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王梅，于宝成，徐文霞，谢强，艾玉明，陈国君. 基于LabVIEW的非平行平面距离测量与误差分析系统[J]. 工具技术, 2024, 58(8):135-139.Wang Mei，Yu Baocheng，Xu Wenxia，Xie Qiang，Ai Yuming，Chen Guojun. Nonparallel plane distance measurement and error analysis system based on LabVIEW[J]. Tool Engineering, 2024, 58(8):135-139.气囊隔振器以其承载大、隔振性好等因素广泛应用于舰船上的隔振。隔振器的安装状态参数是保证隔振措施发挥既定功能的重要因素，安装时隔振器高度与安装面间距有较大差距时，需要配置调整垫片。通常使用机械尺测量筏架下安装面与基座安装面的间距再减去气囊隔振器的高度，从而得到调整垫片厚度。垫片实际测量方法为人工测量安装面角落四点，初步确定垫片的厚度尺寸，制作完毕后进行预安装，再对垫片进行手工研磨加工，直至气囊隔振器安装满足低噪声要求。手工机械式测量存在效率低、无法保证测量精度以及调整垫片制作误差较大等问题。零件平面度的测量精度能够直接对仪器整体性能产生影响，国内外主要的平面度测量仪器有自准直仪、白光干涉仪等，其测量精度与效率相对较低；三坐标测量机常应用于面积较大可移动平面的测量；CCD摄像机数据采集仪将获取的图像数据进行处理得到平面度误差，数据处理过程较为复杂;基于激光测距方法研制的仪器，通过获取大量的点云数据生成三维坐标信息，再根据平面度计算得出误差值，测量精度较高，数据可靠但成本高。检测隔振器安装面的平面度，以便调整垫片的精确制作，现存测量仪器多应用于一次测量单个面板的平面度，不适用于小间距非平行平面距离及其平面度测量。为实现精确测量金属平面间距，计算被测面板的平面度，提高隔振器垫片制作的精度，保证隔振器的隔振效果，在高精度的电涡流位移传感器的基础上研制了测量装置，开发配套使用软件共同组成测量系统，并对系统的原理、构成、数据算法和实验结果进行详细描述。为测量小间隙非平行金属平面间距和被测面板的平面度，系统分为机械设计与软件设计两部分，系统总体框架如图1所示。电涡流位移传感器装置将采集到的位移数据传送给上位机软件进行处理，软件界面显示各传感器探头到被测金属面的距离、各测点两金属面间距以及被测金属面的平面度，并实现数据的保存。设计米字形分布的测点，共设置11组电涡流位移传感器，一组是指两个相背的传感器。测点的测量原理如图2所示，分别测得传感器探头到待测金属面的距离，再加上相背的传感器探头间的距离，可得该测点金属面间的距离，测点面板间距为H=h1+h2+h3。多组传感器探头间的距离测量设计了一种标定方法：分别测得传感器探头到标定面板的距离，再由已知的标定板间距离H′减去测得距离，得到传感器探头间距离h3=H′-h1′-h2′。传感器采集的位移数据为相对距离，处理数据时将这些数据统一到如图2所示的坐标系中，设6号传感器组所对应的标定台下表面为x，y，z轴原点，可得6号传感器组上表面测点的坐标值为(0，0，260-(h′1-h1))，下表面测点坐标值为(0，0，h′2-h2)，由此可得各传感器组测点三维坐标值。根据测点测量原理设计了测量装置，主要由电源模块、转换器、电涡流位移传感器装置、上位机及其安装支架组成，图3a和图3b分别为传感器探头与探头安装支架的模型与实物。根据标定方法设计标定台，上下面板为平面度不大于5μm的两块金属面板，通过长纹螺栓连接，螺母和垫片调整固定面板间距。1.传感器安装框架 2.传感器探头 3.螺母和垫片 4.传感器安装孔5.支撑柱 6.螺栓安装孔 7.传感器线缆固定孔 8.承重柱设计传感器安装支架结构，使用非金属聚合材料进行3D打印，支架具有刚性好、质量轻等优点。电涡流位移传感器感应相对位置并处理成相应的数字信号输出，具有灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快且不受油水等因素影响等优点。系统使用米朗科技ML33-25-00-02型电涡流位移传感器，测量量程为20mm，分辨率1.0μm，信号输出为RS485通信方式。上位机采用RS232通信方式，利用宇泰UT-217E型号的RS232转485/422无源双向转换器，通过转换接头实现传感器与上位机的数据传输。上位机软件由LabVIEW软件编程实现，选项卡控件进行软件整体布局和功能切换，实现获取数据、数据处理、可视化展示和存储的功能，软件工作流程如图4所示。软件共分为六大模块，分别为自检模块、数据采集模块、标定模块、平面间隙测量模块、数据分析模块以及存储模块。软件主要模块的功能如下：①自检模块用于检查各传感器前置器与计算机是否成功建立连接；②数据采集模块将传感器获取的数据传入上位机；③标定模块可以获取每组传感器探头之间的距离；④平面间隙测量模块可以获得所设测点金属面板间相对距离；⑤数据分析模块用于显示各测点分布坐标位置，计算各测点平面间隙相对其平均值、最小值的差值，计算被测面板的平面度。