唐立軍 吳定祥34(.五凌電力有限公司近尾洲水電廠湖南 長沙 40004； 2.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院湖南 長沙 404； 3.長沙億旭機電科技有限公司湖南 長沙 40000； 4.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點實驗室

湖南 長沙 410114)

激光測徑系統(tǒng)是一種測量工件外徑的測量儀器，它具有速度快、精度高和非接觸性測量等特點，被廣泛用于各類線纜、棒材、光纖及漆包線等線材的外徑測量。根據(jù)光的路徑不同，將測徑系統(tǒng)分為單路測徑系統(tǒng)和雙路測徑系統(tǒng)。單路激光測徑系統(tǒng)采用一路光束掃描被測工件，應(yīng)用于圓形管材的直徑測量，因此檢測范圍存在很大限制；而雙路測徑系統(tǒng)在單路的基礎(chǔ)上增加一路光束,擴大了測量范圍，不僅滿足單路激光測徑系統(tǒng)的需求，也能測量方形、扁平形管材的尺寸數(shù)據(jù)。當(dāng)前國內(nèi)單路測徑技術(shù)比較成熟、光路結(jié)構(gòu)簡單，實際應(yīng)用較多，而雙路激光測徑系統(tǒng)因光路復(fù)雜，應(yīng)用難度大，相關(guān)研究較少報道。

本文根據(jù)生產(chǎn)實際需要，探索雙路激光測徑方法，設(shè)計穩(wěn)定的雙路激光測徑系統(tǒng)，實現(xiàn)對扁平形漆包線的測量。

1 雙路掃描式激光測徑原理

雙路掃描式激光測徑系統(tǒng)框圖如圖1所示，該測量系統(tǒng)包括光學(xué)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光學(xué)采集系統(tǒng)由激光發(fā)射管、直流電機、八棱鏡、光學(xué)分束鏡、聚光透鏡及光電傳感器等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由光電信號處理模塊、控制器CPU處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和測量顯示模塊組成[3]。由激光發(fā)射管射出的點光源通過光學(xué)分束鏡產(chǎn)生垂直和水平兩路光束，光束掃射到轉(zhuǎn)動的八棱鏡上將點光源轉(zhuǎn)換為掃描光束，然后通過透鏡形成平行光。被測工件放置在平行掃描區(qū)域內(nèi)，光束對其進行自上而下的掃描，最后形成的光信號聚焦到兩個光電傳感器中心接觸面[4]。光電信號處理模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行傳輸，控制器CPU對接收的電信號進行信號處理，計算得出工件兩個面的尺寸。

圖1 雙路掃描式激光測徑系統(tǒng)框圖

光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)光電傳感器的特性知光被工件遮擋部分輸出低電平信號，而未被遮擋部分輸出高電平信號。因此需要采集一個周期內(nèi)被擋工件低電平的時間，再由光束掃描速度即可得出其測量尺寸[4]。設(shè)激光束自上而下的掃描速度為U,被測工件的尺寸為L，一個周期內(nèi)低電平脈沖寬度為T,根據(jù)光的幾何原理知：

L=U×T

(1)

U=W×f=4πnf

(2)

式中,n為電機轉(zhuǎn)速;W為反射光束角速度;f為透鏡焦距。由式(1)、式(2)得被測工件尺寸

L=4πnf×T

(3)

由式(3),當(dāng)電機勻速轉(zhuǎn)動后，得到穩(wěn)定的平行光束掃描到待測工件表面，從而計算工件的尺寸[4]。電機轉(zhuǎn)速波動越大，則測量尺寸誤差越大，因此為了減少速度波動引起的測量誤差，本文測徑系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)棒法原理對采集數(shù)據(jù)進行處理，將被測工件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行對比計算，消除速度產(chǎn)生的誤差。如圖2所示：設(shè)電機掃描速度為U，掃描區(qū)域內(nèi)被測工件的尺寸為L1,標(biāo)準(zhǔn)棒的尺寸為L2，被測棒遮擋產(chǎn)生的低電平脈沖寬度為T1，標(biāo)準(zhǔn)棒產(chǎn)生的低電平脈沖寬度為T2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)棒法測徑原理

由測徑儀原理知

L1=U×T1

(4)

L2=U×T2

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)得被測工件尺寸

(6)

從式(6)得出，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)棒法測量工件尺寸能消除電機轉(zhuǎn)速造成的誤差；使用單一激光器結(jié)合分束鏡得到雙光束的方法，可大大提高工件測量精度和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文硬件設(shè)計由五大模塊構(gòu)成：雙路光學(xué)測量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源模塊及控制器CPU處理模塊，其中核心模塊為控制器CPU，采用ARM+FPGA架構(gòu)[4，7]。系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊示意圖

2.1 雙路光電信號處理模塊

雙路光電信號處理模塊由電流轉(zhuǎn)換電路、跟隨濾波電路和二值化電路等組成。由于光電傳感器采集的電流信號非常弱，因此必須對電信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于LF353的低成本、高速率，因此本文采用LF353運算放大器。除此以外，通過對電壓信號跟隨濾波可以進一步減少噪聲，提高了信噪比和抗干擾能力[4]。濾波后通過LM393比較器進行二值化比較處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，處理后的信號低電平嵌位到0 V，高電平嵌位到3.3 V，F(xiàn)PGA處理器對電平信號進行運算處理，其模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 雙路光電信號處理電路

