鄒 杰，徐 攀，胥 軍，張家偉，李剛炎

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070;2.湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 孝感 432003)

0 引言

光學(xué)透鏡是光學(xué)系統(tǒng)中的核心部件。隨著科技的發(fā)展，光學(xué)透鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、工業(yè)、交通、教育、安防等諸多領(lǐng)域，人們對(duì)光學(xué)透鏡的需求也隨之劇增。光學(xué)透鏡的生產(chǎn)需要經(jīng)過制造和質(zhì)檢兩個(gè)環(huán)節(jié)，質(zhì)檢是對(duì)光學(xué)透鏡多項(xiàng)光學(xué)參數(shù)和尺寸參數(shù)的測(cè)量以及對(duì)不同質(zhì)量等級(jí)產(chǎn)品的分選。面對(duì)多品種大批量的生產(chǎn)現(xiàn)狀，光學(xué)透鏡的質(zhì)檢效率和精度面臨巨大挑戰(zhàn)，質(zhì)檢手段由傳統(tǒng)簡(jiǎn)單儀器手動(dòng)測(cè)量向多功能儀器自動(dòng)測(cè)量轉(zhuǎn)變已成發(fā)展趨勢(shì)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研究并建立了多參數(shù)光學(xué)透鏡檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有效焦距、后焦距、曲率半徑及中心厚度的精確測(cè)量。德國TRIOPTICS公司研制出了OptiSpheric 透鏡和光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)通用測(cè)量系統(tǒng)。使用PC作為測(cè)控終端，能自動(dòng)測(cè)量焦距、調(diào)制傳遞函數(shù)、截距、曲率半徑、法蘭焦距。德國OEG GMBH研制的OTS-500光學(xué)測(cè)試工作站可以在透鏡生產(chǎn)過程中對(duì)光學(xué)透鏡的傳遞函數(shù)、焦距、截距、曲率半徑參數(shù)進(jìn)行快速、可記錄的測(cè)量。上述研究雖然有各自的優(yōu)勢(shì)，但都未涉及透鏡外圓外徑檢測(cè)，且檢測(cè)過程中需要手動(dòng)對(duì)透鏡進(jìn)行搬運(yùn)和分選，搬運(yùn)過程中容易造成透鏡表面污染和損傷。為解決上述問題，基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)一套透鏡多參數(shù)全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)硬件系統(tǒng)的執(zhí)行元件和測(cè)量設(shè)備完成圓形透鏡搬運(yùn)、分選以及對(duì)外徑、橢圓度、中心厚度的自動(dòng)測(cè)量、記錄和報(bào)表輸出任務(wù)。并通過實(shí)測(cè)證明檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高，操作界面便捷，數(shù)據(jù)顯示直觀。

1 透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)二元圖如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括測(cè)量設(shè)備：氣動(dòng)位移傳感器、厚度檢測(cè)儀和動(dòng)作控制器件：PLC、電缸控制器、電磁閥、磁性開關(guān)、按鈕盒。軟件系統(tǒng)包括檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件及其運(yùn)行環(huán)境支持軟件：中心厚度檢測(cè)儀軟件、NI OPC Severs、Excel、Access數(shù)據(jù)庫。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)二元圖

1.1 透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件的功能

氣動(dòng)位移傳感器用于測(cè)量透鏡徑向尺寸變化量。傳感器包括4個(gè)氣動(dòng)感觸頭、4個(gè)信號(hào)放大模塊和1個(gè)通信模塊。當(dāng)氣動(dòng)感觸頭內(nèi)的單作用氣缸推桿動(dòng)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的電壓變化。與感觸頭相連的信號(hào)放大模塊捕捉到變化的微小電壓信號(hào)后將其線性放大并轉(zhuǎn)化成位移數(shù)字量。PC上位機(jī)通過RS232通信協(xié)議向通信模塊發(fā)送訪問指令并接收返回的位移數(shù)字量。

