魯曉悅， 榮憲偉

(哈爾濱師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

超聲換能器是超聲波無損檢測中的關(guān)鍵部件，其聲壓分布特性對超聲檢測中缺陷的定位、尺寸大小的定量有極大的影響[1～4]。因此,需對換能器的聲場參數(shù)進(jìn)行測量以實(shí)現(xiàn)對其性能做出評判和校準(zhǔn)，從而避免超聲探頭性能失效或減弱等原因造成的零件內(nèi)部冶金缺陷存在漏檢的隱患[5,6]。

常見的聲場測量方法有水聽器法[7]、輻射力天平法[8]、球靶法[9]等。這些測量方法都需要一個(gè)能夠快速且精準(zhǔn)到達(dá)測量位置的三軸移動系統(tǒng)。例如,水聽器法的原理就是利用三軸移動系統(tǒng)帶動水聽器在水箱中相對換能器運(yùn)動，同時(shí)水聽器采集每個(gè)測量點(diǎn)的聲壓信號，計(jì)算機(jī)根據(jù)聲壓信息和測量點(diǎn)信息進(jìn)行處理顯示出當(dāng)前被測換能器的聲場分布情況[10～12]。

本文設(shè)計(jì)了用于超聲聲場分布測量的三軸移動系統(tǒng)，該三軸移動系統(tǒng)包括軟件與硬件兩部分，其中軟件部分在上位機(jī)上由QT Creator進(jìn)行編寫，軟件設(shè)計(jì)界面友好，操作人員極易上手并且能夠滿足超聲探頭校準(zhǔn)的工作要求，也便于使用者進(jìn)行跨平臺開發(fā)。硬件部分由運(yùn)動控制卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、直角坐標(biāo)機(jī)械臂組成。直角坐標(biāo)機(jī)械臂以直線運(yùn)動單元為基礎(chǔ)，搭建出空間三自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)，能夠到達(dá)三維空間中的任意點(diǎn)。每個(gè)直線運(yùn)動單元采用精密研磨絲杠，具有摩擦損失小、傳動效率高、低速無爬行現(xiàn)象、精度高等優(yōu)點(diǎn)。采用光柵尺對本文系統(tǒng)進(jìn)行精度檢測，位置誤差小于0.04 mm，滿足了超聲聲場測量對三軸移動系統(tǒng)的要求[13]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超聲聲場分布測量三軸移動系統(tǒng)由上位機(jī)、三軸運(yùn)動控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、原點(diǎn)光電開關(guān)、三軸直角坐標(biāo)機(jī)械臂組成。

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)在上位機(jī)控制下完成聲場分布測量三軸運(yùn)動任務(wù)。本文系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)選擇大扭矩、瞬態(tài)響應(yīng)好的兩相57步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選擇具有25 000細(xì)分的DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。運(yùn)動控制器以高頻脈沖串形式輸出，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。原點(diǎn)光電開關(guān)以輸出電平變化來反饋給運(yùn)動控制器，控制系統(tǒng)找到原點(diǎn)位置并運(yùn)動停止。

圖1 三軸移動系統(tǒng)原理框圖

1.2 直角坐標(biāo)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

聲場分布測量對位置精度要求較高，且多為直線運(yùn)動，所以本文采用直角坐標(biāo)機(jī)械臂形式。這種方式的主要特點(diǎn)是每個(gè)運(yùn)動自由度之間都是直角且各自由度之間互不影響。直角坐標(biāo)機(jī)械臂是以單維直線運(yùn)動單元為基礎(chǔ)。直線運(yùn)動單元采用精密研磨絲杠，具有摩擦損失小、傳動效率高、低速無爬行現(xiàn)象、精度高、精度保持性好的優(yōu)點(diǎn)。直角坐標(biāo)機(jī)械臂以XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，并以滾珠絲杠傳動方式所架構(gòu)起來的三軸移動系統(tǒng)。XYZ三軸都采用小導(dǎo)程精密研磨絲杠。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖細(xì)分，可達(dá)到較高的位置分辨率。采用消空回螺母結(jié)構(gòu)，可使研磨絲杠副的間隙降到最小。運(yùn)動單元采用交叉滾柱導(dǎo)軌，調(diào)整導(dǎo)軌預(yù)緊力和消間隙之功能提高傳動剛度。設(shè)計(jì)精磨移臺底板和合理的導(dǎo)軌固定方式可大大地降低電移臺的俯仰和偏擺，使運(yùn)動的直線度和平行度獲得較大提高。在步進(jìn)電機(jī)和研磨絲杠之間通過進(jìn)口高品質(zhì)彈性聯(lián)軸節(jié)連接，保證傳動同步，消偏性能好，噪音小且大大降低了偏心擾動。這樣保證三軸移動系統(tǒng)在XYZ三維坐標(biāo)系中進(jìn)行精準(zhǔn)移動。

