程 瑤,石肖伊,田又源,劉云陽(yáng),賈 寧

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司,重慶 401332)

0 引言

精密測(cè)量是衡量我國(guó)制造業(yè)水平的一個(gè)重要標(biāo)志[1],在高技術(shù)發(fā)展和制造行業(yè)領(lǐng)域十分重要。傳統(tǒng)的加工工藝在工件制造結(jié)束前無(wú)法進(jìn)行測(cè)厚,工件不合格則需返工或者報(bào)廢處理[2-3],而在線非接觸式的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的大量、實(shí)時(shí)和在線測(cè)量,減少?gòu)U品率。因此,有必要研究精密測(cè)量技術(shù)和設(shè)計(jì)測(cè)厚系統(tǒng)以提高其精度和可靠性,滿足不同的需求。

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研單位對(duì)厚度檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在非接觸檢測(cè)上,由于非接觸檢測(cè)具有諸多優(yōu)點(diǎn),所以對(duì)厚度檢測(cè)的研究也越來(lái)越多,根據(jù)檢測(cè)機(jī)理的不同,可分為射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、電磁渦流檢測(cè)、光電檢測(cè)等。射線測(cè)厚技術(shù)對(duì)測(cè)量應(yīng)用較廣泛,但是對(duì)相關(guān)工作人員會(huì)帶來(lái)一些潛在危害。超聲檢測(cè)速度慢、精度低,而電磁渦流法對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高[4]。光電測(cè)厚技術(shù)具有精度高、安全可靠、測(cè)量快速且范圍大的特點(diǎn)[5]。綜上所述,激光測(cè)厚相對(duì)射線測(cè)厚而言沒(méi)有輻射危害,該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、安全可靠以及采樣頻率高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)在線和非接觸的檢測(cè),是一種在工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)工件厚度的有效方法。

本文介紹了一種在線、非接觸式的測(cè)厚系統(tǒng),采用直射式激光照射在工件基準(zhǔn)面上產(chǎn)生成像光斑,利用基于FPGA控制電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)驅(qū)動(dòng)獲取圖像信息,將獲取的數(shù)據(jù)信息通過(guò)開(kāi)發(fā)的圖像檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行處理并顯示。

1 激光三角法測(cè)厚原理

激光三角測(cè)量(laser triangulation,LT)是一種常用的光電檢測(cè)方法,具有成本低、應(yīng)用廣泛、測(cè)量速度快和測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。激光三角法常用于精確測(cè)量光學(xué)信號(hào)和光學(xué)信號(hào)中的一些物理量,如位移、厚度、3D形狀等[7]。

1.1 測(cè)厚原理

激光三角法測(cè)量原理見(jiàn)圖1,激光垂直照射參考表面,產(chǎn)生漫反射,形成激光光斑,成像透鏡將漫反射的光集中起來(lái),最終在感光表面形成成像光斑。當(dāng)工件放置在參考面上時(shí),在工件表面形成一個(gè)激光點(diǎn),激光點(diǎn)在圖像傳感器上發(fā)生偏移。圖1中:y為工件厚度;x為光斑位移;α為成像透鏡的光軸與激光之間的角度;β為成像鏡頭的光軸與感光面之間的角度;L為成像物距;l為成像像距;O為成像透鏡的光心;A為激光點(diǎn)在工件表面的位置;A′為成像點(diǎn)在工件表面的位置;B為過(guò)激光光斑垂直于成像透鏡光軸的垂足;B′為過(guò)成像光斑垂直于成像透鏡光軸的垂足。

圖1 激光三角法測(cè)厚原理圖

過(guò)點(diǎn)A作L的垂線,過(guò)點(diǎn)A′作l延長(zhǎng)線的垂線,垂直于點(diǎn)B、點(diǎn)B′。從圖1可得△A′OB′相似于△AOB,根據(jù)三角形相似定理:

(1)

由三角函數(shù)可知:

(2)

將式(2)所得參數(shù)代入式(1)得:

(3)

通過(guò)整理式(3)得到y(tǒng)與x間的關(guān)系式:

(4)