中心厚度檢測(cè)儀用于測(cè)量透鏡上下表面反射光的波長(zhǎng)，當(dāng)光源的光線通過中心厚度檢測(cè)儀的光學(xué)系統(tǒng)照射到透鏡上時(shí)，透鏡的上下兩表面會(huì)反射兩束波長(zhǎng)不同的光線，厚度檢測(cè)儀中的光譜儀檢測(cè)到反射光之后將其轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的電信號(hào)，通過USB數(shù)據(jù)線傳遞到PC機(jī)。

PLC包括主站和從站，用于動(dòng)作控制和狀態(tài)反饋。主站PLC負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手各電磁閥的動(dòng)作以及檢測(cè)各氣缸上磁性開關(guān)和控制盒按鈕的狀態(tài)信號(hào)。從站PLC除了負(fù)責(zé)控制上下料機(jī)械手各電磁閥的動(dòng)作以及檢測(cè)磁性開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)外，還通過I/O信號(hào)線纜給電缸控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令和檢測(cè)電缸當(dāng)前位置。

電缸控制器負(fù)責(zé)電缸運(yùn)動(dòng)控制和電缸位置反饋。電磁閥用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行器件(氣缸)的運(yùn)動(dòng)。磁性開關(guān)用于檢測(cè)氣缸推桿所處的位置，反饋運(yùn)動(dòng)是否執(zhí)行到位。按鈕盒包括按鈕和指示燈，按鈕用于控制檢測(cè)系統(tǒng)的啟停。指示燈用于指示檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行和復(fù)位狀態(tài)。

1.2 透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件功能

厚度檢測(cè)儀軟件用于計(jì)算透鏡的中心厚度。首先在軟件中選擇合適的參數(shù)，當(dāng)其接收到由光譜儀的實(shí)時(shí)光譜數(shù)據(jù)后，就能自動(dòng)計(jì)算出透鏡的中心厚度。

NI OPC Severs用于實(shí)現(xiàn)PLC與檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件之間的通信[1]。Excel用于檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的報(bào)表輸出。Access數(shù)據(jù)庫用于存放緩存數(shù)據(jù)、用戶信息、檢測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)[8]。

檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量判斷、透鏡分選決策、檢測(cè)結(jié)果顯示、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表輸出等任務(wù)。按照上位機(jī)軟件的任務(wù)設(shè)定，將其大致劃分成9個(gè)功能模塊。分別是初始化模塊：完成軟件運(yùn)行前的初始化，將通信端口、待檢透鏡品名、對(duì)版透鏡外徑值等映射到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；登錄模塊：實(shí)現(xiàn)管理員和普通用戶的登錄功能，管理員登錄后可對(duì)用戶賬號(hào)進(jìn)行增、刪、改、查操作；通信設(shè)置模塊：設(shè)置上位機(jī)軟件與厚度檢測(cè)儀軟件、位移傳感器之間的串行通信端口。參數(shù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)透鏡標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)在Access數(shù)據(jù)庫中的增、刪、改、查操作；校正模塊：完成傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定和厚度檢測(cè)儀校正；檢測(cè)模塊：實(shí)現(xiàn)透鏡檢測(cè)、質(zhì)量分選、結(jié)果保存等功能；報(bào)表輸出功能：用于檢測(cè)報(bào)表生成；自定義啟動(dòng)模塊：用于設(shè)備復(fù)位后重新設(shè)置吸取透鏡的起始位置，跳過默認(rèn)起始位置；顯示模塊：用于檢測(cè)完成后對(duì)檢測(cè)結(jié)果和歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示。

2 透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量方法

2.1 透鏡中心厚度的測(cè)量方法

光學(xué)透鏡中心厚度的測(cè)量方法有兩大類[6]，分別是接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法，接觸測(cè)量法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是容易損害透鏡表面，且測(cè)量探頭來回移動(dòng)易造成磨損，導(dǎo)致測(cè)量精度下降。所以本試驗(yàn)臺(tái)對(duì)中心厚度的檢測(cè)采用非接觸測(cè)量法，其測(cè)量原理是色差共焦原理[3]。中心厚檢測(cè)裝置的檢測(cè)原理如圖2所示，光源及相關(guān)檢測(cè)接收裝置位于透鏡上方。