前面板具有用户展示系统软件的功能，包括系统自检、系统标定、系统自检和平面误差。图5为软件测量界面，图6为数据分析模块软件界面。通过LabVIEW的VISA配置串口控件，读取各传感器的地址信息，使得各传感器的前置器与计算机成功建立连接。通过数值控件显示自检进度条，若存在传感器连接失败，显示其编号，完成自检。当测量装置放置在待测两金属面板间时，通过电涡流位移传感器测得数据，使用RS485通信与上位机建立连接，系统软件按照标准的Modbus协议对采集到的信号进行解析。已知标定板间的距离H′，读取各传感器的测量值并存为测量数组，如图2所示，设传感器探头到标定台上金属面板的距离为h1′，与之相背的另一传感器探头到下金属面板的距离为h2′，得到每组传感器探头间的距离h3=H′-h1′-h2′，存为标定数组。读取各传感器的测量值并存为测量数组，设传感器探头到上金属面板的距离为h1，与之相背的另一传感器探头到下金属面板的距离为h2，可得测点面板间距为H=h1+h2+h3，完成测点间隙的测量并存为测量结果。根据粒子群算法计算被测面板平面度：由测量原理可得各测点三维坐标值，在LabVIEW里引用Python代码求得平面度，在软件界面显示计算结果，非平行平面测点间距相对平均值、最小值的差值。使用报表控件将测量数据存储为表格文件，时间格式字符串控件获取测量时间，以测量时间命名表格，方便后续对测量数据的查找。依据国标中最小包容区域法对平面度误差的定义，实质是确定两个理想平行平面，该平行平面包容被测平面且距离最短。误差评定关键是寻找最小条件的理想平面，设理想平面方程为由di的极差值可得平面度误差公式，适应度函数公式为粒子群算法是一种模拟鸟群捕食行为的优化算法，将空间中每种可能的解表示为一个粒子，每个粒子都有自己的位置和速度。迭代时，根据当前所在位置、自身最优位置和全局最优位置调整其位置和速度，最终粒子群逐渐收敛到最优值附近。式中，w为惯性权重；k为迭代次数；i为粒子群中第i个粒子；j为该粒子位置的维数；![]()
表示为粒子;![]()
表示粒子在第k次迭代时的位置；c1和c2为学习因子，取值范围为［0，4］；r1和r2为［0，1］之间的随机数；![]()
为粒子个体最优值的位置；![]()
为全局粒子最优值的位置。算法实现步骤如下：①初始化粒子群，设定粒子运动范围，在范围内随机初始化粒子位置和速度；②更新个体最优位置和全局最优位置，计算每个粒子的适应度值，找出粒子个体历史最优位置![]()
，全局粒子历史最优位置![]()
；③由式(4)和式(5)更新粒子位置和速度；④重复步骤②直至最大迭代次数。算法的性能和计算结果直接受参数的影响，惯性权重大时，容易跳出局部最优解，但可能导致粒子在解空间中震荡甚至无法收敛；惯性权重较小时，搜索结果更稳定，但容易陷入局部最优解，将权重系数调整为式中，t为当前迭代次数；k为迭代总次数；wmax和wmin分别为惯性权重最大值和最小值。本系统使用的粒子群算法各参数设置如下：粒子维数为3；粒子规模数为20；惯性权重最大最小值分别取值0.8，0.4；学习因子c1为2，c2为2；最大迭代次数为60次。待测两金属表面设置了11个测点，使用本系统的测量装置获得各传感器探头到待测金属表面的距离，通过本文提出的标定方法和测量方法计算可得标定结果和平面间隙结果，其中标定测量数据来源于测量间隙为260mm的两金属面板，各传感器探头到金属面间距、传感器组标定数据、所设测点金属面间距如表1所示。由于两个相背的传感器设为一组，所以测点上下表面的x，y轴坐标相同，通过测量原理描述的坐标系建立方法，设6号传感器组所对应的标定台下表面为x，y，z轴原点，计算各测点的z轴坐标值，可得各测点的坐标值，如表2所示。将表2中数据使用粒子群算法求解平面度，上下表面的平面度计算函数迭代曲线如图7所示，可得上下金属表面平面度评估结果分别为0.1337mm，0.1266mm。测量时，人为操作、测量装置、外界环境等因素会造成一定的测量误差，从而影响测量精度。本文所设计的平面间隙和平面度测量系统从数据获取装置、部件加工与装配、数据处理方案等方面都会存在一定的误差，表3为本装置的主要误差源统计表。主要误差如下。
①本装置所使用的电涡流位移传感器量程为20mm，分辨率1.0μm，线性误差为±1%FS；
②标定平台金属面板采用工业磨床制作，平面度为±0.005mm；
③标定平台的两平面在安装时通过长纹螺栓连接，垫片和螺母固定，人工安装与调整平面间隙，装配误差约为±0.02mm。
本文设计了一种非平行平面间距离测量与平面度误差分析系统。以电涡流位移传感器为基础的硬件设计结构稳定，数据传输可靠；基于LabVIEW的软件开发能够实现数据的采集、分析与存储。结果表明，系统的测量误差对垫片制作的精度影响较小，能够满足气囊隔振器垫片厚度测量的实际需求，且为小间隙非平行金属平面间距离测量与平面度误差测量提供了解决方案。
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