黃仕磊,莫慶凱,宋國堃

(四川大學(xué)四川成都610065)

1 在線檢測系統(tǒng)分析與研究

1.1 被測件的定位和在帶傳動(dòng)上的撓度

定位精度的高低直接影響了測量精度,尤其是在精密輪廓方面更要求被測件的準(zhǔn)確定位[1]。考慮到在線測量的工件始終在定位面上并且在做連續(xù)或間斷運(yùn)動(dòng),因此,用V形架或矩形架較合理一些。在實(shí)際研究過程中,用同步帶作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu),原理如圖1。被測件在同步帶上,可將其一面視為簡支梁,從宏觀看受均布荷載作用,如圖2所示,若抗彎剛度為EI,則易得兩端A、B處的支反力均為向上的用截面法可得彎矩方程:

圖1 柱狀工件定位示意圖

圖2 同步帶一面受力圖

并在中心

其中:E為彈性模量,慣性,b為帶長,h 為帶高[1-2]。由于這個(gè)誤差主要使得被測件理論中心線與CCD理論中心線不重合,而對(duì)平行度的影響較小,所以此誤差可由圖像處理程序減小。

1.2 CCD相機(jī)與被測件的位置關(guān)系對(duì)檢測的影響

CCD系統(tǒng)的物鏡采用變焦物鏡,其焦距變化是通過一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)的軸向移動(dòng)、改變光組間隔來實(shí)現(xiàn)的[3]。一種典型的結(jié)構(gòu)型式如圖3。被測件與CCD的空間位置關(guān)系一般有兩種,分別是臥式和立式如圖4所示。

圖3 變焦物鏡原理圖

圖4 鏡頭與被測件運(yùn)動(dòng)方向示意圖

臥式使得被測件連續(xù)送達(dá)CCD鏡頭前時(shí)沿水平方向有跳動(dòng)(圖中箭頭),若使物方截距L變大,由于垂軸放大率β和軸向放大率α為:

于是得α恒大于零,因此L′變小,垂軸放大率β變小,像高變小,所以,水平方向的定位不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致相同大小的被測件每次的圖像大小不同。另一種是立式,這種方式由于物方截距L變化小,克服了水平方式的不足,但是,立式也會(huì)出現(xiàn)水平跳動(dòng)(圖中箭頭)。解決這個(gè)問題可以利用圖像對(duì)準(zhǔn),使被測件圖像基準(zhǔn)線與標(biāo)準(zhǔn)圖基準(zhǔn)線重合的辦法。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)時(shí)采用的是臥式,此時(shí),圖像處理運(yùn)用了其他數(shù)學(xué)算法,減小了由于物方截距L變化帶來的誤差。另外,光源形式有對(duì)射式的面光源和反射式的環(huán)形光源,圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于被測件比背景的反光率高且被測件面積大,所以用環(huán)形光源效果好,但是對(duì)射式的應(yīng)用范圍更廣,具體視情況而定。

1.3 被測件的傾斜誤差

送達(dá)檢測系統(tǒng)的被測件是不應(yīng)該有抖動(dòng)的,最重要的是,被測件的理論中心線應(yīng)與CCD的理論中心線平行或重合(圖5中的點(diǎn)劃線)。不然,CCD檢測的將不是所需要的面,而是整個(gè)被測件在CCD平面上的投影(圖5所示虛線),這個(gè)傾斜角將使得檢測不準(zhǔn)。

圖5 傾斜誤差分析原理圖

由圖5知:

若忽略θ2帶來的二次微小誤差[5],則:

若被測件 h＝20 mm ,θ＝5′則 ΔS≈0.029 mm≈30 μm?？梢?θ一定時(shí),d的大小對(duì)h造成的誤差有補(bǔ)償作用;d的大小產(chǎn)生二次誤差可忽略,但是,h的大小產(chǎn)生一次誤差不可忽略,并且誤差隨h的變大而增大。因此h應(yīng)盡量小,也表明對(duì)于厚度較大的被測件的測量誤差大,這是該技術(shù)的局限性之一。

1.4 剛性檢測系統(tǒng)

考慮到盡量減小傾角θ,于是設(shè)計(jì)了基于剛性結(jié)構(gòu)的檢測系統(tǒng),原理圖如圖6所示。

圖6 剛性檢測系統(tǒng)原理圖

步進(jìn)電機(jī)7及傳動(dòng)系統(tǒng)8帶動(dòng)V形架轉(zhuǎn)輪6做間隙轉(zhuǎn)動(dòng),每次的轉(zhuǎn)角為22.5°,使得被測件自動(dòng)連續(xù)地從斜面上進(jìn)入V形架。在間隙的時(shí)間段內(nèi),CCD采集圖像送達(dá)CPU進(jìn)行分析,若是不合格件,則當(dāng)V形架轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到分選架3的位置時(shí)被分選架選出送入盛物臺(tái),若是合格件,則分選架不轉(zhuǎn)動(dòng),致使被測件進(jìn)入機(jī)架系統(tǒng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了在線檢測并分選。此系統(tǒng)的V形架轉(zhuǎn)輪前后有兩個(gè),用于定位,與CCD屬于臥式放置。其優(yōu)點(diǎn)是V形架是剛性的,前后兩轉(zhuǎn)輪大小相同,若選擇精度較高的加工工藝和合理的軸就能保證被測件理論中心線與CCD理論中心線的平行度,可靠性高,復(fù)現(xiàn)性好,但該系統(tǒng)的分選架和機(jī)架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

