勒系遥，吴静静

(1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122; 2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)

0 引 言

在汽车门锁的生产装配过程中,铆点高度检测是装配质量检查的一道重要工序。传统检查方式依靠人工使用千分尺、塞规等量具进行手动测量,这种检查方式效率低下,容易视觉疲劳,人力成本高[1],已不能满足生产的需求,因此设计一种汽车门锁铆点高度自动检测系统是有必要的。

常规的高度测量方式主要可以分为接触式测量和非接触式测量[2]。非接触式测量主要以光学原理为基础,包括激光三角法、机器视觉法和激光扫描法等[3]。燕必希等人[4]设计了一种综合应用激光三角法和机器视觉测量技术的方法实现了对不同高度的小零件的测量,高度上最大误差小于0.032 mm。接触式测量主要使用接触式传感器来获取高度信息,根据原理可以分为电感式、电容式、电阻式以及霍尔式等[5]。李琪[6]基于三坐标测量机设计了一种智能测量系统,实现对圆孔、圆台、凹槽高度的高精度智能测量。接触式测量也适用于复杂表面的测量,史艺广[7]提出了一种基于三坐标的螺纹轴线测量方法,解决了与螺纹轴线相关形位误差测量的难题。

以上文献方法中,基于光学原理的非接触测量方式容易受到门锁表面润滑油的干扰而产生误差,在产线工况下存在局限性,而接触式测量对测量表面要求不高,测量精度高,因此，接触式测量方式更适合本文工况下汽车门锁铆点高度的测量。本文基于电阻式位移传感器设计了一种汽车门锁铆点高度测量系统,包括硬件系统和软件系统的设计与实现。

1 总体方案设计

1.1 铆点高度测量原理

在铆点高度测量系统中,设置3只位移传感器获取门锁锁面高度数据,并利用旋转装置旋转一定角度后多次采集并根据最小二乘法法拟合锁平面。利用所有锁面测量传感器拟合的锁平面对单个锁面测量传感器拟合的微锁平面进行误差修正。另设置4只位移传感器采集待测的4个铆点的高度数据并进行误差校正。最后建立空间直角坐标系,计算铆点到临近微锁平面的距离即为所求铆点高度。

1.2 测量系统总体设计

本文系统总体结构示意如图1所示。系统工作过程如下：顺序控制卡控制传动装置移载夹具和门锁工件到测量位置,触发接近开关,顺序控制卡收到到位信号后气缸推动位移传感器接触汽车门锁,工控机收到开始命令后采集所有位移传感器信号,经过工控机软件的处理计算出铆点高度,并根据判定阈值得出最终检测结果,最后将结果显示并返回给顺序控制卡。

图1 铆点高度测量系统结构示意

2 硬件系统设计

2.1 位移传感器

本文系统铆点高度的测量精度要求是0.01 mm,铆点到锁平面高度范围为-1～2 mm,考虑后选择MIRAN米朗科技KTR10系列传感器,该传感器可以稳定输出标准电压信号,量程为25 mm,线性精度为±0.1 %,精度为0.01 mm,解析度高,温漂小,满足系统测量精度要求。

2.2 数据采集卡

数据采集卡将传感器的模拟量信号转换为工控机可处理的电压数字量信号。考虑到本文系统需采集14路传感器信号,传感器输出电压范围为0～10 V,数据采集卡选择亚为YAV USB 16AD,该数据采集卡采用RS—232或485串口通信方式,可采集16路AI信号,采集精度不大于0.01 %,ADC分辨率为16 bit,满足系统测量要求。

2.3 电源稳压模块

传感器供电电压的稳定性至关重要[8]。位移传感器供电电源选择直流24 V电源以及一个15 V和一个9 V的降压稳压模块,输出9 V直流电压供给位移传感器,经过二级降压稳压可以很好提高传感器输出信号的稳定性。经实际测试,二级稳压后的输出电压稳定在9.18 V,满足系统要求。

