陳寒松，吳天成，周建忠，盛　杰，徐蘇強(qiáng)

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備與算法

陳寒松，吳天成，周建忠，盛杰，徐蘇強(qiáng)

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

激光投線儀是工程中用于標(biāo)定基準(zhǔn)線的精密測(cè)量?jī)x器，目前其光線校準(zhǔn)工作較為費(fèi)時(shí)且精度受控性較差.為了能較快較準(zhǔn)地調(diào)校光線，使之滿足各項(xiàng)精度要求，在對(duì)現(xiàn)有激光投線儀調(diào)校原理與結(jié)構(gòu)深入研究的基礎(chǔ)上，對(duì)激光投線儀的機(jī)芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建了一套以工控機(jī)為控制核心的光線調(diào)校系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用伺服電機(jī)控制光線調(diào)節(jié)螺栓的旋進(jìn)與旋出，調(diào)整激光線的位置，并采用線陣CCD實(shí)現(xiàn)光線位置的快速檢測(cè)，使其快速調(diào)校到設(shè)定值.利用PID控制算法與模糊控制算法，結(jié)合Matlab仿真軟件對(duì)光線水平度調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真結(jié)果表明：PID控制算法程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)時(shí)間短，但存在比較大的超調(diào)，對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化比較敏感，魯棒性差；模糊控制算法無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)過(guò)程平緩，對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化不敏感，魯棒性好，較適用于光線調(diào)節(jié)系統(tǒng).

激光投線儀；光線調(diào)校；線陣CCD；PID控制；模糊控制

doi∶10.3969/j.issn.1671-7775.2015.06.009

激光投線儀是一種新型的激光類小型測(cè)繪測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、家具制造、建筑裝潢等相關(guān)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊.激光投線儀可以在墻面等被射物體表面投射出可見(jiàn)的水平直線和鉛垂直線，起到標(biāo)定基準(zhǔn)線的作用.激光投線儀在出廠前需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的光線校準(zhǔn)，對(duì)激光光線的直線度、垂直度和天頂?shù)奈恢枚鹊戎笜?biāo)進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)整.傳統(tǒng)的激光直線調(diào)節(jié)方式需要在足夠遠(yuǎn)的距離處放置對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)標(biāo)靶，將激光直線投射到各個(gè)標(biāo)靶上，通過(guò)閉路監(jiān)視系統(tǒng)將畫(huà)面匯集到顯示器后，由人眼判斷光線的各項(xiàng)精度是否滿足要求，若存在偏差，則手動(dòng)調(diào)整光線調(diào)節(jié)螺栓，使光線達(dá)到各項(xiàng)精度要求［1］，此方法主要依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)，且容易因工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度不準(zhǔn).因此，研究人員開(kāi)始嘗試采用線陣CCD（charge-couPled device）的光線檢測(cè)技術(shù)［2］，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)自動(dòng)化.路杰等［1］、劉海波等［3］設(shè)計(jì)一套基于線陣CCD光線檢測(cè)裝置，使光線檢測(cè)的精度大大提高，且受人為因素的影響大大減小，劉盼盼等［4］采用平行光管角度測(cè)量與機(jī)器視覺(jué)測(cè)量結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)激光投線儀多維校準(zhǔn)系統(tǒng).上述裝置均采用人工調(diào)節(jié)與視覺(jué)檢測(cè)相結(jié)合的方式，自動(dòng)化程度不高.

基于上述問(wèn)題，文中對(duì)激光投線儀的機(jī)芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于光線自動(dòng)化調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)和搭建一套基于工控機(jī)的光線自動(dòng)調(diào)校設(shè)備，并對(duì)其核心控制算法進(jìn)行仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)光線調(diào)節(jié)的自動(dòng)化.

1 激光投線儀光線調(diào)節(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.1機(jī)芯結(jié)構(gòu)

文中激光投線儀選用光源為635 nm激光二極管，可以投射出可見(jiàn)的紅色水平直線和鉛垂直線.機(jī)芯結(jié)構(gòu)如圖1，2所示.

