袁 江,呂 晶,邵建新,邱自學(xué),王淑芳

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南通 226019)

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非接觸式曲面測頭設(shè)計(jì)及精度試驗(yàn)研究

袁 江,呂 晶,邵建新,邱自學(xué),王淑芳

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南通 226019)

針對激光測頭因測量范圍小難以滿足大量程自由曲面的高精度測量要求的問題，基于伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，集成激光測頭和光柵尺研制了一種非接觸式測頭?？刂萍す鉁y頭工作在線性度誤差較小的中心范圍內(nèi)、而采用光柵尺反饋實(shí)現(xiàn)大范圍的測量，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，與激光測頭相比，研制的非接觸式測頭測量范圍擴(kuò)大了1倍，而測量不確定度、修正值、線性度等精度指標(biāo)并沒有下降。

自由曲面；激光測頭；光柵尺；非接觸測頭

0 引言

目前，接觸式測頭由于其測量范圍大、精度高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于三坐標(biāo)測量機(jī)中[1-3]，但受其測量速度慢、效率低、價(jià)格貴、對軟質(zhì)被測件難以做精密測量等缺點(diǎn)限制，已越來越不能滿足當(dāng)前自由曲面快速、高效的測量需求；而基于三角測距原理的非接觸式激光測頭由于具有測量原理簡單、測量速度快、分辨率高、不必做探頭半徑補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在逆向工程自由曲面測量中得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-8]，但由于激光測頭測量原理的非線性，其測量范圍一般較小。

為擴(kuò)大激光測頭的測量范圍，實(shí)現(xiàn)對較大量程自由曲面的高精度測量，本文基于伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，在Z方向集成了激光測頭和光柵尺，利用激光測頭在小量程范圍內(nèi)精度高和光柵尺量程大的特點(diǎn)，研究開發(fā)了一種非接觸式測頭，并對測頭精度相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 測頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測量原理

設(shè)計(jì)的非接觸式測頭由精密位置伺服系統(tǒng)、激光測頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。如圖1所示，將被測件置于X-Y精密移動(dòng)平臺(tái)上，Z向隨動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有激光測頭和光柵尺，通過伺服控制激光測頭工作在線性度較好的測量中心范圍內(nèi)，以提高激光測頭的測量精度，Z向隨動(dòng)控制量則由光柵尺測量得到，自由曲面Z向測量值即為激光測頭和光柵尺的輸出之和。進(jìn)行自由曲面測量時(shí)，根據(jù)測量路徑規(guī)劃，驅(qū)動(dòng)測量平臺(tái)沿Y向掃描測量，得到一截面曲線，然后驅(qū)動(dòng)測量平臺(tái)沿X向移動(dòng)一個(gè)間距完成下一截面測量，如此循環(huán)得到多個(gè)截面測量數(shù)據(jù)，通過曲面重構(gòu)獲取三維曲面。

圖1 自由曲面測量系統(tǒng)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 精密位置伺服系統(tǒng)

如圖2所示，精密位置伺服系統(tǒng)由三軸精密機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成。

圖2 精密位置伺服系統(tǒng)硬件連線圖

精密機(jī)械系統(tǒng)由X-Y精密移動(dòng)平臺(tái)YA25A-R1和Z向伺服機(jī)構(gòu)ZA10A- X1T組成，其主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)X-Y精密移動(dòng)平臺(tái)尺寸為250 mm×180 mm；

(2)X、Y、Z向?qū)к壭谐虨?00 mm；

(3)X、Y、Z向?qū)к壷貜?fù)性誤差分別為±1 μm，±1 μm，±0.5 μm；

(4)X、Y向?qū)к壷本€度誤差為4 μm，Z向?qū)к壍拇怪倍日`差為8 μm。

運(yùn)動(dòng)控制卡選用PCI-7344，它具有四軸控制，每軸均可設(shè)定為步進(jìn)或伺服運(yùn)動(dòng)，有混合式運(yùn)動(dòng)性能，62 ms PID回路更新速率，積分編碼或模擬反饋等特點(diǎn)[9]。該卡可以簡化步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制，以脈沖串的形式輸出，能完成步進(jìn)或伺服電機(jī)的位置控制、速度控制、加速度控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)等功能。運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-7344與專用連接模塊UMI-7764相連，再通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)3個(gè)方向的伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選用PK566-B和RKD514-C，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。因此，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。其主要特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)矩、低震動(dòng)、低噪音。驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)連接圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器連線圖

1.2.2 激光測頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖4所示，激光測頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括激光測頭、數(shù)據(jù)采集卡、接線板等。