圖2 非接觸式測(cè)厚裝置工作原理

2.2 透鏡外徑與橢圓度的測(cè)量方法

透鏡外圓外徑的測(cè)量可以參考其他圓形工件的測(cè)量方法。圓形件外圓外徑的測(cè)量方法也分為接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法兩大類[7]。由于非接觸式測(cè)量法相比于接觸式測(cè)量法需要更大的安裝空間且成本更高，故本檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)先采用緊湊且廉價(jià)的接觸式測(cè)量法，并將4個(gè)位移傳感器按照如圖3所示布置。

圖3 傳感器布置示意圖

首先將檢測(cè)工位的透鏡擺放平臺(tái)面假想成理想平面，并在此平面上建立一個(gè)直角坐標(biāo)系。檢測(cè)前，使用外徑值已知的模板透鏡對(duì)4個(gè)位移傳感器的感測(cè)頭頂點(diǎn)位置進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。檢測(cè)過程中，根據(jù)位移傳感器在徑向上的微小變動(dòng)量可算出4個(gè)感測(cè)頭頂點(diǎn)的新坐標(biāo)，再將其中的3個(gè)坐標(biāo)代入方程：

(x1-x0)2+(y1-y0)2=R2

(1)

(x2-x0)2+(y2-y0)2=R2

(2)

(x3-x0)2+(y3-y0)2=R2

(3)

則可計(jì)算這3個(gè)坐標(biāo)所在圓的圓心坐標(biāo)(x0,y0)，進(jìn)而得出這個(gè)圓的直徑。將4個(gè)坐標(biāo)按照3個(gè)一組排列組合后可算出4個(gè)不同的外徑值，將4個(gè)外徑值的最大值減去最小值就可得到透鏡的橢圓度。

3 透鏡多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)傳遞模型設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的一種圖形化編程語言(G語言)，其數(shù)據(jù)傳遞常規(guī)載體是數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)通過相互連接的節(jié)點(diǎn)按先后順序在SubVI中傳遞，單一的使用這種數(shù)據(jù)傳遞方式會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靈活性和VI的可重用性。為彌補(bǔ)數(shù)據(jù)流的上述問題，更好地協(xié)調(diào)較復(fù)雜系統(tǒng)中相互并行的SubVI，LabVIEW又發(fā)展出了全局變量、局部變量以及同步控制技術(shù)。作為并行任務(wù)間協(xié)調(diào)和管理數(shù)據(jù)傳遞的手段，雖有助于用戶開發(fā)更加強(qiáng)大的系統(tǒng)，但是它們?cè)谝欢ǔ潭壬蠒?huì)降低程序的可讀性。因此LabVIEW平臺(tái)又提供了生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式[5]，它是一種比程序更高層的結(jié)構(gòu)框架，通過在VI內(nèi)部建立一條通信隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者線程到消費(fèi)者線程之間的數(shù)據(jù)傳遞，避免了并行線程之間不同步的制約，保證了線程之間各自的運(yùn)行不受干擾。但是在大型測(cè)控系統(tǒng)中，并行線程往往由多個(gè)VI聯(lián)合完成，每個(gè)線程可能需要同時(shí)具備收發(fā)數(shù)據(jù)的能力，各并行線程之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系也可能隨著內(nèi)部VI的執(zhí)行進(jìn)程而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，這種情況下生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式將難以勝任。