圖1　光線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖

圖2　機(jī)芯結(jié)構(gòu)圖

激光二極管封裝在激光頭中，激光頭安裝在調(diào)節(jié)片內(nèi)，并通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓與機(jī)芯連接，調(diào)節(jié)片中間的凹槽與機(jī)芯上的半圓凸起部分連接.2個(gè)位置調(diào)節(jié)螺栓的進(jìn)退帶動(dòng)調(diào)節(jié)片上下擺動(dòng)，調(diào)整光線的位置；調(diào)節(jié)片左右兩端的角度調(diào)節(jié)螺栓與激光頭的凹槽內(nèi)壁接觸，一個(gè)旋進(jìn)，一個(gè)旋出帶動(dòng)激光頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)光線的角度.

1.2光線調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)計(jì)

激光投線儀機(jī)芯安裝在工位轉(zhuǎn)臺(tái)上，螺栓調(diào)節(jié)部分采用伺服電機(jī)與扳手相連接，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)螺栓的旋進(jìn)與旋出，分別驅(qū)動(dòng)安裝激光頭的調(diào)節(jié)片繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)以及激光頭在調(diào)節(jié)片上旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到調(diào)劑激光光線角度和位置的目的.伺服電機(jī)安裝在上位機(jī)構(gòu)上，在裝卸機(jī)芯和轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)工位時(shí)，扳手與調(diào)節(jié)螺栓分離，在調(diào)節(jié)光線時(shí)，上位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電機(jī)移動(dòng)，使扳手與調(diào)節(jié)螺栓接觸.每根光線的調(diào)節(jié)需要4個(gè)伺服電機(jī)，左右兩側(cè)的電機(jī)用于調(diào)節(jié)光線的水平度，調(diào)節(jié)片正前方的2個(gè)電機(jī)用于調(diào)節(jié)光線的位置.

光線檢測(cè)過(guò)程中，水平光線采用位于同一水平線上的2塊線陣CCD進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)芯正前方的CCD檢測(cè)光線的位置，機(jī)芯左邊的CCD與正前方的CCD檢測(cè)光線的水平度（與2個(gè)CCD上基準(zhǔn)位置的差值即為水平度）；垂直光線采用位于同一垂直線上的2塊線陣CCD進(jìn)行檢測(cè)，擺放位置與檢測(cè)水平光線的方式相同，放于同一垂直線上［1］.這里以檢測(cè)水平光線為例進(jìn)行說(shuō)明，CCD（正）放于光源正前方，用于檢測(cè)光線的上下位置，CCD（左）用于檢測(cè)光線的水平度，CCD（左）與CCD（正）之間的間隔為2.5 m，2個(gè)CCD離光源距離為5 m，2個(gè)CCD上的基準(zhǔn)值記為H左基準(zhǔn)，H正基準(zhǔn)，實(shí)際光線在2個(gè)CCD上的反饋值為H左，H正，光線檢測(cè)示意圖如圖3所示.圖4為激光投線儀光線調(diào)節(jié)設(shè)備搭建圖.

圖3　光線檢測(cè)示意圖

圖4　激光投線儀光線調(diào)節(jié)設(shè)備搭建圖

2 電氣控制系統(tǒng)

2.1硬件系統(tǒng)

激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)校系統(tǒng)采用工控機(jī)為控制核心，以運(yùn)動(dòng)控制卡、模擬量卡、數(shù)字量卡、線陣CCD和相應(yīng)的端子板組成信號(hào)輸入、輸出模塊.其電氣控制系統(tǒng)框圖如圖5所示.

圖5　硬件系統(tǒng)組成

運(yùn)動(dòng)控制部分以研華PCI-1240四軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，伺服電機(jī)選用松下A5系列伺服電機(jī)，采用位置控制模式的方式接線.以研華PCI-1220兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)工位轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行控制，工位轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)渦輪蝸桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工位的轉(zhuǎn)換，當(dāng)激光投線儀機(jī)芯上一工位的激光頭光線調(diào)節(jié)完畢后，工位轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行下一工位的激光頭光線的調(diào)節(jié).

