朱靖，丁斌，毛敏，張翔，陳旭雯，祖洪飛

(1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.南通市計(jì)量檢定測(cè)試所，江蘇南通 226001；3.浙江譜麥科技有限公司，浙江寧波 315048；4.浙江龍宇智能科技有限公司，浙江海寧 314419)

0 前言

白光干涉測(cè)量技術(shù)是一種利用低相干干涉原理測(cè)量物體表面輪廓的先進(jìn)方法，它通過(guò)參考臂中精密位移臺(tái)的移動(dòng)來(lái)匹配被測(cè)物體表面微小的形貌變化，形成干涉條紋，進(jìn)而精確解算出物體表面的輪廓信息。基于白光干涉技術(shù)的測(cè)量?jī)x器具有非接觸、大量程、高精度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密裝配、納米新材料、集成電路和光學(xué)表面加工等領(lǐng)域[1-4]，是獲取元件表面幾何尺寸和紋理的重要手段。

白光干涉測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，不僅包含光源、耦合器等光學(xué)器件，還包括運(yùn)動(dòng)位移臺(tái)、數(shù)據(jù)采集與分析儀等機(jī)電部件。這要求系統(tǒng)的控制軟件不僅要能獨(dú)立操作各模塊，還要能協(xié)調(diào)配合各部分工作以順利完成多變的測(cè)試任務(wù)?？紤]到各部件廠家及規(guī)格各異、開(kāi)發(fā)接口眾多等問(wèn)題以及增強(qiáng)軟件靈活性與擴(kuò)展性的需求，本文作者選用圖形化操作的編程語(yǔ)言LabVIEW[5]來(lái)進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

該系統(tǒng)軟件主要包括運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集以及數(shù)據(jù)處理和顯示等核心部分。其中，數(shù)據(jù)處理部分包含干涉信號(hào)包絡(luò)的峰值提取算法[6]，也稱為等光程點(diǎn)判讀法，該算法很大程度上決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度和上位機(jī)軟件的運(yùn)行效率。主要的峰值提取算法有傅里葉變換法[7]、希爾伯特變換法[8]、小波變換法[9]、包絡(luò)平方估計(jì)法[10]、空間頻域法[11]等，綜合考慮系統(tǒng)測(cè)量效率及測(cè)量精度，本文作者選用希爾伯特變換法。

首先設(shè)計(jì)并搭建測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置(參考臂S1、S2，測(cè)量臂R、Z、X)；其次，開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理算法，不僅能控制運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)以及高采樣率數(shù)據(jù)采集卡同步采集運(yùn)動(dòng)軸位置和干涉信號(hào)，還能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到三維點(diǎn)云，并調(diào)用PolyWorks等第三方軟件重建被測(cè)物體表面形貌以及進(jìn)行尺寸測(cè)量；最后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1 白光干涉測(cè)量系統(tǒng)組成

白光干涉測(cè)量系統(tǒng)主要包含光源、耦合器、參考臂、樣品臂、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集儀及上位機(jī)等部分，如圖1所示。該系統(tǒng)利用白光光譜中不同頻率的光波在樣品表面發(fā)生干涉，提取干涉后的合成光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)解析獲得樣品表面高度信息[12]。當(dāng)參考臂與樣品臂的光程差在相干長(zhǎng)度內(nèi)，兩束光就會(huì)發(fā)生干涉，形成如圖2所示的干涉包絡(luò)。

圖1 白光干涉測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 白光干涉的理論干涉信號(hào)

一般情況下，R軸為主旋轉(zhuǎn)軸，Z軸為探針移動(dòng)軸，X軸為被測(cè)件平移軸，通過(guò)R、Z、X三軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的連續(xù)測(cè)量。上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)采集干涉信號(hào)，再通過(guò)解調(diào)濾波、包絡(luò)等光程點(diǎn)判讀等工作，可以準(zhǔn)確得到探針到樣品表面的距離L。檢測(cè)過(guò)程中，參考臂S1內(nèi)的PZT進(jìn)行往復(fù)掃描，探測(cè)器將探測(cè)到的包絡(luò)峰值的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。最后由數(shù)據(jù)采集儀將以上信號(hào)傳給上位機(jī)，如圖3所示，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理、峰值提取、點(diǎn)云生成及物體三維形貌表征[13]。

圖3 干涉信號(hào)尋址測(cè)量原理法

如圖4所示，白光干涉測(cè)量系統(tǒng)通?？煞纸鉃楦缮鎯x主體和測(cè)量采集控制系統(tǒng)兩大模塊[14]。其中干涉儀主體由光學(xué)干涉模塊和光電傳感器組成，用以產(chǎn)生干涉條紋并獲取干涉信號(hào)。測(cè)量采集控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊構(gòu)成，其中運(yùn)動(dòng)控制模塊用來(lái)控制參考臂S1、S2和樣品臂R、Z、X軸共5個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)干涉信號(hào)、運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行同步采集，并與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖4 白光干涉測(cè)量系統(tǒng)硬件布置