圖4 激光測頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連線圖

激光測頭是自由曲面測量系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部件，選用LG10A65UN，其測量范圍為80～120 mm；測量平面的白色物體時(shí)最高分辨率可達(dá)3 μm，具有開關(guān)量和模擬量輸出，可獨(dú)立編程設(shè)定。同時(shí)，當(dāng)開關(guān)量輸出時(shí)，響應(yīng)時(shí)間分別為快速20 ms、中速10 ms、慢速100 ms；當(dāng)模擬量輸出時(shí)，響應(yīng)時(shí)間分別為快速450 Hz、中速45 Hz、慢速4.5 Hz[10]。

激光測頭是基于光學(xué)三角法測量原理，如圖5所示，控制可見激光通過匯聚透鏡射向被測物，激光光束經(jīng)被測物反射后通過接收透鏡散射到位置檢測元件(PSD)上，被測物與接收器的距離決定了光束到達(dá)接收器的角度，該角度反過來決定了光束落到PSD接收元件的位置。光束落在PSD元件的位置通過模擬及數(shù)字電子元件進(jìn)行處理并由微處理器進(jìn)行分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的輸出值。

圖5 激光三角法測量原理圖

數(shù)據(jù)采集卡采用PCI-6023，其采樣率為200 kS/s，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為12-Bit，通道數(shù)模擬輸入16，數(shù)字I/O為8位，兩路計(jì)數(shù)器為24-bit。

1.2.3 光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖6所示，光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括玻璃光柵尺、CA系列光柵細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡和插補(bǔ)器。

圖6 光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連線圖

玻璃光柵尺采用MercuryTM3000，它屬于增量型，主要用來構(gòu)成閉環(huán)反饋回路使被測點(diǎn)始終在激光位移傳感器測量的中心范圍，以提高激光位移傳感器的使用精度，光柵尺的測量范圍為130 mm，精度達(dá)±3 μm。

光柵尺測量的信號由CA系列光柵細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡采集后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。CA系列光柵細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡從計(jì)算機(jī)接口上可分為ISA類和PCI類，其配接2路光柵，TTL方波光柵信號類型，2路30位計(jì)數(shù)器可接入2個(gè)外部鎖存信號，采用硬件細(xì)分、硬件計(jì)數(shù)、硬件鎖存，采樣速度高，可滿足精密測量和數(shù)控的要求。

2 測量軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

采用LabVIEW 8.6開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，先初始化配置X-Y精密移動(dòng)平臺(tái)掃描速度、數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率等參數(shù)，然后控制X-Y精密移動(dòng)平臺(tái)沿被測曲面四周運(yùn)動(dòng)以確定一個(gè)合適的包容矩形，完成曲面邊界的確定，X、Y向在測量區(qū)域內(nèi)按設(shè)定的測量間隔采用等間距進(jìn)給，Z向位置由激光位移傳感器和光柵尺調(diào)整，最后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 激光測頭的數(shù)據(jù)采集

通過數(shù)據(jù)采集卡獲取激光測頭的測量數(shù)據(jù)，因PCI-6023數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW兼容，所以可以直接調(diào)用DAQmx-Read.vi來采集數(shù)據(jù)，其程序框圖如圖8所示。

圖8 激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集程序

在調(diào)用子VI之前需要對PCI-6023進(jìn)行配置，一般測量系統(tǒng)可分為差分、參考地單端、無參考地單端3種連接類型。本文采用差分輸入設(shè)置，其信號輸入端的正負(fù)極分別與兩個(gè)不同的模擬輸入端口相連接，并通過多路開關(guān)分別連接到放大器的正負(fù)極上，不但避免了接地回路干擾，還避免了環(huán)境干擾，其配置中電壓范圍最大輸入限制為10 V，最小輸入限制為-10 V。

2.3 光柵尺的數(shù)據(jù)采集

雖然LabVIEW提供了大量的數(shù)據(jù)采集子VI，可以供用戶直接使用。但這些子VI只支持NI公司及少數(shù)公司開發(fā)的支持LabVIEW平臺(tái)的硬件，而系統(tǒng)中采用的CA204D光柵細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡不支持LabVIEW平臺(tái)，因此在LabVIEW中必須調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)的方式來驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡[11]。

在LabVIEW中通常通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)來鏈接DLL，通過DLL路徑選擇及其參數(shù)配置即可完成函數(shù)調(diào)用。在該系統(tǒng)中，CA204D光柵細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡提供的DLL文件為capciisa.dll，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡所需的函數(shù)及其參數(shù)配置有：

(1)搜尋系統(tǒng)內(nèi)所有CA系列卡的數(shù)量：long WINAPI CASearchAndOpen(void)。

(2)關(guān)閉所有CA設(shè)備：void WINAPI CACloseAll(void)。

(3)得到單坐標(biāo)指定設(shè)備的坐標(biāo)值：BOOL WINAPICAGetOneCoord(long Index，One *d)，Index指定對某卡操作的序號，值為0～N-1，d返回單坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。其程序框圖如圖9所示。