對(duì)各軸扭矩的采集使用研華PCI-1710模擬量卡，由于光線調(diào)校中不僅對(duì)光線的各項(xiàng)精度有要求，對(duì)各調(diào)節(jié)螺栓最終的扭矩也有要求，需大于規(guī)定值，所以本系統(tǒng)必須對(duì)各調(diào)節(jié)螺栓的扭矩進(jìn)行反饋.由于電機(jī)與扳手直接通過(guò)聯(lián)軸器連接，所以電機(jī)的扭矩值接近各調(diào)節(jié)螺栓的扭矩值，PCI-1710模擬量卡能夠把各軸扭矩實(shí)時(shí)的反饋到工控機(jī)上.對(duì)上位機(jī)構(gòu)的控制采用研華PCI-1760數(shù)字量卡，該數(shù)字量卡有S位數(shù)字量輸出功能，可控制上位機(jī)構(gòu)的上下位，使調(diào)節(jié)扳手與光線調(diào)節(jié)螺栓接觸或分離.

線陣CCD采用TOSHIBA公司的TCD1501D型，該器件是一種高靈敏度、底暗電流、6 000像元的二相線陣CCD，像元之間的間距為7μm.

2.2控制軟件

為了使控制界面直觀、友好，選用Visual C++作為系統(tǒng)控制軟件的開(kāi)發(fā)工具［5］.軟件中包含6個(gè)模塊，分別是電機(jī)扭矩反饋模塊、光線位置和角度反饋模塊、光線軌跡可視化模塊、電機(jī)控制模塊、光線自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊及上位機(jī)構(gòu)控制模塊.開(kāi)機(jī)后，工控機(jī)先自行監(jiān)測(cè)，然后初始化顯示主界面，初始化工作主要包括∶各種變量、運(yùn)動(dòng)控制卡、模擬量卡和數(shù)字量卡的初始化以及各電機(jī)軸當(dāng)前狀態(tài)的顯示［6］.

軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示.其中，光線位置和水平度反饋模塊、電機(jī)扭矩反饋模塊和光線自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊為軟件的核心模塊.

圖6　軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1光線位置和水平度反饋模塊

激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)校系統(tǒng)中光線位置的采集使用線陣CCD，并通過(guò)RS232串行通訊傳輸?shù)焦た貦C(jī)上［1，7］，軟件界面的光線位置反饋模塊中，顯示的是水平光線實(shí)際位置值H左，H正，基準(zhǔn)值H左基準(zhǔn)，H正基準(zhǔn)，實(shí)際位置與基準(zhǔn)值的差值△H左，△H正；垂直光線實(shí)際位置值H上，H正，基準(zhǔn)值H上基準(zhǔn)，H正基準(zhǔn)，實(shí)際位置與基準(zhǔn)值的差值△H上，△H正.

2.2.2光線自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊

在光線調(diào)節(jié)前，需進(jìn)行基準(zhǔn)的標(biāo)定，選用各項(xiàng)精度滿足要求的激光投線儀機(jī)芯為基準(zhǔn)，在2個(gè)CCD上顯示的值分別定義為H左基準(zhǔn)，H正基準(zhǔn)，在后續(xù)的光線自動(dòng)調(diào)節(jié)中，投線儀光線在CCD上的反饋值分別為H左，H正，以此H左基準(zhǔn)，H正基準(zhǔn)為目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后△H正，△H左控制在±2 mm，則可視為達(dá)到精度要求，光線調(diào)節(jié)的流程圖如圖7所示.

圖7　光線自動(dòng)調(diào)節(jié)流程圖

3 光線水平度調(diào)節(jié)算法原理及設(shè)計(jì)

3.1算法的選擇

光線調(diào)節(jié)的效率和精度主要是靠控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)順序動(dòng)作的精準(zhǔn)配合實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)控制器算法的選擇尤為重要.PID算法具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的適應(yīng)性能，程序編制簡(jiǎn)單，工程上便于實(shí)現(xiàn)，且參數(shù)調(diào)整方便，在光線的調(diào)節(jié)中有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).模糊控制算法在智能控制領(lǐng)域理論研究比較成熟、實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，且不需要精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng).由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在一定的機(jī)械誤差和幾何誤差，且光線位置的變化具有非線性，其控制對(duì)象無(wú)法精確地建立數(shù)學(xué)模型，所以模糊控制算法在光線的調(diào)節(jié)中也有其一定的優(yōu)勢(shì)，下面針對(duì)這2種算法進(jìn)行仿真對(duì)比.