1.5 利用帶傳動(dòng)的檢測系統(tǒng)和氣動(dòng)傳動(dòng)的分選系統(tǒng)

在工程實(shí)際中由于同步帶傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)眾多,工程中常用[4]。基于此,運(yùn)用同步帶作為傳動(dòng)系統(tǒng)具有實(shí)踐意義。系統(tǒng)的原理如圖7所示,步進(jìn)電機(jī)10及傳動(dòng)系統(tǒng)11使同步帶12間隙傳動(dòng),間隙距離為光電開關(guān)3右側(cè)端和CCD相機(jī)4中心線之間的距離,光電開關(guān)用于定位。在間隙時(shí)間內(nèi),CCD相機(jī)采集圖像并送入CPU,CPU對(duì)工件的合格與否做出判斷,用執(zhí)行信號(hào)控制電磁閥使氣缸沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng),致使分選臺(tái)滑動(dòng),將合格與不合格的被測件分開實(shí)現(xiàn)在線檢測并分選。圖7中的光電開關(guān)采用對(duì)射式,因此光電開關(guān)的夾持件至少應(yīng)水平可調(diào),以保證光電開關(guān)的對(duì)射線與CCD理論中心線平行。圖7中CCD相機(jī)的夾持件則需要在三個(gè)坐標(biāo)上可微調(diào),以保證CCD的理論中心線與矩形架的中心線平行。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明,這三個(gè)部件的平行度越高,檢測精度就越高,其原因是平行度越高,傾角越小,傾斜誤差也就越小。另外,此系統(tǒng)除傾斜外,振動(dòng)也是重要的誤差源,當(dāng)CCD采集圖像時(shí),振動(dòng)會(huì)使圖像失真。解決的辦法是當(dāng)帶過長時(shí)外加滾輪,改變?cè)械膽?yīng)力分布;讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn);增大間隙過程的啟動(dòng)和減速時(shí)間;增大圖像采集延時(shí)時(shí)間等。

圖7 帶傳動(dòng)檢測系統(tǒng)原理圖

整個(gè)分選臺(tái)由氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制,氣源裝置進(jìn)氣,氣缸帶動(dòng)分選臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)[6]。氣缸的固定采用支座式軸向耳座。其中雙作用氣缸的換向回路原理圖如圖8所示。

圖8 換向回路原理圖

這種電磁閥是常開式二位五通單作用電磁控制電磁閥,它的壓強(qiáng)范圍為0.2~0.8 MPa,控制電路采用繼電器控制[7]。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明,由于氣缸帶動(dòng)的滑塊有一定阻力,所以氣壓調(diào)節(jié)為0.6 MPa左右效果比較好。因?yàn)楸粶y件停留的間隙時(shí)間大于CCD采集的時(shí)間,約為2.5 s,又遠(yuǎn)大與氣缸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,所以雙作用普通式氣缸的兩個(gè)方向輸出的力和速度不等的缺點(diǎn)對(duì)分選影響很小,可忽略。

2 控制程序設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序?yàn)榭刂普咛峁┤藱C(jī)交互服務(wù),并控制下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作。上位機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣有很大影響。本項(xiàng)目使用VB.NET編寫上位機(jī)程序,具有開發(fā)效率高、代碼維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.2 上位機(jī)程序界面

上位機(jī)程序主界面如圖9所示,界面上分“監(jiān)控”和“質(zhì)量檢測”兩大區(qū)域:1)“監(jiān)控”區(qū)域主要用于顯示系統(tǒng)總工作狀態(tài),光電開關(guān)狀態(tài),氣缸狀態(tài),以及步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)?！斑\(yùn)行”按鈕可控制系統(tǒng)的運(yùn)行和停止,而“參數(shù)設(shè)置”則可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2)“質(zhì)量檢測”區(qū)域主要用于顯示經(jīng)過處理后的產(chǎn)品圖像以及合格與不合格的產(chǎn)品數(shù)。

圖9 上位機(jī)程序主界面

2.3 上位機(jī)程序框圖

上位機(jī)程序的核心部分為上位機(jī)與下位機(jī)通信以及VB.NET與Matlab混合編程的實(shí)現(xiàn)[9-10]。上位機(jī)程序框圖設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 上位機(jī)程序框圖

2.4 上位機(jī)與下位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

研究中使用異步通信,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信。異步通信相對(duì)同步通信而言,傳輸數(shù)據(jù)的速度較慢,但若在一次串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,僅影響一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),因而使用異步通信更加可靠。VB.NET在NET Framework 2.0類庫包含了SerialPort類,實(shí)現(xiàn)串口通信的多種功能[8]。為實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)進(jìn)行通信,首先應(yīng)在VB.NET項(xiàng)目中添加SerialPort控件,并對(duì)其進(jìn)行如下操作:

1)設(shè)置SerialPort控件屬性

SerialPort.PortName ＝ “COM1”

SerialPort.BaudRate＝9600

SerialPort.DataBits＝8

SerialPort.StopBits＝1

2)打開串口

SerialPort.Open()

3)在DataReceived事件中添加數(shù)據(jù)處理程序代碼

Private Sub SerialPort＿DataRecevied(ByVal＿

sender As