圖9 光柵尺采集程序框圖

2.4 三軸運(yùn)動(dòng)控制

LabVIEW提供了ActiveX外部程序接口能力，通過ActiveX能夠方便地調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡中的程序、控件等。通過ActiveX自動(dòng)化LabVIEW既可以作為客戶端，也可以作為服務(wù)器。作為客戶端，LabVIEW可以調(diào)用ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器中的ActiveX對象，獲得其屬性和方法，用戶可以應(yīng)用這些屬性和方法進(jìn)行編程[12]。

在LabVIEW平臺(tái)上通過ActiveX技術(shù)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器程序中的ActiveX對象，進(jìn)行進(jìn)一步的編程處理，從而實(shí)現(xiàn)對三軸運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等的控制以及插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)，完成對多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制功能的快速開發(fā)，大大縮短了開發(fā)周期。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況輸入速度脈沖、加減速度脈沖、方向、位置等參數(shù)，依據(jù)監(jiān)測界面的限位、回零，編碼器反饋脈沖等信號，進(jìn)行既定軌跡的運(yùn)動(dòng)。其程序框圖如圖10所示。

圖10 單軸運(yùn)動(dòng)控制程序框圖

3 精度試驗(yàn)結(jié)果及處理

根據(jù)經(jīng)典誤差理論[13]，與測頭精度相關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)有修正值、測量不確定度、線性度、示值誤差等。其中，修正值反映測頭測量時(shí)的系統(tǒng)誤差，大小與系統(tǒng)誤差相等，符號相反；測量不確定度反映系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，主要運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行評估；線性度反映測頭輸出與輸入的線性相關(guān)程度，它是測頭實(shí)測值與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比，該值越小，表明線性特性越好；示值誤差則是反映測頭測點(diǎn)輸出與最小二乘擬合值之差。

本文對原始激光測頭和自行設(shè)計(jì)的非接觸式集成測頭分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)控制激光測頭工作在80～120 mm的測量范圍內(nèi)，而集成測頭為提高測量時(shí)的精度，控制激光測頭工作在95～105 mm測量范圍內(nèi)，通過光柵尺反饋擴(kuò)大其測量范圍至95～175 mm[14]，最后，通過數(shù)據(jù)處理以獲取與精度相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并將兩者精度結(jié)果進(jìn)行對比。精度試驗(yàn)流程如圖11所示，精度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 精度試驗(yàn)流程圖

表1 測頭精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，集成測頭在使用時(shí)，其精度各項(xiàng)指標(biāo)和激光測頭的相對誤差均比較小，這表明，與單獨(dú)使用激光測頭相比較，研制的非接觸式測頭在精度幾乎不受影響的情況下，其使用量程擴(kuò)大了1倍。

4 結(jié)論

為滿足自由曲面高精度、大量程的測量要求，基于伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，集成激光測頭和光柵尺設(shè)計(jì)了一種非接觸式測頭，控制激光測頭工作在線性度較好的中心范圍(95～105 mm)內(nèi)，而采用光柵尺反饋實(shí)現(xiàn)了測頭測量范圍的擴(kuò)大，試驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果表明，研制的非接觸測頭其修正值、測量不確定度、線性度、示值誤差等精度參數(shù)并沒有下降，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

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Design and Precision Experiment of Non-Contact Surface Probe

YUAN Jiang,LU Jing,SHAO Jian-xin,QIU Zi-xue,WANG Shu-fang

(School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)

The laser probe is difficult to meet the high accuracy measurement requirements for wide-range free-form surface due to its small measurement range.A non-contact probe integrated laser probe and grating ruler was designed by the servo motion control technology.The laser probe was controlled in the center range and its linearity error was smaller,and the grating ruler was used to feedback to achieve wide-range measurement.The system hardware and software design were introduced in detail.Compared with laser probe,experimental data processing results show that the non-contact probe measuring range is expanded 1 times while its accuracy index have not declined such as the measurement uncertainty,correction value,linearity,and etc.

free form surface;laser probe;grating ruler;non-contact probe

江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目(JHZD10-035)；南通市“瞪羚企業(yè)” 培育計(jì)劃項(xiàng)目(AA2013016)

2013-11-14 收修改稿日期：2014-10-12

TH711

A

1002-1841(2015)02-0074-04

袁江(1968—)，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)測控技術(shù)。E-mail：yuanjiang68@126.com 呂晶(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試技術(shù)與虛擬儀器。E-mail：539921220@qq.com