3.2PID控制算法設(shè)計(jì)

普通的增量型PID控制算法［S］為

式中∶KP，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)；e（k），e（k-1）和e（k-2）分別為第k，k-1，k-2次采樣時(shí)的偏差值；u（k）為第k次采樣時(shí)的控制器輸出值；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期.

結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本系統(tǒng)采用PI控制器進(jìn)行試驗(yàn).

3.3模糊控制算法設(shè)計(jì)

模糊控制器由數(shù)據(jù)模糊化處理模塊、數(shù)據(jù)模糊推理模塊以及數(shù)據(jù)逆模糊化處理模塊3個(gè)部分組成.將模糊控制器的輸入取為左邊CCD反饋值H左和H正的變化率，輸出取為電機(jī)的給定脈沖量，因此，模糊控制器選用雙輸入單輸出的二維模糊控制器［9］.

取H左的語(yǔ)言變量為E，論域?yàn)閄=｛-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4｝，將模糊論域劃分為E=｛NB，NS，ZO，PS，PB｝，分別表示當(dāng)前誤差為“光線向左傾斜，傾斜角度大”、“光線向左傾斜，傾斜角度偏大”、“正常位置”、“光線向右傾斜，傾斜角度偏大”、“光線向右傾斜，傾斜角度大”.

取H左的變化率的語(yǔ)言變量為EC，論域?yàn)閅=｛-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4｝，將模糊論域劃分為EC=｛NB，NS，ZO，PS，PB｝，分別表示當(dāng)前誤差變化率為“光線逆時(shí)針快速旋轉(zhuǎn)”、“光線逆時(shí)針較快旋轉(zhuǎn)”、“不變”、“光線順時(shí)針較快旋轉(zhuǎn)”、“光線順時(shí)針快速旋轉(zhuǎn)”.

取電機(jī)的給定脈沖量為控制量u，其語(yǔ)言變量為U，論域?yàn)閆=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，將模糊論域劃分為U=｛NB，NS，ZO，PS，PB｝，分別表示電機(jī)的脈沖數(shù)為“左電機(jī)脈沖數(shù)給正脈沖數(shù)，右電機(jī)脈沖數(shù)給負(fù)脈沖數(shù)，且給定量大”、“左電機(jī)脈沖數(shù)給正脈沖數(shù)，右電機(jī)脈沖數(shù)給負(fù)脈沖數(shù)，且給定量較大”、“角度正好，電機(jī)不轉(zhuǎn)”、“左電機(jī)脈沖數(shù)給負(fù)脈沖數(shù)，右電機(jī)脈沖數(shù)給正脈沖數(shù)，且給定量較大”、“左電機(jī)脈沖數(shù)給負(fù)脈沖數(shù)，右電機(jī)脈沖數(shù)給正脈沖數(shù)，且給定量大”.

綜合考慮VC++中編程的簡(jiǎn)明性和實(shí)際運(yùn)行的工程應(yīng)用性，決定采用三角分布的隸屬度函數(shù)作為此模糊控制器的隸屬度函數(shù).考慮激光投線儀實(shí)際應(yīng)用工況，對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，得到模糊控制的模糊化結(jié)果［10］，如表1-3所示.

表1　模糊變量E，EC的隸屬度賦值表

表2　模糊變量U的隸屬度賦值

表3　模糊控制規(guī)則表

在光線調(diào)節(jié)過(guò)程中，先離線計(jì)算出模糊控制查詢表，然后根據(jù)線陣CCD的反饋值，計(jì)算出H左值E和H左值的變化率EC，接著通過(guò)查詢模糊控制查詢表獲得電機(jī)給定脈沖量U，再乘以比例因子，即可計(jì)算出具體的脈沖數(shù)［11］.