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種運(yùn)用圖形化編程的程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，它具有智能化程度高、可操作性強(qiáng)、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并提供了針對(duì)多種應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集(DAQ)、GPIB、串口、數(shù)據(jù)分析顯示以及Internet網(wǎng)絡(luò)通信的函數(shù)庫(kù)，而且方便調(diào)用Window以及用戶自定義的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)[15]。

此系統(tǒng)軟件是在LabVIEW community Edition 20.0.1 (32bit) 開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫的，在其基礎(chǔ)上利用Windows 提供的API函數(shù)、XPS控制器中.Net 控件、數(shù)據(jù)采集模塊SDK軟件二開(kāi)發(fā)包Windows標(biāo)準(zhǔn)ActiveX接口、OpenCV計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)以及OpenGL圖形工具庫(kù)完成了基于對(duì)話框交互式窗口上位機(jī)軟件的編寫。文中上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮哪K化程序設(shè)計(jì)方法，如圖5所示。該軟件主要分為運(yùn)動(dòng)控制模塊、掃描采樣及數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示模塊三部分，每個(gè)子模塊可獨(dú)立運(yùn)行，各模塊也可以協(xié)同工作完成整個(gè)測(cè)試，具有關(guān)系獨(dú)立性好、數(shù)據(jù)安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 系統(tǒng)軟件功能模塊組成

系統(tǒng)上位機(jī)軟件工作流程如圖6所示，它由系統(tǒng)初始化、硬件連接、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集分析、自動(dòng)掃描、配置測(cè)試參數(shù)、顯示點(diǎn)云、輸出點(diǎn)云、斷開(kāi)連接等步驟構(gòu)成。圖7展示了軟件測(cè)量界面(圖中為捕獲的干涉包絡(luò))，軟件前控制面板主要包括輸入和輸出功能，后程序面板主要為程序組成的連接模塊。

圖7 軟件測(cè)量界面

2.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制是指將預(yù)定的控制方案和控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)的功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確位置、速度、加速度等參數(shù)的控制[16]。此系統(tǒng)含5個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)軸，軟件需要能夠?qū)崿F(xiàn)5個(gè)軸不同方位和不同速度的運(yùn)動(dòng)以及同時(shí)控制多軸聯(lián)動(dòng)的功能。

運(yùn)動(dòng)控制模塊分為參考臂運(yùn)動(dòng)控制與樣品臂運(yùn)動(dòng)控制兩部分，參考臂部分所使用的控制器為Newport的XPS-D6型集成運(yùn)動(dòng)控制器，最多可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)6軸電機(jī)控制。插入對(duì)應(yīng)的兼容驅(qū)動(dòng)程序卡，并通過(guò).Net控件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該模組內(nèi)置了串口通信與控制功能，在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)上加載配置調(diào)用該控件的dll鏈接庫(kù)，并添加調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)及屬性，即可靈活自主地完成參考臂運(yùn)動(dòng)控制模塊的開(kāi)發(fā)。樣品臂3個(gè)位移臺(tái)使用的是elmo系列的db36、gold dc bell兩類伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)通過(guò)CAT5e網(wǎng)線以及交換機(jī)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)Ethercat通信協(xié)議連接至上位機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)控制。

本文作者開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制模塊用到的主要命令有：(1) 串口通信類，用于控制器與上位機(jī)之間的通信連接；(2) 參數(shù)設(shè)置類，用于電機(jī)工作模式、使能狀態(tài)、導(dǎo)程、每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、加速度、急停減速度、速度等參數(shù)的設(shè)置；(3) 運(yùn)行指令類，用于控制工作軸的運(yùn)行、歸零、停止、插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)、長(zhǎng)動(dòng)等動(dòng)作；(4) 參數(shù)查詢類，用于速度、加速度、實(shí)時(shí)位置、電機(jī)使能狀態(tài)等參數(shù)的查詢。運(yùn)動(dòng)控制模塊的操作界面如圖8、9所示。

圖8 參考臂運(yùn)動(dòng)控制界面

圖9 樣品臂運(yùn)動(dòng)控制界面

2.2 掃描采樣及數(shù)據(jù)采集模塊

掃描采樣及數(shù)據(jù)采集模塊是白光干涉系統(tǒng)測(cè)量軟件中最核心的部分，其主要功能是上位機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)采集儀(ECON億恒，MI-7008)以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器給下位機(jī)下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)多運(yùn)動(dòng)軸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)中的干涉信號(hào)。