1.3 三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于XYZ三個(gè)軸的控制電路相同，這里以X軸為例，說明三軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件組成。如圖2所示為X軸運(yùn)動控制的工作原理。X軸運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件是由上位機(jī)、運(yùn)動控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠和原點(diǎn)光電開關(guān)組成的。本文系統(tǒng)的運(yùn)動控制方式工作原理是上位機(jī)軟件通過USB通信將指令發(fā)送給運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器接收到上位機(jī)指令后，依據(jù)指令參數(shù)規(guī)劃步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，輸出脈沖(PUL)信號和方向(DIR)信號，驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號PUL后就驅(qū)動電機(jī)按方向信號DIR轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，電機(jī)帶動絲杠移動一個(gè)固定的距離，從而達(dá)到定位的目的。脈沖頻率用于控制電機(jī)的速度控制脈沖頻率變化可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速和減速，從而達(dá)到平穩(wěn)快速運(yùn)動的目的。在絲杠底座上安裝的光電開關(guān)用于檢測原點(diǎn)。當(dāng)絲杠移動到原點(diǎn)時(shí)，光電開關(guān)光束被遮擋，輸出電平發(fā)生變化，反饋給運(yùn)動控制器，確定原點(diǎn)位置并停止運(yùn)動。

圖2 X軸絲杠移動工作原理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，上位機(jī)軟件由運(yùn)動控制模塊、狀態(tài)顯示模塊和聲場信息分析與顯示模塊3部分組成。

圖3 軟件框圖

其中，運(yùn)動控制模塊用來控制三維直角坐標(biāo)機(jī)械臂進(jìn)行直線掃描運(yùn)動、平面掃描運(yùn)動以及定點(diǎn)運(yùn)動。狀態(tài)顯示模塊用來實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動速度、運(yùn)動位置以及當(dāng)前的聲場強(qiáng)度。聲場信息分析與顯示模塊用來進(jìn)行聲場數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行圖像繪制，將聲場的時(shí)域特性、頻域特性和空域特性用圖像的方式在軟件中進(jìn)行顯示。由這3個(gè)模塊組成的軟件系統(tǒng)能夠進(jìn)行多種運(yùn)動控制并實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動狀態(tài)信息和聲場強(qiáng)度信息，以及將聲場信息進(jìn)行分析與可視化圖像顯示。

2.2 下位機(jī)運(yùn)動控制算法設(shè)計(jì)

常見的軌跡規(guī)劃算法分別是T型和S型速度曲線控制，S型曲線相比于T型曲線控制精度更高，能夠更有效地消除運(yùn)動中的抖動現(xiàn)象。如圖4(a)將S型曲線軌跡分為7個(gè)階段[14]。

首先引入變量加加速度j，加加速度是加速度的導(dǎo)數(shù)，即j=da/dt。在S型曲線中系統(tǒng)參數(shù)包括加速運(yùn)動階段最大加速度值amax和最大加加速度值jmax、減速運(yùn)動階段最大加速度值amin和最大加加速度值jmin，軌跡參數(shù)還包括起始V0和終點(diǎn)V1速度最大值Vmax和起始時(shí)刻位移S0和終點(diǎn)位移S1。其中,amax，jmax，amin和jmin可根據(jù)需求獨(dú)立設(shè)置。T0為加加速段、T1為勻加速度段、T2為減加速度段、T3為勻速度段、T4為加減速度段、T5為勻減速度段以及T6為減減速度段[15]。

采用7段S型曲線能夠使步進(jìn)電機(jī)非常平滑的進(jìn)行運(yùn)動避免碰撞，但在系統(tǒng)需要短位移高響應(yīng)的情況下，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以將S型速度曲線簡化為4段如圖4(b)所示，保留T0，T2，T4，T6。

為了使其升速與降速的S型曲線對稱,令其起始速度等于終止速度,vm為運(yùn)行最大速度，a為系統(tǒng)當(dāng)前加速度，即

v0=v1

(1)

假設(shè)各階段運(yùn)行時(shí)間都相等，即

t2=2t1,t3=3t1,t4=4t1

(2)

