光學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用

李姝佳，馬勛勛

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

0 引 言

光學(xué)測(cè)量技術(shù)是幾何量測(cè)量的一個(gè)重要手段，是集光電技術(shù)和機(jī)械測(cè)量于一體，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，具有很高的測(cè)量精度［1］。光學(xué)測(cè)量因其非接觸性、測(cè)試精度高和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)［2］，已被廣泛應(yīng)用于測(cè)量和現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)［3］，如常用光學(xué)方法測(cè)量角度［4-6］、定位［7］等，還用于檢測(cè)機(jī)械產(chǎn)品的零件尺寸、孔徑［8］和行為誤差等。

材料的結(jié)構(gòu)根據(jù)其尺寸通常分為微觀（10-6～10-10m）、細(xì)觀（10-3～10-6m）及宏觀（10-3m 及以上）。對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)的材料，需要使用高倍電子顯微鏡對(duì)其尺寸進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于細(xì)觀結(jié)構(gòu)材料，通常借助于光學(xué)顯微鏡來完成尺寸的測(cè)量；而宏觀結(jié)構(gòu)尺寸可借助一般工具通過肉眼分辨測(cè)量其尺寸。纖維、紗線以及由其集合而成的繩、帶、織物等，通常屬于細(xì)觀結(jié)構(gòu)尺寸的特殊材料。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，常采用電鏡掃描、原子力顯微鏡等成熟儀器完成其表面形態(tài)和截面形貌的測(cè)量［9］。

結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可利用傳感器的測(cè)試來得到，按傳感器與被檢測(cè)對(duì)象的關(guān)聯(lián)方式可分為接觸式和非接觸式。接觸式的優(yōu)點(diǎn)是傳感器與被檢測(cè)對(duì)象視為一體，且無須現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；缺點(diǎn)為接觸式傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有影響。非接觸式的優(yōu)點(diǎn)為消除了接觸式傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響，提高了測(cè)試精度；缺點(diǎn)是非接觸式傳感器受到被檢測(cè)對(duì)象與傳感器之間介質(zhì)的影響。如電渦流傳感器與被檢測(cè)對(duì)象之間的距離有特定的要求［10］。卷繞機(jī)是化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵裝備。在聚酯切片熔融、噴絲成型、牽伸為長(zhǎng)絲后，通過卷繞機(jī)將紡絲成形的纖維卷繞成為卷裝。卷繞機(jī)錠軸的動(dòng)態(tài)特性直接影響長(zhǎng)絲及卷裝的質(zhì)量。因此，錠軸的動(dòng)態(tài)測(cè)試與研究是自主研發(fā)高性能卷繞機(jī)時(shí)不可或缺的內(nèi)容。符合工藝要求的卷繞系統(tǒng)是由錠軸、卷裝和接觸輥所形成的轉(zhuǎn)速、質(zhì)量時(shí)變，柔性支承參數(shù)頻變的高速柔性復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

針對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)以及卷繞系統(tǒng)錠軸的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，本文提出了一種利用基恩士光學(xué)技術(shù)——Keyence光學(xué)測(cè)微儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試方法，并分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了測(cè)試和結(jié)果數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了該兩方案的可行性。

1 Keyence光學(xué)測(cè)微儀測(cè)量原理

Keyence 光學(xué)測(cè)微儀是集被測(cè)物體信息感知、圖像信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析處理而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體細(xì)觀結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)參數(shù)快速準(zhǔn)確測(cè)量的光學(xué)測(cè)微系統(tǒng)。

該測(cè)試儀器主要有四大系統(tǒng)：① 高亮度INGAN綠色LED。光強(qiáng)度均勻、耐電磁場(chǎng)輻射、不傷眼睛；②HUD（High Uniform Diffusion）單元與準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)。通過LED光覆蓋全部范圍均一漫射，可發(fā)出光強(qiáng)度均勻的平行光；③ W 遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。W 遠(yuǎn)心鏡頭可確保僅平行光用于成像，即使物體與鏡頭之間的距離發(fā)生變化，CMOS 上圖像的大小也不會(huì)改變；④ 準(zhǔn)確定位亞像素處理。從CMOS 上成像的投影中，僅針對(duì)指定量測(cè)區(qū)域內(nèi)的輪廓線進(jìn)行準(zhǔn)確定位抽取和亞像素處理，可達(dá)到高速和高精度，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 Keyence光學(xué)傳感器測(cè)試原理

