李書元，江衛(wèi)華，劉 杰

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073）

工件外形尺寸測量的準(zhǔn)確性和快速性直接影響其質(zhì)量和效率。而傳統(tǒng)的人工測量手段往往需要輔助測量，效率低且不能滿足工件尺寸測量高精度、高速度的要求[1-5]。

我國第三方檢測行業(yè)市場規(guī)模從2009年到2016年以來均保持8%以上的增長速度。由此可見，檢測行業(yè)的市場正在逐步打開，但同時對檢測技術(shù)的要求也越來越高，測量開始朝著高效、準(zhǔn)確和無損傷的方向發(fā)展。

20世紀(jì)60年代以來，激光檢測技術(shù)應(yīng)用尤為廣泛，主要用于三維型面的精密測量、各種形位誤差、尺寸要素的測量等，利用光的干涉、衍射和散射進(jìn)行檢測已經(jīng)有很長的歷史，衍生出很多產(chǎn)品。日本Keyence公司生產(chǎn)的LD系列和德國MEL公司生產(chǎn)的M7系列，都是將激光運用于尺寸參數(shù)測量的[6-7]。

雖然我國在高精度、自動化方面取得的成果與國外有一定差距，但隨著激光非接觸檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不少學(xué)者論文的發(fā)表，國內(nèi)對激光測量領(lǐng)域的研究越來越活躍，工件外形尺寸的點激光測量系統(tǒng)的研究越來越引起廣泛的關(guān)注，它解放了勞動力，提高了工作效率和準(zhǔn)確度，可保證無磨損、抗干擾的測量，對提高生產(chǎn)力和自動化程度具有重要的意義[8-10]。

本文采用點激光完成了對工件外形尺寸的自動化測量，系統(tǒng)已經(jīng)投入到對電流型互感器的檢測中。

1 測量原理

系統(tǒng)采用基于平面三角幾何的激光三角反射式測量法進(jìn)行小型工件的非接觸測量，以工件的底部為安裝部位，工件通過夾具固定在R軸旋轉(zhuǎn)臺上，激光傳感器通過自身的小孔安裝在測量設(shè)備的Z軸上，其他幾個軸在微控步進(jìn)電機的帶動下掃描工件表面。

如圖1所示，激光二極管投射一個可見光斑到被測物體表面上，反射光由光鏡組接收后反射在數(shù)字感光片上成像，產(chǎn)生的電信號被轉(zhuǎn)換成被測物的位移信號。傳感器與被測物體表面之間的距離決定光斑的中心位置，當(dāng)兩者距離發(fā)生變化時，激光反射角度相應(yīng)變化，成像位置也相應(yīng)變化。根據(jù)物點的距離，從而實現(xiàn)內(nèi)部尺寸的測量。

圖1 測量原理圖Fig.1 Measurement schematic

2 系統(tǒng)組成與方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由五維運動平臺、控制系統(tǒng)、點激光傳感器、人機交互界面和主控計算機組成。其中，五維運動平臺主要包括X、Y、Z3個滑軌以及R、P2個旋轉(zhuǎn)軸。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成圖Fig.2 System composition diagram

人機交互盒與控制箱通過串口雙向通訊；激光與控制箱基于串口通訊的RS422總線連接；PC與控制箱通過TTL通訊接口連接，PC將步序列通過TTL接口傳送給控制箱；控制箱將步序列指令轉(zhuǎn)換為脈沖信號發(fā)送給電機控制器，控制五維運動平臺電機的運動，而五維運動平臺也將信息反饋給電控箱，五維運動平臺與控制箱通過脈沖雙向傳遞數(shù)據(jù)。

2.2 方案設(shè)計

系統(tǒng)采用點激光傳感器配合以步進(jìn)電機對整個工件進(jìn)行三維采樣，系統(tǒng)的5個軸分別由5個步進(jìn)電機控制，其中，X、Y、Z軸作三維平移運動，R、P軸作二維回轉(zhuǎn)運動，通過組合上述運動，自動實現(xiàn)對工件6個面中的5個面進(jìn)行點掃描，對獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到物體的三維模型，從而獲得各個尺寸信息。

測量臺的運動控制模式可通過人機交互界面的按鈕選擇，通過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機使測量臺運動，編碼器的信息實時反饋給PC，激光采集的數(shù)據(jù)傳送給下位機控制器，下位機控制器將電機的運行狀態(tài)以及激光的數(shù)據(jù)進(jìn)行初處理返回給PC，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Overall system block diagram

通過上位機發(fā)送步序列給下位機，下位機按照相應(yīng)指令進(jìn)行運動，再將數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機，上位機主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析以及報表輸出，下位機主要控制傳感器的測量和控制5個軸的移動，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程Fig.4 System flow chart

3 數(shù)據(jù)采集

對于本測量系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采集尤為重要，它包括光柵尺、編碼器和激光數(shù)據(jù)的實時采集，光柵尺和編碼器是通過嵌入式內(nèi)部定時器外設(shè)的編碼器功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集，采集頻率高、可靠性高。激光數(shù)據(jù)是通過嵌入式串口的DMA功能進(jìn)行實時采集，可有效釋放MCU的資源。

本方案的數(shù)據(jù)采集是通過MCU、PC以及控制箱實現(xiàn)的。采用多個傳感器，控制箱需對這些傳感器的采樣和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行合理的分配。