4段加減速S型曲線速度函數(shù)為

(3)

假設(shè)Sa，Sd分別為加速段和減速段的位移，則可以計(jì)算出

(4)

運(yùn)行總位移為兩段位移之和

(5)

根據(jù)式(3)，當(dāng)t=t1時(shí)，有

(6)

設(shè)運(yùn)行總時(shí)間為t，由以上分析可知

(7)

將式(7)代入式(6)化簡可得

vm-v0=at/2

(8)

聯(lián)立式(5)和式(8)可得

(9)

結(jié)合式(3)和式(9)只要給出v0,s和t就可以確定運(yùn)動的所有參數(shù)，本文按照4段S型加減速算法來進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)動，達(dá)到短位移運(yùn)行快速精準(zhǔn)的目的[16，17]。

3 系統(tǒng)測試

將光柵尺與直角坐標(biāo)機(jī)械臂的運(yùn)動軸上的固定端與光柵尺上的副尺進(jìn)行連接固定，在系統(tǒng)進(jìn)行三軸運(yùn)動時(shí)，直角坐標(biāo)機(jī)械臂的運(yùn)動軸上的固定端可以帶動光柵尺的副尺按照系統(tǒng)的運(yùn)動指令進(jìn)行移動，使系統(tǒng)在移動時(shí)能將光柵尺移動所產(chǎn)生的脈沖發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理，算出當(dāng)前軸的實(shí)際位移距離，依此原理進(jìn)行系統(tǒng)精度測試[18]。

本文系統(tǒng)按照上述的測試方式針對T型曲線運(yùn)動方式和經(jīng)過算法處理的S型曲線運(yùn)動方式分別進(jìn)行精度測試，該系統(tǒng)測試所采用的是分辨率為20 μm的光柵尺，檢測過程為從運(yùn)動機(jī)構(gòu)原點(diǎn)作為開始，終點(diǎn)為系統(tǒng)所設(shè)置測量點(diǎn)。本次測試所設(shè)的測量點(diǎn)是從1 mm開始到30 mm結(jié)束，以5 mm為間距進(jìn)行正反方向運(yùn)動精度檢測，每方向各測量10次共70次，由此檢測系統(tǒng)的位移距離與實(shí)際位移的偏差，用來檢驗(yàn)系統(tǒng)精度。測量結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)誤差分布

從圖5中可以看出，本文系統(tǒng)采用4段S型曲線運(yùn)動算法相比T型曲線運(yùn)動算法能夠提升精度，該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的三軸移動系統(tǒng)最大誤差不超過0.04 mm，并且在光柵尺精度范圍內(nèi)，0 mm誤差占比最大。

驗(yàn)證本文系統(tǒng)移動精度之后，用該系統(tǒng)拖動水聽器針對一個(gè)連續(xù)脈沖的超聲波換能器進(jìn)行測量，對換能器的XY面以5 mm為間隔進(jìn)行測量，得到圖6所示的平面掃描圖，由圖可以看出，經(jīng)本文軟件掃描并繪制出的平面掃描圖能夠完好清晰地描繪出超聲換能器的輻射特性，由圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的三軸移動系統(tǒng)能夠拖動水聽器在水箱中進(jìn)行聲場測量工作，能夠精確地到達(dá)使用者所設(shè)定的測量點(diǎn)，并且可以描繪出聲場的特性圖像。

圖6 實(shí)測連續(xù)脈沖超聲換能器聲場平面掃描

4 結(jié) 論

本文根據(jù)超聲聲場的測量要求，設(shè)計(jì)了一種用于超聲聲場分布測量的直角坐標(biāo)型三軸移動系統(tǒng)。在硬件上對三軸移動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)精度。在軟件上設(shè)計(jì)了軌跡規(guī)劃算法和上位機(jī)控制軟件，更進(jìn)一步在軟件上提高運(yùn)行精度。給使用者提供了極易上手的人機(jī)交互界面，達(dá)到方便使用的目的，并且因?yàn)樯衔粰C(jī)軟件使用QT進(jìn)行開發(fā)，也方便進(jìn)行跨平臺的操作目的。本文系統(tǒng)也采用了光柵尺對系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了精度測試，測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具有操作界面友好、可靠性強(qiáng)、位移精準(zhǔn)與位移速度快的優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：本文系統(tǒng)能夠拖動水聽器實(shí)現(xiàn)超聲聲場的直線掃描和斷面掃描測量，描繪聲場分布。