袁 勃， 張桂香， 陳根余， 周 聰， 鄧 將

(湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引 言

激光修整砂輪是利用激光的熱去除作用對砂輪進行整形和修銳，使砂輪獲得良好的幾何形狀精度和地形地貌，從而改善其磨削加工性能[1]。激光整形砂輪時，為使砂輪獲得良好的輪廓形狀，需要根據(jù)砂輪的實際輪廓信息對其表面的高點進行選擇性地激光去除或損傷。砂輪輪廓的精確測量是實現(xiàn)激光整形砂輪的關(guān)鍵。砂輪輪廓的測量方法有接觸式和非接觸式兩大類[2]。由于接觸式測量方法測量時存在機械作用力，因此,其主要適用于靜態(tài)或低速轉(zhuǎn)動的情況下測量砂輪輪廓。非接觸式砂輪輪廓測量方法不存在測量工具與砂輪的直接接觸，更適合于動態(tài)測量砂輪輪廓。

激光三角法結(jié)構(gòu)簡單、測量實時性好，在工業(yè)中的長度、距離和三維形貌等檢測中應(yīng)用廣泛[3]。本文在分析了激光三角法測量原理的基礎(chǔ)上，采用基于三角法的CCD激光位移傳感器、精密電控移動平臺和DSP等搭建砂輪輪廓測量系統(tǒng)。利用DSP芯片設(shè)計傳感器控制和數(shù)據(jù)處理電路，以使砂輪輪廓測量系統(tǒng)能滿足激光修整砂輪過程中的輪廓測量要求。通過傳感器測量精度驗證實驗和電鍍金剛石砂輪激光修整實驗，分別驗證傳感器的測量精度和砂輪輪廓測量系統(tǒng)在激光修整砂輪中的實用性。

1 激光三角法測量原理分析

激光三角法的基本測量原理如下：由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體表面上，通過反射最后在檢測器上成像。當物體表面的位置發(fā)生改變時，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過像移和實際位移之間的關(guān)系式，真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到[4]。

典型的激光三角法測量系統(tǒng)采用的光路設(shè)計如圖1所示。其中,O點為測量激光光軸與成像物鏡光軸的交點，該點常被作為測量參考點;D為激光出光平面至被測表面參考點的距離;α為測量激光光軸與成像物鏡光軸的夾角；β為檢測器激光接收表面與成像物鏡光軸的夾角;s和s′分別是物距和像距；δ為目標物的實際位移;d為檢測器上成像點的位移即像移。

圖1 三角法測量系統(tǒng)典型光路圖

根據(jù)Scheimpflug條件[5]：當目標物偏離參考點時，檢測器上仍能清晰成像，則系統(tǒng)的光路設(shè)計必須滿足激光光軸、檢測器接收面、成像物鏡的中心面三者交于一點(或者三者互相平行)，如圖1中的交點X。目標物的實際位移δ與相移d的關(guān)系表達式的推導(dǎo)如下：

由圖1中△P′NA∽△PMA，可得

(1)

根據(jù)幾何關(guān)系，將各參數(shù)代入得

(2)

化簡后,δ與d的關(guān)系式為

(3)

由上式可見δ與d間的關(guān)系是非線性的。當實際位移δ?s′時，相應(yīng)的像移d也變小，上式可近似寫成

(4)

式(4)表明，當測量范圍較小時，像移與目標物的實際位移間的關(guān)系可近似為線性關(guān)系。綜上所述，采用三角法測量位移時，總是存在非線性誤差；但當被測位移很小時，該非線性誤差可以忽略。砂輪輪廓的變化常在微米級，因而采用激光三角法測量可以實現(xiàn)砂輪輪廓的高精度測量。

2 砂輪輪廓測量系統(tǒng)設(shè)計

基于激光三角法測量原理，本文搭建的砂輪輪廓測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要由基于三角法的激光位移傳感器、精密電控移動平臺以及基于DSP的傳感器控制和數(shù)據(jù)處理模塊等構(gòu)成。

