基于虚拟仪器的圆度误差测量系统设计

　　圆度误差的存在直接影响着零部件的配合精度、回转精度、摩擦、振动、噪声等，从而降低其使用寿命。现代工业，特别是国防工业的不断发展，对回转工件的圆度误差提出了越来越高的要求，如有些精密机床主轴偏摆要求控制在0.01µm以内，轴向窜动小于0.03µm。随着精密工程技术和尖端技术的迅速发展，圆度误差为5nm～50nm的回转体零件也将被广泛使用。例如，静电悬浮陀螺需要10nm或更精确的转子。因此进一步提高圆度测量的精度是现代科技发展的迫切要求，对保证与提高机器及仪器的质量有重要意义[1]。

　　圆度误差的评定是建立在轮廓横剖面法基础之上的，圆度误差定义为包容同一横剖面的实际轮廓且半径差为最小的两个同心圆之间的距离。目前，圆度误差的评定主要有四种方法，分别是最小区域法、最小二乘法、最小外接圆法和最大内切圆法[2]。

　　自从1986年NI公司首先提出了虚拟仪器的概念，虚拟仪器深刻地改变了传统的仪器观念，成为现代计量测试柔性化、智能化发展的一个重要方向[3]。对于几何量测量，虚拟仪器强大的数据处理能力，极大的简化了测量系统的硬件设计，真正实现了仪器功能的软件化，提高了测量的速度和误差评定的自动化水平。本文采用LabVIEW平台设计了基于虚拟仪器的圆度误差测量系统，可实现圆度误差最小二乘圆评定法算法，提高了圆度仪测量的速度和误差评定的自动化水平。

　　1 测量系统的构成

　　测量系统由硬件和软件两大部分构成，如图1所示。硬件部分主要完成信号调理及数据采集功能，软件部分为该系统的核心，主要包括数字滤波、数据存储、误差评定以及协同硬件实现测量控制和数据采集的功能。

　　测量系统的信号调理模块如图2所示。当电感测头与实际被测截面轮廓接触时，实际被测轮廓的半径变化量就可以通过测头反映出来，用交流电桥作为信号调制电路，得到与截面轮廓半径变化量相对应的电压信号，然后经过放大、相敏检波和低通滤波电路，取出圆度误差信号。最后用倍率转换电路将信号放大，以使数据采集卡有满量程输入。

　　2 数据采集系统设计

　　2.1 数据采集硬件的选择

　　根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。为了较好地还原波形，实际工程中选用5~10倍。在本课题中，经过信号调理模块后的信号最高频率是25Hz，所以选择500Hz的采样频率足以满足要求。

　　传统的圆度仪有62.5、125、250三种标准测杆。当测头装在62.5测杆上，测量范围±0.07mm，测量精度为0.2µm。通过实际测量，传感器输出信号为最大时，测头最大测量位移±0.07mm，把传感器最大输出放大到A/D测量满量程5V，则当测头径向移动0.2µ，传感器输出信号电压为14.3mv，即传感器最小输出信号。设n为A/D转换的位数，sF为满量程测量电压值，则分辨率S为：