在實(shí)際應(yīng)用中,光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)L、l、α、β為常量。由式(4)可以看出在較理想實(shí)驗(yàn)條件中,y與x存在一定函數(shù)關(guān)系。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)分析

假設(shè)圖像傳感器具有n個(gè)有效光敏像元,xmin為相鄰的光敏像元中心間距,那么光敏面長(zhǎng)度xmax為

xmax=nxmin

(5)

光敏面長(zhǎng)度xmax與成像光斑位移x相等時(shí),看作成像光斑位移量最大,由此得出測(cè)量范圍最大值:

(6)

在激光三角法測(cè)量中,Δy與Δx有相同量綱,這種情況下靈敏度視為放大倍數(shù)。x的表達(dá)式由式(4)變換得出:

(7)

式(7)對(duì)y求導(dǎo),可得靈敏度S為

(8)

一個(gè)像元中心間距xmin是圖像傳感器的最小變化量,可得分辨率k為

(9)

由式(4)可知L、l、α、β能表示y。f為本光學(xué)系統(tǒng)的成像透鏡的焦距,則由式(4)、式(6)、式(8)、式(9)可知,已知光學(xué)參數(shù)L、l、α、β、f能計(jì)算出y和S。在保證測(cè)量精度的前提下,需要對(duì)y、S、f等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮,以獲得具有最小分辨率的整體優(yōu)化組合。

2 測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 SSA-LT光學(xué)參數(shù)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

2020年,J.Xue等提出了一種新型智能優(yōu)化算法——麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)[8-10],與其他群智能優(yōu)化算法相比,SSA算法可以在搜索精確度上有所提升,減少優(yōu)化尋優(yōu)的時(shí)間,許多學(xué)者對(duì)其不斷深入研究,使該算法在搜索能力和魯棒性有較大提高[11-12]。因此,本文采用SSA從整體上優(yōu)化激光三角法光學(xué)參數(shù)。

采用不同參數(shù)組合可以得到不同的分辨率、靈敏度、測(cè)量范圍等。麻雀搜索區(qū)域范圍坐標(biāo)軸設(shè)定為α和β,麻雀?jìng)€(gè)體位置的橫坐標(biāo)是α,縱坐標(biāo)是β。其坐標(biāo)系統(tǒng)分辨率與麻雀?jìng)€(gè)體適應(yīng)度函數(shù)相對(duì)應(yīng)。滿足Scheimpflug條件最小系統(tǒng)分辨率即為SSA的尋優(yōu)指標(biāo),圖2即采用SSA優(yōu)化光學(xué)參數(shù)的算法流程圖。

圖2 光學(xué)參數(shù)優(yōu)化流程圖

SSA被用于LT光學(xué)參數(shù)的全局最優(yōu)組合。如表1所示,設(shè)最大迭代次數(shù)為50;麻雀種群數(shù)為20只,包括4只生產(chǎn)者,16只掠奪者;隨機(jī)具備警戒能力的共4只;安全閾值為0.8;α設(shè)置范圍為[20°,40°];β設(shè)置范圍為[0°,90°],其中α、β根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。部分典型LT光學(xué)參數(shù)最優(yōu)組合結(jié)果如表2所示。

表1 SSA-LT參數(shù)優(yōu)化模型初始化設(shè)置

表2 SSA-LT參數(shù)優(yōu)化模型推薦表

系統(tǒng)所能達(dá)到的最大分辨率大部分取決于測(cè)量范圍[13],因?yàn)閳D像傳感器本身的感光元件數(shù)量有限[14]。在選取參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用的需求以及實(shí)現(xiàn)的難易程度,選取滿足需求的參數(shù)即可。從實(shí)際需求和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā),選取測(cè)厚系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)為第4組。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

激光三角法測(cè)厚系統(tǒng)硬件由驅(qū)動(dòng)及外圍電路、圖像傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集、PC以及時(shí)序控制模塊組成,如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)厚系統(tǒng)快速、高精度測(cè)量,采用FPGA作為主控芯片,設(shè)計(jì)并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序、A/D采集時(shí)序以及數(shù)字采集時(shí)序及觸發(fā)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)及外圍電路提供穩(wěn)定電源,使圖像傳感器正常運(yùn)行,通過(guò)電平轉(zhuǎn)換使得FPGA驅(qū)動(dòng)探測(cè)器。圖像傳感器輸出信號(hào)是模擬量,需要通過(guò)A/D采集將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳輸給PC,處理過(guò)程中需抑制器件噪聲以提高信號(hào)采集的精度。

