光纖預(yù)制棒偏心量檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 輝，趙海倫，費(fèi) 勝

（1.中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226009；2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前對(duì)光纖的需求量越來(lái)越大，對(duì)光纖的質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1]。光纖預(yù)制棒是生產(chǎn)光纖的重要原材料[2]，是用于光纖拉絲的光棒，其自身品質(zhì)影響拉制處的光纖的性能，因此生產(chǎn)企業(yè)會(huì)對(duì)光纖預(yù)制棒的品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，剔除不合格產(chǎn)品。光纖預(yù)制棒由內(nèi)部芯棒和外部包層組成，兩端為錐型，中間為平行段，偏心量是光纖預(yù)制棒的品質(zhì)參數(shù)之一[3]，其數(shù)值可用光纖預(yù)制棒平行段兩側(cè)包層邊緣到芯棒邊緣距離之差的絕對(duì)值表示。

目前光纖預(yù)制棒制造企業(yè)主要是采取人工方式測(cè)量偏心量，存在測(cè)量結(jié)果不精確、測(cè)量效率低，測(cè)量數(shù)據(jù)需要人為記錄等問(wèn)題，而且隨著光纖預(yù)制棒的體積越做越大[4]，已超出現(xiàn)有測(cè)量工具的量程，因此有必要開(kāi)發(fā)一種光纖預(yù)制棒偏心量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

本研究設(shè)計(jì)了一種光纖預(yù)制棒偏心量檢測(cè)系統(tǒng)，將機(jī)械視覺(jué)測(cè)量技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，采用倍福公司的基于PC的控制器作為主控系統(tǒng)，用C#編寫(xiě)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種規(guī)格光纖預(yù)制棒各位置偏心量的測(cè)量。

1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成和控制需求分析

1.1 檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu) 檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，包括移動(dòng)拍攝機(jī)構(gòu)、支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、X軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)等。移動(dòng)拍攝機(jī)構(gòu)上安裝可在Z 軸上下移動(dòng)的工業(yè)相機(jī)，其支撐立柱固定在Y 軸方向移動(dòng)的Y 軸溜板上，實(shí)現(xiàn)相機(jī)Y、Z軸方向移動(dòng)；移動(dòng)拍攝機(jī)構(gòu)與安裝在X 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊相連，使相機(jī)能夠在X 軸移動(dòng)，以此兩個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相機(jī)的三軸移動(dòng)，可以覆蓋所以拍攝位置；支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)在測(cè)量時(shí)托舉棒體，使棒體保持穩(wěn)定，同時(shí)在有需要時(shí)光纖預(yù)制棒將旋轉(zhuǎn)一定的角度，以防止放置棒體時(shí)，偏心位于相機(jī)視角的同一方向而出現(xiàn)漏測(cè)的情況。

圖1 光纖預(yù)制棒檢測(cè)裝置三維結(jié)構(gòu)

檢測(cè)裝置的具體測(cè)量方法見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量方法示意圖(俯視視角)

圖2 中方框代表相機(jī)的視野，將預(yù)制棒的邊緣與相機(jī)視野上下保持平行，相機(jī)垂直預(yù)制棒拍攝。測(cè)量前相機(jī)首先定位到中軸線位置，確定中軸線到初始位置的距離為L(zhǎng)。根據(jù)光纖預(yù)制棒包層的設(shè)計(jì)外徑D，芯層的設(shè)計(jì)直徑d，通過(guò)PLC 控制相機(jī)從初始位置沿Y 軸分別移動(dòng)L-D/2、L-d/2、L+d/2 和L+D/2，就可對(duì)預(yù)制棒包層上邊、芯層上邊、芯層下邊、包層下邊依次采集，按拍攝次序調(diào)用對(duì)應(yīng)圖像算法得出包、芯層邊緣到圖像上邊界的距離，即圖2 中y1、y2、y3、y4，由光柵尺測(cè)出相機(jī)的實(shí)際位移Y1、Y2、Y3、Y4，最后根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出光纖預(yù)制棒在當(dāng)前位置處的實(shí)際直徑值Ds和偏心量?。

