雙路掃描式激光測(cè)徑儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐立軍 吳定祥34(.五凌電力有限公司近尾洲水電廠湖南 長(zhǎng)沙 40004； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院湖南 長(zhǎng)沙 404； 3.長(zhǎng)沙億旭機(jī)電科技有限公司湖南 長(zhǎng)沙 40000； 4.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

湖南 長(zhǎng)沙 410114)

激光測(cè)徑系統(tǒng)是一種測(cè)量工件外徑的測(cè)量?jī)x器，它具有速度快、精度高和非接觸性測(cè)量等特點(diǎn)，被廣泛用于各類(lèi)線纜、棒材、光纖及漆包線等線材的外徑測(cè)量。根據(jù)光的路徑不同，將測(cè)徑系統(tǒng)分為單路測(cè)徑系統(tǒng)和雙路測(cè)徑系統(tǒng)。單路激光測(cè)徑系統(tǒng)采用一路光束掃描被測(cè)工件，應(yīng)用于圓形管材的直徑測(cè)量，因此檢測(cè)范圍存在很大限制；而雙路測(cè)徑系統(tǒng)在單路的基礎(chǔ)上增加一路光束,擴(kuò)大了測(cè)量范圍，不僅滿(mǎn)足單路激光測(cè)徑系統(tǒng)的需求，也能測(cè)量方形、扁平形管材的尺寸數(shù)據(jù)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)單路測(cè)徑技術(shù)比較成熟、光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用較多，而雙路激光測(cè)徑系統(tǒng)因光路復(fù)雜，應(yīng)用難度大，相關(guān)研究較少報(bào)道。

本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，探索雙路激光測(cè)徑方法，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的雙路激光測(cè)徑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)扁平形漆包線的測(cè)量。

1 雙路掃描式激光測(cè)徑原理

雙路掃描式激光測(cè)徑系統(tǒng)框圖如圖1所示，該測(cè)量系統(tǒng)包括光學(xué)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光學(xué)采集系統(tǒng)由激光發(fā)射管、直流電機(jī)、八棱鏡、光學(xué)分束鏡、聚光透鏡及光電傳感器等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由光電信號(hào)處理模塊、控制器CPU處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和測(cè)量顯示模塊組成[3]。由激光發(fā)射管射出的點(diǎn)光源通過(guò)光學(xué)分束鏡產(chǎn)生垂直和水平兩路光束，光束掃射到轉(zhuǎn)動(dòng)的八棱鏡上將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為掃描光束，然后通過(guò)透鏡形成平行光。被測(cè)工件放置在平行掃描區(qū)域內(nèi)，光束對(duì)其進(jìn)行自上而下的掃描，最后形成的光信號(hào)聚焦到兩個(gè)光電傳感器中心接觸面[4]。光電信號(hào)處理模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸，控制器CPU對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算得出工件兩個(gè)面的尺寸。

圖1 雙路掃描式激光測(cè)徑系統(tǒng)框圖

光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)光電傳感器的特性知光被工件遮擋部分輸出低電平信號(hào)，而未被遮擋部分輸出高電平信號(hào)。因此需要采集一個(gè)周期內(nèi)被擋工件低電平的時(shí)間，再由光束掃描速度即可得出其測(cè)量尺寸[4]。設(shè)激光束自上而下的掃描速度為U,被測(cè)工件的尺寸為L(zhǎng)，一個(gè)周期內(nèi)低電平脈沖寬度為T(mén),根據(jù)光的幾何原理知：

L=U×T

(1)

U=W×f=4πnf

(2)

式中,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;W為反射光束角速度;f為透鏡焦距。由式(1)、式(2)得被測(cè)工件尺寸

L=4πnf×T

(3)