考慮到上位機(jī)軟件的功能復(fù)雜程度和模塊化設(shè)計(jì)思路，可能需要設(shè)置多個(gè)并行線程，且每個(gè)并行線程內(nèi)的功能模塊都要進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，上述的3種數(shù)據(jù)傳遞模式都不能達(dá)到理想效果。發(fā)布者/訂閱者通信模型是一種可在并行線程之間發(fā)布和訂閱信息的通信機(jī)制，在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的基礎(chǔ)上，發(fā)布者/訂閱者模型[2]提供了VIPC(VI Publication Channel)、VIPM(VI Publication Manager)等基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)，可使數(shù)據(jù)流不需要明確而固定的指向和依賴關(guān)系，為上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)流模型提供了參考思路。

上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)傳遞模型如圖5所示，模型左側(cè)的模塊為數(shù)據(jù)的發(fā)布者，右側(cè)為數(shù)據(jù)的訂閱者。VIPM是軟件中的特定邏輯和算法，VIPC則是數(shù)據(jù)庫、PLC共享變量、全局變量、Excel、測(cè)量數(shù)據(jù)接口等數(shù)據(jù)通道。發(fā)布者模塊向VIPC發(fā)布數(shù)據(jù)以及接收者模塊從VIPC獲取數(shù)據(jù)都需要滿足VIPM的注冊(cè)或訂閱條件。

圖4 數(shù)據(jù)傳遞模型

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)主程序框圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

為降低上位機(jī)軟件程序框圖在空間上的耦合性和維護(hù)難度，提高程序的靈活性和可擴(kuò)展能力[4]。檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用高度封裝的模塊化設(shè)計(jì)思路，結(jié)合發(fā)布者/訂閱者模型，在各功能模塊中完成既定任務(wù)和數(shù)據(jù)收發(fā)功能。各功能模塊設(shè)計(jì)完成且逐個(gè)調(diào)試通過后再進(jìn)人主程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

主程序采用5線程結(jié)構(gòu)，其程序框圖如圖6所示。初始化模塊置于所有線程之外，軟件啟動(dòng)時(shí)立即加載緩存數(shù)據(jù)到全局變量，并發(fā)送數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品參數(shù)表中的品名到前面板品名庫。第1個(gè)線程負(fù)責(zé)檢測(cè)狀態(tài)和暫停狀態(tài)之間的切換。在檢測(cè)狀態(tài)下，禁用部分功能按鈕，避免因誤操作而引起檢測(cè)出錯(cuò)。進(jìn)入暫停狀態(tài)后，啟用全部功能按鈕都，且啟動(dòng)按鈕抬起。第2個(gè)線程負(fù)責(zé)監(jiān)視檢測(cè)觸發(fā)條件。線程中的超時(shí)事件每隔50 ms刷新一次，當(dāng)開始按鈕按下且讀取數(shù)據(jù)標(biāo)志位共享變量處于置位狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)事件源的值改變一次。第3個(gè)線程負(fù)責(zé)產(chǎn)品參數(shù)選擇和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。品名列表雙擊事件中被雙擊選中的產(chǎn)品名稱會(huì)顯示在當(dāng)前品名顯示框，與此同時(shí)與該品名關(guān)聯(lián)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)也會(huì)傳遞到對(duì)應(yīng)的全局變量。檢測(cè)事件中的數(shù)據(jù)獲取子程序從各數(shù)據(jù)接口訪問測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)外徑計(jì)算子程序算出外徑值后通過質(zhì)量判斷子程序得出透鏡的質(zhì)檢結(jié)果。最后檢測(cè)數(shù)據(jù)通過測(cè)量結(jié)果保存子程序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，與此同時(shí)發(fā)送分選指令子程序根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果向下位機(jī)發(fā)送分選信號(hào)。第4個(gè)線程線程負(fù)責(zé)前面板的顯示，線程中的超時(shí)事件每隔200 ms刷新一次，每次刷新前面板的指示燈狀態(tài)和圖表內(nèi)容都會(huì)更新一次。第5個(gè)線程用于調(diào)用登錄、參數(shù)管理、通信設(shè)置、校正、自定義啟動(dòng)、報(bào)表生成等功能模塊，這些高度封裝的功能模塊分別放置在對(duì)應(yīng)的事件分支中，依靠發(fā)布者/訂閱者模型傳遞數(shù)據(jù)，相互之間沒有空間上的輸入輸出節(jié)點(diǎn)。