式中，d1為包層上邊到芯層上邊的距離，d2為芯層下邊到包層上邊的距離。

1.2 檢測(cè)控制系統(tǒng)控制流程 本控制系統(tǒng)采用倍福公司的PLC作為主控制器，通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行控制，具體控制流程為：首先測(cè)量要求，在人機(jī)交互界面上輸入對(duì)應(yīng)的信息，人機(jī)交互界面與PLC 通訊將這些信息寫(xiě)進(jìn)PLC 的控制程序中，再由PLC 驅(qū)動(dòng)電機(jī)將相機(jī)送到指定位置拍攝所需圖像，由視覺(jué)軟件處理得到圖像部分?jǐn)?shù)據(jù)，由光柵尺測(cè)出相機(jī)Y 軸方向?qū)嶋H位移數(shù)值，反饋給PLC，再由PLC 發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)公式(1)和公式(2)得出偏心量的數(shù)據(jù)。

在測(cè)完一點(diǎn)處的偏心量后,PLC 控制X 軸和Y 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)到達(dá)下一點(diǎn)位的第一位置，重復(fù)上述過(guò)程，總體上相機(jī)的移動(dòng)軌跡為“N”型，直到測(cè)量完最后一個(gè)位置，測(cè)量過(guò)程結(jié)束。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 為了提高生產(chǎn)效率，偏心量檢測(cè)系統(tǒng)放置于光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其工作過(guò)程中受到噪聲、高溫等不利因素影響，考慮到對(duì)光線預(yù)制板偏心量測(cè)量的精度需求，需要系統(tǒng)具有高精度和高可靠性。本系統(tǒng)采用基于IPC 平臺(tái)并結(jié)合EtherCAT(工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù))的軟件式控制方案，利用德國(guó)倍福公司提供的工業(yè)PC 及TwinCAT3 軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件主要由工業(yè)PC、光柵尺、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和限位開(kāi)關(guān)等組成，控制系統(tǒng)硬件組成框圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)控制系統(tǒng)以倍福公司的CX6015 型號(hào)超緊湊性工業(yè)PC 作為控制核心，性價(jià)比高，具有集成式Intel Atom 四核處理器的高計(jì)算能力，可以滿足高精度、高響應(yīng)速度的測(cè)量要求，而且適應(yīng)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高溫度環(huán)境。根據(jù)測(cè)量原理可知光柵尺的選型也是影響測(cè)量精度的重要因素，另外考慮到光柵尺的工作環(huán)境，選擇西班牙發(fā)格公司的GX-440-1 型號(hào)的光柵尺，精度等級(jí)為1 um。另外上位機(jī)集成倍福TwinCAT軟件和圖像處理軟件HALCON,根上位機(jī)PC和下位機(jī)PC 之間采用基于TCP/IP 的ADS 通訊，下位機(jī)PLC 接收到設(shè)定的參數(shù)并控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置采集圖像，下位機(jī)PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用EtherCAT工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊。

2.2 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 采用倍福公司的TwinCAT3軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)控制程序[5]，它是基于Windows 操作系統(tǒng)的自動(dòng)化控制軟件，運(yùn)行在Windows Visual Studio環(huán)境下。由于TwinCAT占用CPU的實(shí)時(shí)核，能夠獨(dú)立于其他處理器進(jìn)行程序的執(zhí)行，具有準(zhǔn)確的時(shí)基[6]。

相機(jī)在結(jié)束每一點(diǎn)最后一個(gè)測(cè)量位置的拍攝后，為節(jié)省測(cè)量時(shí)間，采用定位控制的方法控制相機(jī)走斜直線直接移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)位的第一個(gè)測(cè)量位置，這里需要X、Y兩個(gè)軸配合速度成線性比例，兩個(gè)軸的具體速度計(jì)算方法如下：