由式(3),當(dāng)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)后，得到穩(wěn)定的平行光束掃描到待測(cè)工件表面，從而計(jì)算工件的尺寸[4]。電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大，則測(cè)量尺寸誤差越大，因此為了減少速度波動(dòng)引起的測(cè)量誤差，本文測(cè)徑系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)棒法原理對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將被測(cè)工件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，消除速度產(chǎn)生的誤差。如圖2所示：設(shè)電機(jī)掃描速度為U，掃描區(qū)域內(nèi)被測(cè)工件的尺寸為L(zhǎng)1,標(biāo)準(zhǔn)棒的尺寸為L(zhǎng)2，被測(cè)棒遮擋產(chǎn)生的低電平脈沖寬度為T(mén)1，標(biāo)準(zhǔn)棒產(chǎn)生的低電平脈沖寬度為T(mén)2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)棒法測(cè)徑原理

由測(cè)徑儀原理知

L1=U×T1

(4)

L2=U×T2

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)得被測(cè)工件尺寸

(6)

從式(6)得出，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)棒法測(cè)量工件尺寸能消除電機(jī)轉(zhuǎn)速造成的誤差；使用單一激光器結(jié)合分束鏡得到雙光束的方法，可大大提高工件測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文硬件設(shè)計(jì)由五大模塊構(gòu)成：雙路光學(xué)測(cè)量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源模塊及控制器CPU處理模塊，其中核心模塊為控制器CPU，采用ARM+FPGA架構(gòu)[4，7]。系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊示意圖

2.1 雙路光電信號(hào)處理模塊

雙路光電信號(hào)處理模塊由電流轉(zhuǎn)換電路、跟隨濾波電路和二值化電路等組成。由于光電傳感器采集的電流信號(hào)非常弱，因此必須對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于LF353的低成本、高速率，因此本文采用LF353運(yùn)算放大器。除此以外，通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)跟隨濾波可以進(jìn)一步減少噪聲，提高了信噪比和抗干擾能力[4]。濾波后通過(guò)LM393比較器進(jìn)行二值化比較處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，處理后的信號(hào)低電平嵌位到0 V，高電平嵌位到3.3 V，F(xiàn)PGA處理器對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，其模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 雙路光電信號(hào)處理電路

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊電路采用ARM+FPGA的核心架構(gòu)，F(xiàn)PAG負(fù)責(zé)采集待測(cè)工件形成的低電平脈沖時(shí)間，并將其發(fā)送到ARM處理器中，通過(guò)ARM進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)運(yùn)行，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示[4，8]。本文采用的ARM芯片為STM32,它具有性能高、功耗小等特性，與FPGA通過(guò)SPI高速通信，兩者結(jié)合后大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算能力[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了單個(gè)處理器的處理速度。這種方法特別適用于生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)線材的尺寸監(jiān)測(cè)。

2.3 電源模塊

由于系統(tǒng)電路處理模塊眾多，且各模塊的電源要求不同，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電源模塊。其中控制器ARM和FPGA需要3.3 V電壓，激光發(fā)射器電源為5 V，光電傳感器電源為-12 V，而電機(jī)需要電壓進(jìn)行調(diào)速，因此采用3.3 V可調(diào)電壓[4]。LF353放大器需要雙電源供電，正電壓采用輸入供電電源，負(fù)電壓由L5973D芯片轉(zhuǎn)換后的-12 V。其中發(fā)射管電源采用SPX117將系統(tǒng)輸入電源轉(zhuǎn)化為5 V，其他電源都通過(guò)L5973D芯片轉(zhuǎn)換成電路所需電源。電源模塊電路圖如圖5所示。

2.4 通信顯示模塊

系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議，通過(guò)串口將工件尺寸發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。除此之外，本機(jī)還具有數(shù)據(jù)校正功能，通過(guò)設(shè)置的校正系數(shù)得出精確穩(wěn)定的數(shù)值，且電機(jī)的轉(zhuǎn)速和各個(gè)鏡面的掃描數(shù)據(jù)也可以通過(guò)上位機(jī)讀取[4]。圖6為通信模塊電路圖，由RS232器件及其外部電路組成，它具有兩路通信接口:TX1和RX1與上位機(jī)通信，TX2和RX2與外部設(shè)備通信。