激光位移傳感器選用基恩士公司LK—G系列的一維高速、高精度CCD激光位移傳感器(型號為LK—G80)。該傳感器由控制器和感測頭組成，如圖2所示。感測頭內(nèi)采用的是一個三角測量系統(tǒng)，由點光源半導(dǎo)體激光器、高精度物鏡單元和直線型CCD等元件構(gòu)成?？刂破髦饕獙Ω袦y頭的輸出信號進行快速、高精度的放大、濾波和存儲等處理。傳感器的測量分辨率可達0.2 μm，測量精度為±0.05 %F.S.(F.S.=±15 mm)，且測量精度不受被測物體表面顏色和材質(zhì)等的影響，測量速度最快可達50 kHz。精密電控移動平臺為XY雙軸運動平臺，其分辨率為1.25 μm，運動直線度為5 μm。傳感器的控制和數(shù)據(jù)處理模塊選用TI公司高性能DSP芯片TMS320F28335作為主控制器。F28335的CPU內(nèi)核為32位，支持浮點數(shù)運算，外設(shè)功能豐富，專用于進行數(shù)據(jù)處理和實時控制。傳感器的測量操作由DSP控制模塊控制。

為減小砂輪轉(zhuǎn)動時的垂直振動對測量精度的影響，傳感器應(yīng)水平安裝，如圖2所示。同時需保證傳感器的測量光線沿砂輪徑向入射，以減小傳感器安裝不當引入的測量誤差。砂輪輪廓測量系統(tǒng)的工作原理如下：如圖2所示，砂輪以一定的線速度轉(zhuǎn)動，傳感器則快速采樣測量砂輪一周的輪廓；完成一圈的測量后，精密電控移動平臺帶動感測頭沿砂輪軸向進給一個步長，感測頭繼續(xù)對進給后砂輪一周的輪廓進行快速的采樣測量。如此逐漸完成對砂輪整個表面輪廓的測量。測量過程中需綜合考慮傳感器的測量采樣率、砂輪的線速度和電控運動平臺的進給步長等，以實現(xiàn)高精度地測量砂輪輪廓。

圖2 砂輪輪廓測量系統(tǒng)原理方框圖

激光修整砂輪時，一方面需根據(jù)砂輪整個表面輪廓的信息，分析得出理想的輪廓參數(shù)；另一方面，又要求能快速測量出砂輪表面顆粒的高度值[6]?；贒SP的傳感器控制和數(shù)據(jù)處理模塊即是為了砂輪輪廓測量系統(tǒng)能滿足上述需求而設(shè)計的應(yīng)用電路。其原理方框圖如圖3所示，上方為串行通信通道，用于在測量砂輪整個表面輪廓的過程中傳送DSP的控制命令和傳感器存儲的測量結(jié)果數(shù)據(jù)。下方為單向模擬通道，可實現(xiàn)傳感器測量結(jié)果的快速輸出。

具體的電路設(shè)計如下：串口通信的電平轉(zhuǎn)換電路由Maxim 3232芯片等組成，實現(xiàn)DSP與傳感器的數(shù)字輸出接口間的電平轉(zhuǎn)換。傳感器輸出接口電路主要包含兩部分，如圖4所示，肖特基二極管1N5819和REF3025組成的電壓鉗位電路，運放芯片AD8021搭建電壓跟隨電路。由于傳感器的模擬輸出有可能超出DSP引腳允許的0～3 V的輸入電壓范圍，因此，通過鉗位電路對DSP芯片進行保護。電壓跟隨電路用于提高傳感器輸出信號的驅(qū)動能力。

圖3 激光修整砂輪系統(tǒng)原理框圖

圖4 傳感器輸出接口電路

3 實驗與結(jié)果

3.1 傳感器精度驗證與砂輪修整實驗平臺

在搭建砂輪輪廓測量系統(tǒng)時，本文采用進給精度為1.25 μm的精密運動平臺對CCD位移傳感器的測量精度進行了驗證。驗證實驗的方案如下：精密運動平臺以2.5 μm的步長做單步進給運動，然后采用傳感器測量精密運動平臺的位移，并將傳感器的測量結(jié)果與理論計算位移值進行比較。實驗結(jié)果如圖5所示，圖中曲線由50組采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成，可見傳感器的測量結(jié)果與理論計算值的線性吻合度較高。通過與理論計算直線比較，可得傳感器的測量誤差在7 μm以內(nèi)。砂輪輪廓測量系統(tǒng)主要利用CCD傳感器的測量功能實現(xiàn)輪廓測量，其結(jié)構(gòu)簡單，且無其他測量裝置，如圖2所示。因此，可近似認為傳感器的測量精度即為砂輪輪廓測量系統(tǒng)的測量精度。砂輪輪廓的測量精度則與傳感器的安裝精度、砂輪的回轉(zhuǎn)精度等因素有關(guān)。