測(cè)量時(shí)，檢測(cè)對(duì)象將被轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到檢測(cè)對(duì)象的目標(biāo)形態(tài)信息。根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，得到檢測(cè)對(duì)象的幾何參數(shù)，例如測(cè)量其尺寸、角度和振動(dòng)幅值等。Keyence 光學(xué)測(cè)微儀的部分相關(guān)參數(shù)如下：Keyence光學(xué)測(cè)微儀型號(hào)LS-9030，最小檢測(cè)物體0.3 mm，測(cè)量精度±2 μm，重復(fù)精度±0.1 μm，測(cè)量范圍0.3 ～30 mm，發(fā)射器與接收器間距離（160 ±40）mm，采樣周期16 ×103次/s。

2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)用

采用電鏡掃描、原子力顯微鏡等測(cè)試方法均基于靜態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試，對(duì)于纖維集合體這類特殊的結(jié)構(gòu)，測(cè)試時(shí)材料結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響非常大。因此，測(cè)試這一類細(xì)觀結(jié)構(gòu)尺寸的外徑時(shí)，需要試制一種可圍繞夾持的實(shí)驗(yàn)樣本相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)試裝置，如圖2 所示。本文試制的測(cè)試裝置使用時(shí)，被測(cè)試對(duì)象不動(dòng)，傳感器以被測(cè)試對(duì)象為軸心相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此獲取測(cè)試對(duì)象不同截面上的直徑尺寸信息。

圖2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)截面參數(shù)測(cè)量裝置

本文以測(cè)試化纖長(zhǎng)絲束截面形態(tài)和拉伸性能為例，基于Keyence光學(xué)技術(shù)試制了一種新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。為滿足測(cè)試時(shí)長(zhǎng)絲束張力可調(diào)，采用直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌對(duì)長(zhǎng)絲束進(jìn)行牽伸，如圖3 所示。

圖3 長(zhǎng)絲束拉伸狀態(tài)控制單元

如圖2、3 所示，長(zhǎng)絲束測(cè)試由Keyence 光學(xué)測(cè)微儀、夾持單元、牽伸狀態(tài)控制單元及支撐框架組成。被測(cè)化纖長(zhǎng)絲束由專用的夾持單元固定在測(cè)試儀上，通過直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌夾持長(zhǎng)絲束完成絲束拉伸、靜止或運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，同時(shí)由Keyence 光學(xué)測(cè)微儀繞被測(cè)物體360°做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)試被測(cè)物體截面外包絡(luò)線直徑，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4 所示。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)測(cè)試長(zhǎng)絲束截面包絡(luò)線試驗(yàn)裝置的正確性，本文對(duì)（3 ±0.002）mm 的標(biāo)準(zhǔn)鎢鋼塞規(guī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖5 試制的測(cè)試裝置對(duì)鎢鋼塞規(guī)的驗(yàn)證性測(cè)試

由圖5 測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)試得到的鎢鋼塞規(guī)動(dòng)態(tài)截面直徑為3.002 ～3.006 mm，計(jì)算所得測(cè)試鎢鋼塞規(guī)的包絡(luò)線如圖6 所示。說明試制的細(xì)觀結(jié)構(gòu)截面參數(shù)測(cè)試裝置的用于測(cè)試細(xì)小截面的物體（例如化纖長(zhǎng)絲束、產(chǎn)業(yè)用紗線等）時(shí)有較高的測(cè)量精度。

圖6 鎢鋼塞規(guī)包絡(luò)線測(cè)試并計(jì)算截面面積（S ＝ 4.7190 7 mm2）

保證了所試制試驗(yàn)裝置正確性的前提下進(jìn)行長(zhǎng)絲束截面包絡(luò)線參數(shù)測(cè)試。試驗(yàn)用樣本為滌綸長(zhǎng)絲POY，其參數(shù)為220 dtex/72。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)絲束牽伸長(zhǎng)度為0.01%，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%，圖7 所示分別為單束和2 束絲線的截面外包絡(luò)線尺寸的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的不同橫截面上的直徑，選擇穩(wěn)定周期的一組數(shù)據(jù)，如圖7 中的周期T，最后通過MATLAB處理圖7 中穩(wěn)定周期數(shù)據(jù)并通過積分完成截面面積的計(jì)算，進(jìn)而可為拉伸模量等的計(jì)算提供準(zhǔn)確參數(shù)，單束和2 束絲線的包絡(luò)線和截面面積計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。

圖7 橫截面外包絡(luò)線尺寸測(cè)試結(jié)果

圖8 化纖長(zhǎng)絲束實(shí)際截面形狀與面積

由圖8 可知，測(cè)試得到的長(zhǎng)絲截面不規(guī)則的形狀，相比長(zhǎng)絲假設(shè)為圓截面或橢圓截面的理想化方法［11］，基于Keyence光學(xué)技術(shù)提供了一種精確度高的測(cè)試細(xì)觀結(jié)構(gòu)體截面的方法，而且能測(cè)試動(dòng)態(tài)、靜態(tài)及拉伸等不同情況下的材料截面形貌及形狀參數(shù)。就長(zhǎng)絲束而言，測(cè)試得到的結(jié)果為長(zhǎng)絲束的質(zhì)量及后續(xù)織物的質(zhì)量評(píng)估提供了實(shí)際的參考，同時(shí)也為織物的織設(shè)計(jì)提供了精確的參數(shù)依據(jù)。