圖5 電源管理模塊電路

圖6 RS232通信模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由FPGA數(shù)據(jù)采集，STM32數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸組成。FPGA晶振頻率為50 MHz，它能高速采集兩路光電信號(hào)的低電平脈沖時(shí)間，通過(guò)SPI協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給STM32處理，STM32既要完成數(shù)據(jù)處理，還要將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)顯示[4]。上位機(jī)接受控制板的尺寸數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示，若總體數(shù)據(jù)偏差太大，則通過(guò)調(diào)整校正系數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，保證數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性[4]。流程圖如圖7所示。

其中，數(shù)據(jù)處理作為主程序中最重要的部分，它直接關(guān)系到測(cè)量尺寸的精確度和穩(wěn)定性。本文運(yùn)用累加求和取平均值的平滑濾波處理算法，連續(xù)采集10組工件數(shù)據(jù)后刪除其中最大值和最小值，累加100組數(shù)據(jù)后對(duì)所有數(shù)據(jù)求和取平均值[4]。通過(guò)這種算法可以減少隨機(jī)誤差，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定。此外，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)扁平線纜的要求，測(cè)試軟件增加了對(duì)連續(xù)出料的扁平線測(cè)試位置偏斜的警示。其原理為：一般扁平線在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)擠壓拉伸變成所需的長(zhǎng)、寬尺寸，

圖7 主程序流程圖

而在擠壓過(guò)程中，多數(shù)情況下長(zhǎng)、寬尺寸的變化是無(wú)關(guān)聯(lián)的；但如果某個(gè)時(shí)候，測(cè)試儀監(jiān)測(cè)到的長(zhǎng)寬變化完全按比例增減，則可以判定為漆包線測(cè)試的投影有偏斜，從而觸發(fā)報(bào)警，交由人工來(lái)處理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中利用雙路掃描式激光測(cè)徑系統(tǒng)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方形樣棒進(jìn)行雙向檢測(cè)，以檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性。光路系統(tǒng)平臺(tái)和電路控制板分別如圖8和圖9所示。

圖8 光路系統(tǒng)平臺(tái)

圖9 電路控制板實(shí)物圖

通過(guò)Modbus協(xié)議將工件尺寸發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正。圖10為Modbus的顯示界面。

圖10 Modbus的數(shù)據(jù)顯示

本文采用尺寸為3 mm×6 mm、2 mm×7 mm和2 mm×9 mm的方形樣棒進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)樣棒在同一位置放置8次的方法觀察數(shù)據(jù)的微弱變化來(lái)驗(yàn)證測(cè)徑系統(tǒng)的重復(fù)性，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，Dx為水平方向測(cè)量的數(shù)據(jù)，Dy為垂直方向測(cè)量的數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出重復(fù)性最大誤差為5 μm，最大相對(duì)誤差為0.5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 方形棒重復(fù)性試驗(yàn)

針對(duì)穩(wěn)定性試驗(yàn)，按照J(rèn)JF1250-2010《激光測(cè)徑儀校準(zhǔn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，3 min觀測(cè)一次樣棒數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量2 h[4]。由于數(shù)據(jù)龐大，因此采用2 mm×8 mm方形標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖11所示。

通過(guò)重復(fù)性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，雙路測(cè)徑系統(tǒng)整體性能良好，數(shù)據(jù)誤差小，系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)扁平形漆包線的生產(chǎn)檢測(cè)需求，研制了一款基于ARM+FPGA的雙路掃描式激光測(cè)徑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工件線徑的寬度和厚度的雙向檢測(cè)，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該雙路激光測(cè)徑系統(tǒng)測(cè)量范圍為1～15 mm，精度為0.001 mm，示值誤差最大不超過(guò)±0.005 mm，具有上位機(jī)顯示和校正功能，對(duì)工件線徑檢測(cè)有廣泛應(yīng)用前景。

圖11 2 mm×8 mm方形樣棒測(cè)試