3 软件系统设计

本文系统软件运行流程如图2所示。主要包括传感器误差校正、基准误差校正及铆点高度计算与判定3个部分。

图2 铆点高度测量系统软件流程

系统软件采集位移传感器信号后，根据输入电压转换获得单次电压数据,多次采集求电压平均值以减小误差得到传感器稳定电压值；然后，经过电压补偿的传感器误差校正方法校正位移传感器的自身非线性误差,以及基准误差校正以校正传感器安装引入的误差,提高测量精度；最后，建立坐标系拟合锁平面方程,计算铆点高度H。将H与设定阈值进行比较判定铆点是否“合格”,并将检测结果显示和保存。

4 测量方法设计

4.1 基于电压补偿的传感器误差校正方法

根据位移传感器量程选择22组不同高度的标准量块对传感器进行标定,采集不同高度下传感器输出电压拟合理想输出电压—位移的定度直线,并计算各位移值下实际输出电压与理想输出电压的误差,如图3所示。

图3 位移传感器标定曲线

分析图3可知：1)传感器输出电压与压缩距离不是理想线性关系；2)传感器输出电压在不同压缩值下误差不同,测量时应调整传感器安装高度使传感器在较好的线性区间内工作。计算传感器的理想输出电压V与压缩x距离的关系如式(1)所示

V=kx+Va

(1)

式中k为电压与位移的比例系数,约为338.8 mV/mm；Va为图3理想定度直线与Y轴的截距。

为了消除位移传感器自身非线性原因带来的误差,对传感器的输出电压进行电压补偿。根据多次标定试验得到传感器在不同输出电压下的补偿电压如表1所示。

表1 传感器输出电压补偿 mV

采用线性插值[9]方法来计算补偿电压Vc。根据传感器实际输出电压Vi，查表1找到最小输出电压区间[VOL,VOH](VOL≤Vi≤VOH)以及补偿电压区间[VcL,VcH],进行线性插值计算找到准确的补偿电压Vc,Vc的线性插值和补偿后传感器输出电压V计算如式(2)所示

(2)

4.2 基准误差校正方法

4.2.1 铆点高度测量模型

为了确定位移传感器输出电压与铆点高度的关系,根据工件与位移传感器的安装位置关系,建立系统的测量模型示意如图4所示。

图4 铆点高度测量模型示意

假设传感器实际输出电压Vi,根据式(1)和式(2)求得Vi和传感器压缩距离x的关系如式(3)所示

(3)

以夹具平面为基准,建立空间直角坐标系,式(3)求得的传感器压缩距离x即为三维坐标的z值,根据预先测量的铆点和锁平面测量点的二维坐标(xi,yi)得到待测铆点的三维坐标点集{(xr,yr,zr)}和锁平面测量点的三维坐标点集{(xp,yp,zp)},将{(xp,yp,zp)}采用最小二乘拟合[10]得到锁平面方程p(x,y,z),如式(4)所示

(4)

将函数f分别对系数A,B,C求一阶导数可求解出A,B,C的值,如式(5)所示

(5)

根据空间中点到平面的距离关系如式(6)所示,计算铆点到锁平面的距离H,H即为所求铆点高度

(6)

4.2.2 基准平面误差校正方法

根据4.2.1节的高度测量模型图4(b)分析系统误差。假设铆点测量传感器与锁平面测量传感器的压缩距离差为ΔH,铆点高度为H。可知误差来源主要有两个：1)不同传感器的安装高度差Δh;2)夹具的系统误差e。可知ΔH,H,Δh和e间的关系如式(7)所示

ΔH=H+Δh+e

(7)

为了消除误差e和Δh,用标准量块和所有锁平面测量传感器的拟合平面对每个传感器的测量数据进行修正。具体校正方法如下：

Step1 采集各只传感器未压缩时的初始电压{Vi}；

Step2 水平放置一个标准量块,将所有传感器下降接触标准量块并压缩合适的距离,采集各只传感器的电压{V′i},测量铆点高度时减去{Vi}和{V′i}校正误差Δh；

Step3 测量铆点高度时,所有传感器下降接触门锁工件,采集铆点测量传感器电压{V″r},再将3只锁面测量传感器多次旋转角度θ后采集电压{V″p1}{V″p2}{V″p3},并对数据进行筛选去除误差较大的值,然后，根据{V″p1}{V″p2}{V″p3}拟合出锁平面方程p(xp,yp,zp)；