假設(shè)一測(cè)量點(diǎn)的第一個(gè)測(cè)量位置的坐標(biāo)為（VD0,VD4），下一測(cè)量點(diǎn)的第一測(cè)量位置的坐標(biāo)為（VD8，VD12），設(shè)定的運(yùn)行速度為VD20，則實(shí)際距離為

時(shí)間t 為時(shí)間距離L/VD20，最后算出X、Y 軸的速度分別為

另外根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量需求，PLC 程序具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩部分功能，手動(dòng)控制用于設(shè)備調(diào)試和獲取預(yù)制棒中軸線到初始位置的距離以及手動(dòng)定位光纖預(yù)制棒各邊緣位置, 自動(dòng)模式用于預(yù)制棒偏心量的自動(dòng)化測(cè)量。PLC控制程序流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)量控制流程圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，光纖預(yù)制棒偏心量檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互交界面需要具有狀態(tài)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。本項(xiàng)目中需要結(jié)合TwinCAT3 和HALCON 軟件的功能，所以選在Visual Studio 2017 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的.NET 框架下利用C#語(yǔ)言進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

3.1 上位機(jī)與TwinCAT 軟件通訊接口實(shí)現(xiàn) 本研究采用ADS通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)TwinCAT軟件與人機(jī)交互界面的

通訊。ADS 是一種獨(dú)立于設(shè)備和數(shù)據(jù)總線的訪問(wèn)ADS設(shè)備的接口控制，為設(shè)備之間的通訊提供路由[7]。上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件（TwinCAT3）通過(guò)ADS 通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，包括PLC 運(yùn)行狀態(tài)、IO 端口狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)參數(shù)、編碼器值以及控制指令等[8]。本研究通過(guò)TwinCAT3軟件提供的ADS通訊模塊，采用變量名訪問(wèn)的方式，建立上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件變量名的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 ADS 通訊實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 將HDevelop 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的圖像處理程序?qū)С鰹镃#語(yǔ)言，利用.NET 平臺(tái)做出可視化界面，顯示出圖像處理窗口，在Visual Studio 環(huán)境下開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，通過(guò)ADS 通訊協(xié)議與下位機(jī)TwinCAT3 變量連接，人機(jī)交互界面見(jiàn)圖6。

圖6 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面包括主界面和參數(shù)設(shè)定界面。主界面左側(cè)是圖像的原始圖像窗口和邊緣捕捉處理后的窗口，能夠直觀給工作人員顯示目前相機(jī)拍攝的部位；右側(cè)是設(shè)備調(diào)試界面，包括狀態(tài)設(shè)置、手動(dòng)操作和自動(dòng)操作。

模板設(shè)定界面是系統(tǒng)處于自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，操作人員根據(jù)所測(cè)光纖預(yù)制棒的規(guī)格和測(cè)量需要設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)，下位機(jī)接收到這些參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)測(cè)量動(dòng)作。

4 設(shè)備調(diào)試與結(jié)果分析

在光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)車間進(jìn)行了系統(tǒng)的安裝調(diào)試，并對(duì)D150 (設(shè)計(jì)直徑150 mm) 和D180 (設(shè)計(jì)直徑180 mm)兩種規(guī)格的光纖預(yù)制棒進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1 和表2。

表1 D150 測(cè)量結(jié)果

表2 D180 測(cè)量結(jié)果

由表1、2 可知本文設(shè)計(jì)的光纖預(yù)制棒偏心量檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)多種規(guī)格光纖預(yù)制棒不同位置處的偏心量及實(shí)際直徑的檢測(cè)，測(cè)量精度高，滿足企業(yè)要求。

5 結(jié)論

本研究基于光纖預(yù)制棒偏心量檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種光纖預(yù)制棒偏心量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，以倍福公司的工業(yè)PC C6015 作為控制核心，采用軟PLC 控制技術(shù)，配合HALCON 圖像處理軟件，采用C#設(shè)計(jì)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種規(guī)格光纖預(yù)制棒偏心量的自動(dòng)檢測(cè)，節(jié)省了時(shí)間成本，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。