4 算法仿真

結(jié)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的幾何位置關(guān)系和機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系，忽略機(jī)械誤差和幾何誤差，得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型∶

式中∶y是所給脈沖數(shù)；y0是電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的脈沖數(shù)，設(shè)定為10 000；l是調(diào)節(jié)螺栓的進(jìn)給量；P為螺栓的螺距，為1 mm；H為CCD上光線的實(shí)際位置；λ為螺栓的進(jìn)給損失系數(shù)，值為0.025；r為激光頭凹槽半徑，為5.2 mm；θ為光線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；R為CCD之間的間距，為2.5 m；ΔH為線陣CCD上光線所移動(dòng)的距離.

圖8　PID控制仿真模型

圖9　模糊控制仿真模型

在PID控制系統(tǒng)中，對(duì)有超調(diào)量和無(wú)超調(diào)量時(shí)的比例與積分參數(shù)進(jìn)行試湊［12］，選取其中的3個(gè)參數(shù)，得到的曲線如圖10所示.

圖10　K P，K I參數(shù)的比較圖

從圖10中可以看出，有超調(diào)量時(shí)，參數(shù)KP=4，KI=0.4的超調(diào)量較小，且時(shí)間短，無(wú)超調(diào)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低.故PI控制的比例、積分系數(shù)選用KP=4，KI=0.4較合適.其中橫坐標(biāo)是仿真時(shí)間t，縱坐標(biāo)是H左值.

在模糊控制系統(tǒng)中，因模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差，故在模糊控制仿真模型中加入一積分環(huán)節(jié)，構(gòu)成模糊與積分混合控制器［13］，其控制仿真模型如圖11所示，圖12為未加積分環(huán)節(jié)的模糊控制和加入積分環(huán)節(jié)的模糊控制仿真曲線，由圖可知，加入積分環(huán)節(jié)后可以滿足光線調(diào)節(jié)要求.

圖11　加入積分環(huán)節(jié)的模糊控制仿真模型

圖12　2種模糊控制階躍響應(yīng)曲線

由于在光線調(diào)節(jié)過(guò)程中誤差、系統(tǒng)的時(shí)變性和非線性等因素的影響，系統(tǒng)的控制對(duì)象模型是不準(zhǔn)確的，模型參數(shù)會(huì)變化，所以在控制對(duì)象模型參數(shù)變化引起的模型失配情況下再進(jìn)行上面的仿真，如圖13，14所示，其中模型增益、滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)均失配+20％［14］，PID控制和模糊控制中的其他參數(shù)不變.

圖13　標(biāo)稱模型與模型失配時(shí)的PID控制階躍響應(yīng)曲線

圖14　標(biāo)稱模型與模型失配時(shí)的模糊控制階躍響應(yīng)曲線

在標(biāo)稱模型時(shí)，由圖10，12可以看出，PID控制算法的上升時(shí)間短，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，在35 s可以達(dá)到目標(biāo)位置，但超調(diào)量比較大，若改變積分、微分參數(shù)，把響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)到無(wú)超調(diào)情況下，則調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，大概在50 s可以達(dá)到目標(biāo)位置；模糊控制算法無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)過(guò)程較平穩(wěn)，但上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都較長(zhǎng)，大概在3S s左右可以達(dá)到目標(biāo)位置.兩控制算法的調(diào)節(jié)時(shí)間相差不大，但模糊控制在抑制超調(diào)方面有優(yōu)勢(shì).

在模型失配時(shí)，由圖13，14可以看出，控制對(duì)象模型參數(shù)變化時(shí)，PID控制產(chǎn)生較大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間也變長(zhǎng)，受模型參數(shù)變化影響很大，而模糊控制能夠有效抑制超調(diào)，上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間也無(wú)明顯變化，對(duì)模型參數(shù)變化引起的模型失配不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性.

根據(jù)光線調(diào)節(jié)的實(shí)際需求，調(diào)節(jié)過(guò)程需要較為平緩，受工況變化的影響要小，且需較小的超調(diào).綜上所述，模糊控制能夠基本滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo).

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

文中的光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)每次線陣CCD輸出信號(hào)采集的時(shí)間間隔為0.5 s，并將每次調(diào)節(jié)后得到的位置誤差輸入至上位機(jī)中，采用模糊控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，在軟件界面上對(duì)CCD的反饋值進(jìn)行采集，如圖15所示.