3 振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試中應(yīng)用

根據(jù)工藝需要，卷裝既要求卷繞密度大，以增加容量，又要求外觀形狀符合規(guī)定且絲線鋪放均勻不塌邊，同時(shí)便于在后續(xù)工序中長(zhǎng)絲可順利退繞。該系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)問題是卷繞機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與技術(shù)中的關(guān)鍵問題。卷繞機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（1）錠軸與接觸輥轉(zhuǎn)速高。目前滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)工藝，卷繞線速度高達(dá)6 000 m/min，為保持卷繞線速度恒定，隨著卷裝直徑的增大，錠軸轉(zhuǎn)速由18 000 r/min逐漸下降至3 000 r/min，完成一個(gè)周期的長(zhǎng)絲卷繞；

（2）錠軸轉(zhuǎn)速隨著卷裝半徑增大逐漸減小，形成變轉(zhuǎn)速、變質(zhì)量的時(shí)變系統(tǒng)；

（3）卷繞到一定絲層厚度時(shí)接觸輥開始于卷裝表面接觸并有一定的接觸壓力，“錠軸-卷裝-接觸輥”是結(jié)構(gòu)耦合的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

為了方便滿卷后的退卷工藝，錠軸結(jié)構(gòu)為外伸懸掛式的。錠軸的動(dòng)態(tài)特性直接影響卷繞卷裝的質(zhì)量，振動(dòng)大會(huì)造成長(zhǎng)絲纏繞軌跡不穩(wěn)定，且會(huì)使長(zhǎng)絲的張力波動(dòng)大導(dǎo)致卷繞卷裝的質(zhì)量不高。故本文提出了一種利用Keyence光學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)試錠軸動(dòng)態(tài)特性的方法，如圖9 所示。

圖9 卷繞機(jī)錠軸動(dòng)態(tài)測(cè)試

本文測(cè)試對(duì)象為金緯某型號(hào)滌綸長(zhǎng)絲卷繞機(jī)，為了研究錠軸在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速6 820 r/min 時(shí)豎直方向的位移振動(dòng)特性，試制了適用Keyence 光學(xué)測(cè)微儀安裝固定的支撐架，測(cè)試錠軸端頭底部的位移振動(dòng)幅值，測(cè)試時(shí)間為80 s，因Keyence 光學(xué)測(cè)微儀存儲(chǔ)測(cè)量點(diǎn)數(shù)限制，故本文在70 s 后開始保存測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 錠軸端部在豎直方向的位移振動(dòng)特性

由圖10 可知，卷繞機(jī)錠軸在6 820 r/min 空轉(zhuǎn)時(shí)錠軸的位移振動(dòng)幅值0.125 mm，動(dòng)態(tài)特性比較穩(wěn)定。由于Keyence光學(xué)測(cè)微儀控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)有限，若測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，需要通過LMS SCADAS Mobile一起配合使用進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，即Keyence 光學(xué)測(cè)微儀作為一種非接觸式位移傳感器使用。

本文通過Keyence光學(xué)測(cè)微儀解決了卷繞機(jī)錠軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)端部位移振動(dòng)幅測(cè)試難的問題。本實(shí)驗(yàn)可為錠軸柔性轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)建模分析提供可靠的實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也為其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的試驗(yàn)研究提供一種新的測(cè)試方法。

4 結(jié) 語

本文基于Keyence光學(xué)測(cè)微儀提出了兩類實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試——細(xì)觀結(jié)構(gòu)材料的截面參數(shù)測(cè)試、高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子）系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)測(cè)試的參考方案，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置具有定標(biāo)簡(jiǎn)單、安裝便捷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文以長(zhǎng)絲束截面參數(shù)測(cè)量和卷繞機(jī)錠軸的振動(dòng)特性測(cè)試為例，基于Keyence 光學(xué)測(cè)微儀試制了對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，對(duì)絲線束截面包絡(luò)線尺寸和卷繞機(jī)錠軸的振動(dòng)位移幅值進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，快速、準(zhǔn)確地得到了所需長(zhǎng)絲束截面參數(shù)和錠軸的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了Keyence 光學(xué)測(cè)微儀在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)的準(zhǔn)確性、高效性。為其他類似結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究提供一種測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。