Step4 由于每次上料误差,每个门锁的锁平面p(xp,yp,zp)倾斜角度不一样导致误差e。计算时各测量点电压{V″i}应减去该点在p(xp,yp,zp)平面中对应的高度值来校正误差e,修正后的各测量点电压{V″ii},进行后续铆点高度的计算。

通过以上误差校正方法,可有效消除系统误差e和Δh,提高测量精度。

4.3 铆点高度计算方法

Step1 将所有传感器安装固定,门锁工件固定在夹具上；

Step2 将所有传感器下降接触门锁工件并压缩合适的距离,采集所有传感器的电压,再将3只锁平面测量传感器多次旋转角度θ后采集电压,得到4个铆点和n个锁平面的测量电压{Vi}并进行数据筛选去除误差较大的数据；

Step3 电压补偿与误差校正。将Step2采集的测量电压{Vi}根据4.1节和4.2节进行传感器电压补偿和基准误差校正,再根据式(3)计算各个测量电压值对应位移值{zi}；

Step4 锁平面拟合。建立空间直角坐标系,以位移值{zi}作为z值,得到4个铆点的三维坐标{(xr,yr,zr)}和3只锁平面测量传感器测量点的三维坐标集合{(xp1,yp1,zp1)},{(xp2,yp2,zp2)和{(xp3,yp3,zp3)},根据最小二乘法分别拟合出3个表示局部锁平面的微平面方程P1,P2,P3；

Step5 计算铆点高度H。根据Step4中的4个铆点的三维坐标以及式(6),选择P1,P2,P3中铆点的临近平面作为计算平面P,计算铆点到计算平面P的距离H,H即为所求铆点高度。

5 试验设计与分析

试验环境为Intel®CoreTMi7—4790CPU配置的工控机,系统软件开发环境为Visual Studio2015,测试工件为实际汽车门锁工件若干件。

5.1 重复测量精度试验

根据本文方法校正传感器误差和消除系统误差后,测量一件门锁工件上所有(4个)待测铆点的高度,每个铆点重复测量10次,多次试验并分析重复测量精度,试验数据如表2所示。

表2 重复测量精度试验数据 mm

由表2试验数据可知,所测4个铆点的高度与平均高度的最大偏差为0.011 mm,计算可得4个铆点的重复测量精度为0.007 mm,重复测量精度在0.01 mm以内,满足检测精度要求。

5.2 基准误差校正前后对比试验

设置2种处理方法,一种进行基准误差校正方法处理作为对照组,另一种不进行基准误差校正方法处理作为实验组,以重复测量精度作为评价指标,用以上2种处理方法分别对同一工件同一位置的铆点重复测量10次高度,试验数据如表3所示。

表3 基准误差校正对比试验数据 mm

计算实验组与对照组铆点高度的平均值Hmean并使用式(8)计算重复测量精度R

(8)

计算得知，经过误差校正的对照组最大测量偏差为0.009 mm,重复测量精度为0.005 mm,而未经过误差校正的实验组最大偏差为0.450 mm,重复测量精度为0.024 mm,远大于经过误差校正的对照组。为更加直观体现误差校正方法处理前后的测量高度的重复情况,计算实验组与对照组10组铆点高度数据Hn与高度平均值Hmean之间的偏差,如图5所示。可以看出,经过误差校正处理的对照组测量数据波动较小,数据稳定,而未经过误差处理的实验组各次高度数据极差大,测量数据不稳定。试验表明，本文的误差校正方法可以有效提高重复测量精度。

图5 误差校正前后测量高度偏差对比

6 结 论

本文设计了一种基于电阻式位移传感器的汽车门锁铆点高度测量系统,包括硬件系统和软件系统的设计。该系统采用了基于电压补偿的传感器标定方法对位移传感器的非线性误差进行校正,并提出了一种基准误差校正方法来消除传感器安装导致的系统误差,提高了系统的重复测量精度,最后判定铆点高度是否合格。经试验验证,本文设计的汽车门锁铆点高度测量系统重复测量误差小于0.01 mm,满足汽车门锁铆点高度检测的要求。