圖3 系統(tǒng)整體硬件框架

2.3 軟件設(shè)計(jì)

圖像檢測(cè)系統(tǒng)程序流程如圖4所示,采集的CCD光斑數(shù)據(jù)通過(guò)圖像檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電壓值,令其轉(zhuǎn)化為灰度圖像以降低圖像噪聲,然后標(biāo)定當(dāng)前像元位置通過(guò)厚度計(jì)算并將結(jié)果顯示于控件。光斑中心的精確定位決定測(cè)厚系統(tǒng)的精度,在測(cè)量工件厚度時(shí),獲得可靠、準(zhǔn)確的光斑位移對(duì)于測(cè)厚系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖4 圖像檢測(cè)系統(tǒng)程序流程圖

圖像檢測(cè)系統(tǒng)前面板如圖5所示,由通道、定時(shí)、記錄、觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集、標(biāo)定以及采集控制等模塊構(gòu)成,可以根據(jù)相應(yīng)需求調(diào)整DAQ板卡。測(cè)厚系統(tǒng)可以根據(jù)解算公式實(shí)時(shí)、精確顯示出工件的厚度值。

圖5 圖像檢測(cè)系統(tǒng)前面板

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

將第4組的各個(gè)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)代入式(4)可得:

(10)

式中:y為工件厚度,由光斑中心位移x獲取,μm。

然而,安裝光學(xué)系統(tǒng)通常會(huì)存在誤差。要達(dá)到理想的精度,難度大且其設(shè)計(jì)成本會(huì)增加,與此同時(shí),更加難以找到光敏像元的具體位置,實(shí)際所得到的光學(xué)參數(shù)與理論值有差異。因此,需重新計(jì)算工件厚度y的關(guān)系式。

采用自定義函數(shù)曲線擬合的方式標(biāo)定,設(shè)其函數(shù)為

(11)

式中:y為工件厚度;x為當(dāng)前光斑中心像元位移;a、b、c均為擬合函數(shù)待定常數(shù)。

選用均方差最小的Levenberg-Maquardt進(jìn)行非線性擬合,a、b、c為:

(12)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)CCD驅(qū)動(dòng)生成的文件燒錄進(jìn)FPGA,示波器連接CCD驅(qū)動(dòng)電路引腳,CCD輸出波形如圖6所示。通過(guò)對(duì)比可知,當(dāng)光照條件發(fā)生變化,CCD輸出信號(hào)也隨之改變。

(a)自然光照

搭建的測(cè)厚系統(tǒng)如圖7所示,根據(jù)采集的圖像信號(hào),對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào),直到輸出較滿意的波形。

圖7 測(cè)厚系統(tǒng)實(shí)物圖

3.3 精度分析

選擇測(cè)試量塊級(jí)別為0級(jí)的20塊厚度范圍為1～10 mm,精度為0.001 mm標(biāo)準(zhǔn)金屬量塊。20組測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差散點(diǎn)圖如圖8所示,在10 mm量程內(nèi),測(cè)厚系統(tǒng)的測(cè)量誤差不超過(guò)±8.45 μm。

圖8 20組測(cè)量誤差散點(diǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

儀器制造與測(cè)量等技術(shù)是我國(guó)由制造大國(guó)轉(zhuǎn)型為制造強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)突破領(lǐng)域,在線、非接觸式檢測(cè)是精密儀器測(cè)量的發(fā)展方向之一,激光測(cè)量的方法將會(huì)在制造業(yè)得到更多應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的測(cè)厚系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),10 mm范圍內(nèi)其測(cè)量誤差不超過(guò)±8.45 μm,測(cè)試效果較好,實(shí)現(xiàn)了一種在線、非接觸式、抗干擾能力強(qiáng)以及高精度的測(cè)厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的實(shí)用性和良好的發(fā)展前景。