圖6 軟件界面

上位機(jī)軟件的主操作界面如圖7所示。主界面右側(cè)的3個(gè)XY Graph分別用于顯示透鏡的外圓外徑D、中心厚度H和橢圓度E。XY Graph中的橫向虛線是透鏡質(zhì)量等級(jí)劃分臨界值，縱向豎線的頂點(diǎn)值是各參數(shù)的測(cè)量值，豎線頂點(diǎn)與橫向虛線的位置關(guān)系可以直觀的反應(yīng)透鏡質(zhì)量等級(jí)。例如在外圓外徑圖表中，如果4個(gè)頂點(diǎn)都在兩橫線所夾區(qū)域內(nèi)則表示外圓外徑合格，如果至少有一條豎線的頂點(diǎn)在所夾區(qū)域之下則表示外圓外徑為廢品，如果至少有一條豎線的頂點(diǎn)在所夾區(qū)域之上且無豎線頂點(diǎn)在所夾區(qū)域之下則表示外圓外徑為次品。中心厚度圖表、橢圓度圖表與外圓外徑圖表類似。檢測(cè)數(shù)據(jù)表用于顯示檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)，便于操作者對(duì)不良品進(jìn)行及時(shí)處理。主界面左側(cè)的功能按鈕是功能模塊子界面調(diào)用菜單。

4 透鏡多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與驗(yàn)證

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，使用130枚型號(hào)為G-GB121A-A07的凸透鏡作為實(shí)驗(yàn)樣本，對(duì)透鏡檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。首先使用千分尺在樣本透鏡的外圓上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)得第每一枚樣本透鏡的外圓外徑最大值DSnu和最小值DSnd，作為外徑標(biāo)準(zhǔn)值。再使用千分表測(cè)量每一枚樣本透鏡的中心厚度HSn，作為中心厚度標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)值記錄完畢后，將樣本透鏡送到透鏡多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。檢測(cè)完畢后，從報(bào)表中抽取出外徑測(cè)量值和中心厚度測(cè)量值分別與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較分析，得出外徑測(cè)量偏差和厚度測(cè)量誤差。

在分析過程中，分離出每一枚樣本透鏡的系統(tǒng)實(shí)測(cè)外徑最大值DMnu和最小值DMnd。將系統(tǒng)實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值按照表1的規(guī)則進(jìn)行比較和計(jì)算，得出系統(tǒng)外徑測(cè)量的上偏差Dnu和下偏差Dnd。

表1 外徑測(cè)量偏差計(jì)算規(guī)則

圖7(a)是全部樣本透鏡外徑實(shí)測(cè)值Dnu與Dnd在坐標(biāo)系中的分布，使用如圖7(b)所示的柱狀圖對(duì)全部外徑偏差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明Dnu與Dnd集中分布于-1.17～1.61 μm之間，且在±3 μm內(nèi)且呈近似正態(tài)分布。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的樣本透鏡中心厚度檢測(cè)值Hmn與Hsn的差作為中心厚度測(cè)量誤差Hen，全部樣本透鏡的Hen在坐標(biāo)系中的分布如圖8(a)所示。Hen的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8(b)所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明中心厚度測(cè)量誤差的絕對(duì)值基本保持在3um以內(nèi)且成正態(tài)分布。

圖8 厚度測(cè)量誤差分析和厚度誤差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

通過對(duì)透鏡的外徑、中心厚度等參數(shù)的系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證表明，本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)的透鏡多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，上位機(jī)軟件界面操作便捷，數(shù)據(jù)顯示直觀。上位機(jī)軟件的程序在發(fā)布者/訂閱者數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高度模塊化設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，證明了透鏡多參數(shù)全自動(dòng)檢測(cè)的可行性，且為其他測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。