MCU發(fā)送準(zhǔn)備采樣的信號給PC，PC采用軟件輪詢的方式接受信號，一旦收到MCU的采樣信號就返回應(yīng)答信號給它，緊接著MCU采集光柵值并復(fù)位初始電平信號，等待PC采樣信號；同時，PC采集傳感器數(shù)據(jù)，激光數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制箱，而光柵傳感器的數(shù)據(jù)通過串口和USB傳輸給控制箱，控制箱將接收的數(shù)據(jù)送給PC，采集完畢后復(fù)位初始信號且開始輪詢MCU采樣信號，避免由于采樣時刻不一致造成的系統(tǒng)誤差。數(shù)據(jù)采集如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集Fig.5 Data acquisition graph

4 點激光標(biāo)定

為了保證系統(tǒng)后續(xù)的測量精度要對激光光束進(jìn)行標(biāo)定，激光安裝在測量臺的Z軸上，利用至少2個標(biāo)靶面標(biāo)定點激光的方向向量，標(biāo)定完成后對被測平面點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，計算平面間距，從而獲得工件外形尺寸。

4.1 坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換

理想狀態(tài)下坐標(biāo)系之間可通過旋轉(zhuǎn)和平移后重合（此重合與實際坐標(biāo)系三軸間夾角沒有關(guān)系）。設(shè)定平臺坐標(biāo)系o-xyz原點為各光柵尺零位，自行建立測量坐標(biāo)系o1x1y1z1和激光坐標(biāo)系o2x2y2z2，3個坐標(biāo)系都與3個導(dǎo)軌平行，其中激光的方向與x軸導(dǎo)軌方向相反。平面方程表示為

將激光值轉(zhuǎn)換測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為

本文中，為便于分析，以一個標(biāo)靶平面Σ初始位置與激光束L的交點P為原點，故在o1x1y1z1下激光值表示為（ld，md，nd）。

4.2 光束標(biāo)定原理

激光光束的標(biāo)定至少需要2個標(biāo)靶面，若打第一個標(biāo)定平面上的第一點為（x1，y1，z1），激光的數(shù)據(jù)為L1，打第二個點得出激光的數(shù)據(jù)L2，則ΔL=L2-L1。標(biāo)定原理如圖6。

圖6中，光束L所在直線在坐標(biāo)系o1x1y1z1內(nèi)的方程可表達(dá)為

圖6 標(biāo)定原理Fig.6 Calibration principle

Σ平面方程表達(dá)式：

式中：光束方向向量為（l，m，n）；平面 Σ 法向向量為（A，B，C）；k為參數(shù)。

將Σ平面沿X1軸移動Δdx（X1軸光柵尺讀數(shù)的增量），此時，光束變?yōu)長1，L1與Σ平面的交點為P1，P1坐標(biāo)為（xp，yp，zp），可表示為（lΔL1，mΔL1，nΔL1）

激光束長度的變化量為ΔL1=L1-L，此時Σ的平面方程變?yōu)?/p>

將P1帶入式（1），可得：

同理，將Σ平面沿y1和z1軸分別移動Δdy和Δdz（y1和z1軸光柵尺讀數(shù)的增量），平面在L上的截距為 ΔL2=L2-L，ΔL3=L3-L，可得：

其中，（lA+mB+nC）為常數(shù)，則平面向量（A，B，C）表示為（ΔL1/Δdx，ΔL1/Δdy，ΔL1/Δdz），記為（t11，t12，t13），帶入式（1）變換后，則有：

改變Σ平面的方位，經(jīng)過同樣的過程，可以得到另一個方程

其中，（t21，t22，t23）由（ΔL2/Δdx2，ΔL2/Δdy2，ΔL2/Δdz2）表示。

已知，

聯(lián)立式（10）、（11）、（12），即得到（l，m，n）。

5 實驗結(jié)果與分析

按上述標(biāo)定獲得（l、m、n），就可以獲得被測面上測量點在o1x1y1z1的坐標(biāo)，從而將激光的一維長度值轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)值，繼而獲得被測表面的點云數(shù)據(jù)。通過旋轉(zhuǎn)R和P軸，可得到另一個測面的信息，用最小二乘法對被測平面點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，計算平面間距，從而獲得工件外輪廓長、寬、高等尺寸信息。

將實驗得到的量塊2個平面的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行擬合，可得到2個平面的方程系數(shù)和夾角，根據(jù)已經(jīng)得到的R軸旋轉(zhuǎn)中心點的坐標(biāo)，計算點到2個平面的距離絕對值之差得到平面間距，與量塊厚度進(jìn)行對比，計算出平面擬合誤差。

如圖7為等間距激光打點測量所得到的量塊2個平面的數(shù)據(jù)在Matlab中擬合的結(jié)果。擬合計算的誤差在0.02 mm以內(nèi)，又考慮到激光的測量誤差為0.02 mm，運動平臺機械誤差為0.09 mm，可得到系統(tǒng)的均方根誤差為0.058 mm，滿足要求。

圖7 平面擬合Fig.7 Plane fitting

6 結(jié)語

系統(tǒng)以LMZ3D型電流互感器為檢測對象，旨在提供一種工件外形尺寸點激光自動化測量方法，測量精度高，節(jié)約勞動成本；提供可視化觸摸屏操作，界面友好；自動化測量，簡單方便；檢測過程三維可視，數(shù)據(jù)結(jié)果易于追溯；檢測結(jié)果采用表格直觀顯示，反饋給用戶，并有打印輸出功能。