏离量，在误差大小评定时，要采用最小包容区域法，即理想要素的位置应该符合最小条件。但是在实际应用中，采用最小包容区域法评定形状误差有一定的困难，所以只要满足零件功能要求，可以采用一些近似的方法来评定形状误差，如最小二乘法、两端点连线法等。其中最小二乘法是被大家认可并且应用最多的近似评定方法之一。从一些文献资料可以看出几十年前国外就对最小二乘法展开研究，并将其应用于形位误差的数据处理中。近年来对于其它算法的研究和应用也获得了一定的成果：Timothy Webera使用泰勒级数线性化对形状误差的非线性模型进行了线性化的模型求解[10]；Xiulan Wen对直线度误差的最小包容区域法求解采用了改进的遗传算法[11]；G.L.Samuel等人应用坐标变换法对圆度误差进行了误差处理，并与直接数据处理法进行了结果比较[12]；M.S.Shunmugam等人将计算机图形学的技术应用于直线度和平面度的数据误差处理中[13]；Hsin-Yi Lai等人用遗传算法建立数学模型评定圆柱度误差[14]；P.B.Dhanish，Li-Min Zhua分别介绍了圆度误差的最小区域法评定法；Shuo-Yan Choua，S.Hossein Cheraghi分别介绍了圆柱度误差的评定模型和方法。
2.2.2国内研究现状
我国虽然在此领域展开研究起步较晚，但自国家标准《形状和位置公差》颁布以后，在形状误差的测量方法与数据误差评定方面也取得了一定的成就：研究范围逐步扩大，由起先的直线度、平面度以及圆度误差扩大到对圆柱度、线轮廓度、面轮廓度等项目的误差评定；数学模型上展开深层次的研究，最初只是单纯地建立、求解数据误差评定的数学模型，发展到现在对数学模型的深层次研究，如解的最优性法则、唯一性以及目标函数的凸凹性等[15]；研究计算机评定形状误差算法，由最初简单地套用最优化理论算法，发展应用到追求算法的运算精度和运算速度，并能根据形状误差自身的特点和实际测量情况对算法进行优化改进，在这过程中也提出了不少实用的新算法。在以上成果和理论研究的基础上，相关科研机构己研究出形状误差自动测量装置和形状误差在线测量系统。这些成绩的取得，表明我国形位误差的评定水平跃上一个新台阶。
关于直线度和平面度误差评定研究国内也有不少报道。张玉教授等人在最小二乘法的基础上，提出“正交化”处理直线度误差和平面度误差，简化了计算公式[16]。同时他们还提出了用凸多边形法求解最小区域直线度误差，这种算法比黄金分割法等直线搜索技术在计算精度和运算速度上更胜一筹。韩祖行教授采用Powell优化方法对直线度误差和平面度误差的最小区域法评定进行了优化。其算法优点在于建立的数学模型比较简单，易于理解和实现；缺点是要对测量数据中的测点坐标进行必要的检测或变换，会使运算的速度比较慢[17]。何真教授、梁晋文教授等人借助于计算机对建立平面度误差评定数学模型，对测量数据进行函数化处理，求出了目标函数的等值线，得出平面度误差求解的目标函数是单谷函数的结论[18]。张善钟教授等人以最小区域法则为基础，应用“有序判别法”来评定平面度误差。该方法直接对初始平面测量结果的高点和低点进行排序，之后依照最小区域法进行判定和搜索，求得平面度误差值[19]。
在国内对圆度和圆柱度误差评定的数学模型和算法研究方面，也取得了一定的成果。田朝平教授等人提出了圆度误差评定的置换算法，该方法通过多次置换求出符合最小条件的圆心位置，由此得到圆度误差值[20]。张玉教授等人给出了半径偏差表示的最小二乘圆圆心公式，评定圆度误差十分方便[21]。
3 结论
针对以上论述，可以看出：虚拟仪器技术已相当成熟，并具有广泛的应用；形状误差评定算法多种多样，便于在计算机上实现。所以利用虚拟仪器技术获取测量数据并结合一定的评定算法进行形状误差测量是可行的，可应用于小型机械制造企业形状误差测量的实际问题。
参 考 文 献
[1]许治修,黄镇昌,林颖.虚拟仪器在几何量测量中的应用[J],现代制造工程,2001(12):35-36.
[2]黄学文,周敬泉.虚拟仪器技术的现状与前景.电测与仪表,2004,41(466)：5-8.
[3]张凯.Lab VIEW虚拟仪器工程设计与开发[M],北京:国防工业出版社,2004.
[4]Korrapati R,Anderson J A,Swain N K,Swain M,System modeling using virtual instrument,SoutheastCon.,2002.Proceedings IEEE5-7,2002 P121-126.
[5]张雅丽,王宝光,赵海文.虚拟仪器在电液伺服系统故障诊断中的应用[J],仪器仪表学报,2003(2):256-257.
[6]徐云杨川基于串行通信的主从式虚拟仪器技术[J],仪器仪表学报,2003,24(3):291-294.
[7] Caldara S,Nuccio S,Spataro C,Measurement uncertainty estimation of a virtual instrument,
Instrumentation and Measurement Technology Conference,2000,Proceedings of the 17th
IEEE,3,p1506-11
摘要：介绍了虚拟仪器技术应用现状及形状误差评定现状，提出了结合虚拟仪器技术构建形状误差测量系统的设想。
关键词：虚拟仪器 形状误差 评定方法