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊電路采用ARM+FPGA的核心架構(gòu)，F(xiàn)PAG負責(zé)采集待測工件形成的低電平脈沖時間，并將其發(fā)送到ARM處理器中，通過ARM進一步完成數(shù)據(jù)運行，最后將數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議發(fā)送至上位機實時顯示[4，8]。本文采用的ARM芯片為STM32,它具有性能高、功耗小等特性，與FPGA通過SPI高速通信，兩者結(jié)合后大大增強了數(shù)據(jù)采集及運算能力[4]，遠遠超過了單個處理器的處理速度。這種方法特別適用于生產(chǎn)過程中動態(tài)線材的尺寸監(jiān)測。

2.3 電源模塊

由于系統(tǒng)電路處理模塊眾多，且各模塊的電源要求不同，因此需要單獨設(shè)計電源模塊。其中控制器ARM和FPGA需要3.3 V電壓，激光發(fā)射器電源為5 V，光電傳感器電源為-12 V，而電機需要電壓進行調(diào)速，因此采用3.3 V可調(diào)電壓[4]。LF353放大器需要雙電源供電，正電壓采用輸入供電電源，負電壓由L5973D芯片轉(zhuǎn)換后的-12 V。其中發(fā)射管電源采用SPX117將系統(tǒng)輸入電源轉(zhuǎn)化為5 V，其他電源都通過L5973D芯片轉(zhuǎn)換成電路所需電源。電源模塊電路圖如圖5所示。

2.4 通信顯示模塊

系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議，通過串口將工件尺寸發(fā)送到上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行實時顯示。除此之外，本機還具有數(shù)據(jù)校正功能，通過設(shè)置的校正系數(shù)得出精確穩(wěn)定的數(shù)值，且電機的轉(zhuǎn)速和各個鏡面的掃描數(shù)據(jù)也可以通過上位機讀取[4]。圖6為通信模塊電路圖，由RS232器件及其外部電路組成，它具有兩路通信接口:TX1和RX1與上位機通信，TX2和RX2與外部設(shè)備通信。

圖5 電源管理模塊電路

圖6 RS232通信模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由FPGA數(shù)據(jù)采集，STM32數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸組成。FPGA晶振頻率為50 MHz，它能高速采集兩路光電信號的低電平脈沖時間，通過SPI協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給STM32處理，STM32既要完成數(shù)據(jù)處理，還要將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機顯示[4]。上位機接受控制板的尺寸數(shù)據(jù)后實時顯示，若總體數(shù)據(jù)偏差太大，則通過調(diào)整校正系數(shù)對結(jié)果進行修正，保證數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性[4]。流程圖如圖7所示。

其中，數(shù)據(jù)處理作為主程序中最重要的部分，它直接關(guān)系到測量尺寸的精確度和穩(wěn)定性。本文運用累加求和取平均值的平滑濾波處理算法，連續(xù)采集10組工件數(shù)據(jù)后刪除其中最大值和最小值，累加100組數(shù)據(jù)后對所有數(shù)據(jù)求和取平均值[4]。通過這種算法可以減少隨機誤差，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定。此外，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測扁平線纜的要求，測試軟件增加了對連續(xù)出料的扁平線測試位置偏斜的警示。其原理為：一般扁平線在生產(chǎn)過程中，通過擠壓拉伸變成所需的長、寬尺寸，

圖7 主程序流程圖

而在擠壓過程中，多數(shù)情況下長、寬尺寸的變化是無關(guān)聯(lián)的；但如果某個時候，測試儀監(jiān)測到的長寬變化完全按比例增減，則可以判定為漆包線測試的投影有偏斜，從而觸發(fā)報警，交由人工來處理。

4 實驗結(jié)果與分析

實驗中利用雙路掃描式激光測徑系統(tǒng)，對標(biāo)準(zhǔn)方形樣棒進行雙向檢測，以檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性。光路系統(tǒng)平臺和電路控制板分別如圖8和圖9所示。

圖8 光路系統(tǒng)平臺

圖9 電路控制板實物圖

通過Modbus協(xié)議將工件尺寸發(fā)送到上位機，上位機實時顯示數(shù)據(jù)，并進行修正。圖10為Modbus的顯示界面。

圖10 Modbus的數(shù)據(jù)顯示

本文采用尺寸為3 mm×6 mm、2 mm×7 mm和2 mm×9 mm的方形樣棒進行試驗，通過對樣棒在同一位置放置8次的方法觀察數(shù)據(jù)的微弱變化來驗證測徑系統(tǒng)的重復(fù)性，測量數(shù)據(jù)如表1所示，Dx為水平方向測量的數(shù)據(jù)，Dy為垂直方向測量的數(shù)據(jù)。通過試驗數(shù)據(jù)得出重復(fù)性最大誤差為5 μm，最大相對誤差為0.5%，滿足設(shè)計要求。

表1 方形棒重復(fù)性試驗

針對穩(wěn)定性試驗，按照JJF1250-2010《激光測徑儀校準(zhǔn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，3 min觀測一次樣棒數(shù)據(jù)，連續(xù)測量2 h[4]。由于數(shù)據(jù)龐大，因此采用2 mm×8 mm方形標(biāo)準(zhǔn)棒進行測試。結(jié)果如圖11所示。

通過重復(fù)性和穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)得出，雙路測徑系統(tǒng)整體性能良好，數(shù)據(jù)誤差小，系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性能夠滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

本文針對扁平形漆包線的生產(chǎn)檢測需求，研制了一款基于ARM+FPGA的雙路掃描式激光測徑系統(tǒng)，實現(xiàn)了工件線徑的寬度和厚度的雙向檢測，測量精度高、穩(wěn)定性好。實驗結(jié)果表明，該雙路激光測徑系統(tǒng)測量范圍為1～15 mm，精度為0.001 mm，示值誤差最大不超過±0.005 mm，具有上位機顯示和校正功能，對工件線徑檢測有廣泛應(yīng)用前景。

圖11 2 mm×8 mm方形樣棒測試