圖5 傳感器測量精度標定曲線

基于本文的砂輪輪廓測量系統(tǒng)，開展了電鍍金剛石砂輪激光修整實驗。實驗平臺實物圖如圖6所示，主要包含砂輪輪廓測量系統(tǒng)、精密平面磨床、光纖激光器、電鍍金剛石砂輪和PC機等裝置。圖6中激光燒蝕頭引導(dǎo)加工激光的方向,精密手動微調(diào)平臺實現(xiàn)感測頭的微動調(diào)節(jié),磨床為砂輪提供合適的轉(zhuǎn)速。砂輪圓周方向整圈的修整過程如下：傳感器先測量砂輪整個圓周方向上的輪廓，輪廓測量結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)圖3中的串口通信通道傳送給DSP;然后，通過DSP軟件分析砂輪輪廓的分布情況，確定激光修整砂輪的高度閾值。對于砂輪輪廓上測量值大于高度閾值的顆粒，進行激光去除；反之，輪廓上測量值小于高度閾值的顆粒，則不予修整。

圖6 實驗平臺實物圖

3.2 實驗分析

實驗結(jié)果表明:采用本文設(shè)計的砂輪輪廓測量系統(tǒng)可以準確地測量出激光修整前后砂輪輪廓的變化。如圖7和圖8分別為砂輪輪廓測量系統(tǒng)測得激光修整前后電鍍金剛石砂輪的輪廓，橫坐標共2萬個采樣點，是傳感器采樣砂輪輪廓兩圈的結(jié)果；縱坐標為采樣點的高度值，即砂輪輪廓的分布情況。實驗中激光修整砂輪的高度閾值為0.175 mm。對圖7和圖8可以看出:系統(tǒng)測得砂輪表面高于0.175 mm的顆粒經(jīng)激光修整后，其高度都被降低至0.175 mm附近。部分顆粒由于激光修整系統(tǒng)的整體誤差，其修整后的高度值仍高出修整閾值約20 μm。

圖7 激光修整前砂輪輪廓

圖8 激光修整后砂輪輪廓

為驗證輪廓測量系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性，本文采用超景深三維顯微鏡對圖8中高度值發(fā)生了變化的砂輪顆粒進行觀測。如圖9所示，砂輪表面的高點經(jīng)激光修整后，表面有燒蝕痕跡，其高度值由于部分材料被去除而降低。經(jīng)顯微鏡的軟件測量分析，其高度值減小量為20～150 μm。選擇多個不同的高點，其觀測結(jié)果都有類似的規(guī)律，與輪廓測量系統(tǒng)的測量結(jié)果相匹配。但輪廓測量系統(tǒng)測量砂輪輪廓時的具體精度，則需通過進一步的實驗對比驗證。

4 結(jié) 論

1)基于激光三角法測量原理，采用CCD激光位移傳感器、精密電控移動平臺和DSP等搭建的砂輪輪廓測量系統(tǒng)能實現(xiàn)砂輪輪廓的準確測量。砂輪輪廓測量系統(tǒng)的測量精度可達7 μm。

2)實驗證明：所搭建的砂輪輪廓測量系統(tǒng)可應(yīng)用于激光修整砂輪系統(tǒng)，輔助實現(xiàn)砂輪的激光修整；具有良好的實用價值和應(yīng)用前景。

參考文獻:

[1]陳根余,謝小柱,李力鈞,等.超硬磨料砂輪修整與激光修整新進展[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(128):8-12.

[2]李伯民,趙 波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:124-125.

[3]范志剛,左保軍,張愛紅.光電測試技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:3-11.

[4]王曉嘉,王 雋,王 磊.激光三角法綜述[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(4):601-608.

[5]陽道善,陳吉紅,周會成.線結(jié)構(gòu)激光-機器視覺三角測量系統(tǒng)光路設(shè)計[J].光學(xué)技術(shù),2001,27(2):120-122.

[6]陳根余,馬宏路,李力鈞,等.聲光調(diào)Q Nd: YAG脈沖激光修銳和整形超硬磨料砂輪[J].湖南大學(xué)學(xué)報,2004,31(2):56-59.