圖15　模糊控制的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

H左的起始位置為3.0mm，基準(zhǔn)位置為25.0mm.由圖15可知，起始時(shí)刻光線處在偏離基準(zhǔn)位置的狀態(tài)，通過(guò)模糊控制器的閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)16 s左右，使光線調(diào)節(jié)到誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了光線自動(dòng)調(diào)節(jié).

6 結(jié) 論

1）對(duì)現(xiàn)有激光投線儀機(jī)芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使其裝配與調(diào)節(jié)更便捷，并適用于光線自動(dòng)化調(diào)節(jié).

2）在光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟硬件構(gòu)成方面深入研究的基礎(chǔ)上，搭建了一套適用于激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置和系統(tǒng).控制部分以工控機(jī)為上位機(jī)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)擰緊或擰松光線調(diào)節(jié)螺栓，可以方便快捷的調(diào)節(jié)光線的位置和水平度；檢測(cè)部分采用線陣CCD檢測(cè)光線，以串口通信方式把信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，實(shí)時(shí)顯示光線的位置和水平度，形成閉環(huán)控制回路.此系統(tǒng)的控制和檢測(cè)方法彌補(bǔ)了人工調(diào)節(jié)的不足，快速準(zhǔn)確的完成光線的調(diào)節(jié)工作，操作簡(jiǎn)單，在激光投線儀生產(chǎn)企業(yè)具有工業(yè)推廣價(jià)值.

3）對(duì)光線調(diào)節(jié)的核心算法進(jìn)行了研究，分別提出了PID控制算法和模糊控制算法，并用Matlab/ Simulink進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明∶PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間較短，但存在比較大的超調(diào)，且對(duì)控制對(duì)象模型參數(shù)變化較敏感，魯棒性差；模糊控制能夠有效抑制超調(diào)，調(diào)節(jié)過(guò)程平緩但調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而模糊控制無(wú)需精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化不敏感，魯棒性好，比較適用于此光線調(diào)節(jié)系統(tǒng).試驗(yàn)結(jié)果也表明所設(shè)計(jì)的激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化調(diào)節(jié).

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（責(zé)任編輯 祝貞學(xué)）

EquiPment and algorithm of automatical light adjustment for laser demarcation device

Chen Hansong，Wu Tiancheng，Zhou Jianzhong，Sheng Jie，Xu Suqiang
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

∶As a Precision measuring instrument widely used in several workPlaces to calibrate reference lines，the light calibration of current laser demarcation device is time-consuming with Poor Precision.In order to calibrate the lightquickly and meet the accuracy requirements，the structure of laser demarcation device was imProved to design an automatical light adjusting system with industrial comPuter as control core according to the lucubrating numerous light calibrating theories，methods and system.The linear CCD was used to realize raPid detection of lights，and several servomotorswere used to screw adjusting screws in and out to calibrate the laser lights quickly and Precisely.PID algorithm and fuzzy control algorithm combined with Matlab simulation software were used to conduct simulation comParison of light calibration.The simulation results show that the design of PID control is simPle with short setting time，while it is more sensitive to Parameters change of object with over shooting and bad robustness.The adjusting Process of fuzzy control is smooth with small overshooting，and it is not sensitive to Parameters change of objectwith good robustness.Fuzzy control algorithm is suitable to light calibration.

∶laser demarcation device；light adjustment；linear CCD；PID control；fuzzy control

TH164

A

1671-7775（2015）06-0666-07

陳寒松，吳天成，周建忠，等.激光投線儀光線自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備與算法［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2015，36（6）∶666-672.

2015-01-21

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013097）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目

陳寒松（197S—），男，廣西桂林人，博士研究生（chenhs0701@sina.com），主要從事激光制造技術(shù)及其應(yīng)用的研究.

周建忠（1964—），男，江蘇無(wú)錫人，教授，博士生導(dǎo)師（通信作者，zhoujz@ujs.edu.cn），主要從事先進(jìn)制造技術(shù)的研究.