該模塊主要分為三部分：PZT運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、垂直掃描控制、數(shù)據(jù)采集。軟件一方面監(jiān)測(cè)參考臂中PZT的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證其處于垂直掃描過(guò)程且測(cè)量不丟光，同時(shí)控制PZT運(yùn)動(dòng)的速度及加速度來(lái)調(diào)節(jié)掃描速率；另一方面，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集儀的初始化和參數(shù)設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)5路運(yùn)動(dòng)軸的軌跡數(shù)據(jù)和干涉信號(hào)的同步采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示模塊

根據(jù)雙光束干涉理論[17]，滿足相干條件的兩束光可以形成穩(wěn)定的干涉條紋，對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值表示為

(1)

式中：I1和I2分別為參考光和測(cè)量光光強(qiáng)；Rr(τd)為光源自相干函數(shù)的實(shí)部；τd為兩束干涉光間的時(shí)間延遲，由兩束光之間的光程差2z決定，τd=2z/c，其中c為光速。

光源的光譜強(qiáng)度分布可以表示為

(2)

其中：v為光頻率；v0為光源中心頻率；Δv為光譜半高全寬。由于光源自相干函數(shù)是光源光譜強(qiáng)度的傅里葉變換，所以光源自相干函數(shù)可以表示為

(3)

(4)

其中：g(z)為白光干涉信號(hào)的包絡(luò)，包絡(luò)為高斯型。最后代入式(1)可得到寬譜光源干涉信號(hào)的簡(jiǎn)化形式為

I(z)=Ibg[1+rg(z)cos(2πτdv0)]

(5)

(6)

進(jìn)一步可得s(t)的解析信號(hào)g(t)為

g(t)=s(t)+js′(t)

(7)

干涉信號(hào)經(jīng)希爾伯特變換后，在頻域各分量的幅度保持不變，但將出現(xiàn)90°相移。即對(duì)正頻率滯后π/2，對(duì)負(fù)頻率超前π/2。對(duì)上式取模長(zhǎng)A(t)即可得到干涉包絡(luò)。

g(t)的幅值為

(8)

該相干峰解調(diào)算法直接進(jìn)行離散的卷積運(yùn)算，較使用傅里葉正反變換、小波變換等方法效率更高。圖10所示分別為此系統(tǒng)實(shí)測(cè)干涉包絡(luò)信號(hào)及通過(guò)相干峰值提取算法處理后的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：希爾伯特變換后的波包存在噪聲、輪廓不清晰。因此本文作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了IIR低通濾波器[18]對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。濾波后曲線最大值對(duì)應(yīng)位置xv，去除濾波群時(shí)延后可得到實(shí)際等光程點(diǎn)位置xr。

圖10 干涉信號(hào)處理結(jié)果

以上經(jīng)掃描采樣及數(shù)據(jù)采集模塊獲取的干涉信號(hào)將傳輸給數(shù)據(jù)處理及顯示模塊，首先經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到等光程點(diǎn)，然后顯示測(cè)得的三維坐標(biāo)信息。圖11所示為上位機(jī)軟件對(duì)一個(gè)環(huán)規(guī)內(nèi)壁5個(gè)不同位置測(cè)量的顯示結(jié)果。

圖11 上位機(jī)軟件中測(cè)量點(diǎn)云散點(diǎn)圖

3 軟件功能測(cè)試

為驗(yàn)證文中白光干涉測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)一個(gè)標(biāo)稱內(nèi)徑為50.002 3 mm的環(huán)規(guī)進(jìn)行了測(cè)試。首先，打開(kāi)上位機(jī)軟件并連接各運(yùn)動(dòng)軸及數(shù)據(jù)采集儀；其次，復(fù)位所有運(yùn)動(dòng)軸并進(jìn)行校準(zhǔn)零位；然后，微調(diào)X軸，將被測(cè)件移動(dòng)至焦距附近；隨后，在軟件中設(shè)置掃描區(qū)域、采樣速率等測(cè)試參數(shù)并開(kāi)始測(cè)量；最后，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并調(diào)用PolyWorks擬合環(huán)規(guī)內(nèi)徑。擬合結(jié)果如圖12所示，此系統(tǒng)對(duì)該環(huán)規(guī)的測(cè)量直徑為50.006 2 mm，與標(biāo)稱值相比，誤差僅為3.9 μm，這證明了文中所開(kāi)發(fā)的軟件及算法的有效性及精確性。另外，通過(guò)此系統(tǒng)測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以得到環(huán)規(guī)內(nèi)表面的圓柱度等形位公差信息。

圖12 環(huán)規(guī)測(cè)量及擬合結(jié)果

4 結(jié)論

基于白光干涉測(cè)量技術(shù)，搭建了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了包含運(yùn)動(dòng)控制模塊、掃描采樣及數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示模塊的上位機(jī)軟件；通過(guò)對(duì)一個(gè)標(biāo)稱內(nèi)徑為50.002 3 mm環(huán)規(guī)的測(cè)試，驗(yàn)證了文中所開(kāi)發(fā)的軟件及算法的有效性及精確性。