智能激光圓度測量儀研究＊

羅 杰

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064）

1 引言

現(xiàn)代船舶的耐壓結(jié)構(gòu)通常設(shè)計成圓柱、圓錐、球等形狀規(guī)則的幾何體。這些幾何體斷面形狀偏離圓形的程度，即初撓度的大小與船舶強度有著直接的關(guān)系。

在現(xiàn)有的科技水平和建造工藝條件下，耐壓結(jié)構(gòu)在加工、裝配、焊接過程中，不可避免的要產(chǎn)生超差變形，使結(jié)構(gòu)偏離正確的形狀，超出安全系數(shù)。上述變形在耐壓肋骨或耐壓殼圈上表現(xiàn)為徑向的偏差，即殼圈初撓度。大量的結(jié)構(gòu)模型試驗表明，結(jié)構(gòu)的毀壞，大多是從初始撓度比較嚴重的部位開始的。因此，對船舶立體分段耐壓殼圈的圓度測量對建造質(zhì)量控制非常關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)耐壓殼圈徑向初撓度一般采取撐桿法進行測量。從船舶建造實踐統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，撐桿測量方法存在約1.3～1.7%的草率點，即人為誤差，如測量工具使用不當，讀數(shù)和記錄不準確等，此外還有測量工具和環(huán)境的影響，因此需要新的測量方法來提高圓度誤差測量精度。

2 圓度測量發(fā)展現(xiàn)狀

圓度誤差是研究許多其它形位誤差的基礎(chǔ)，如圓柱度、軸線直線度和同軸度等，其重要性最早在1951年由Taylor Hobson公司的R.E.Reason提出。歐美和日本等工業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)對形位誤差的研究較早，從最早的直線度誤差到平面度、圓度和圓柱度等形狀誤差，再到同軸度和圓錐度等位置誤差，迄今已有約一百年的歷史。從其發(fā)表的大量技術(shù)文獻和遍布全球、廣受歡迎的各種先進測量儀器和設(shè)備，便可清楚的看出這些國家和地區(qū)不論在形位誤差的理論研究方面，還是在測量儀器的研制方面，都處于國際領(lǐng)先地位，代表著國際最高水平［1～3］。

隨著計算機技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于激光技術(shù)的圓度誤差檢測方法，如激光衍射法［4～5］、激光掃描法［6］、激光三角法［7］和激光干涉法［8］等，這幾種方法從測量信號看，都屬于基于半徑變化量的測量方法，但對半徑變化量的測量原理不同。激光衍射法的測量原理是：將被測工件裝夾在兩頂尖間，以兩頂尖回轉(zhuǎn)軸線作為測量基準，移動棱緣使之與被測工件間形成狹縫，激光通過狹縫后形成衍射條紋，其光強信號被接收元件接收，通過測量衍射條紋的平均間距得到測點處狹縫的寬度，工件回轉(zhuǎn)一周，得到各測點的半徑變化量，然后計算出圓度誤差。王天煜等人研究的基于激光衍射法的圓度誤差檢測方法檢測精度可達±0.4μm，但主要用于離線檢測。激光掃描測量方法與激光衍射法的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，只是狹縫寬度的測量原理不同，掃描法的狹縫寬度是通過接收元件所收到的通過狹縫的光信號強度折算出來的。激光三角法利用光的漫反射原理來測量工件半徑變化量。與衍射法和掃描法不同，激光三角法的激光發(fā)射器和接收器在工件的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)比較緊湊，而且量程較大，所以安裝調(diào)試方便，當所用激光發(fā)生器發(fā)射的光點足夠小時，可以同時檢測圓度、波紋度以及表面光潔度。劉巖等人［9］采用一種基于激光三角法檢測原理制造的新型激光CCD位移傳感器進行形位誤差檢測，這種傳感器將所有光學(xué)元件集成在一個密閉體中，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，方便安裝，具有非常高的直線性和抗干擾性，即使在比較高的轉(zhuǎn)速情況下，也可以采集到有效的測量點數(shù)，滿足形位誤差的在線檢測要求。此外，這種傳感器測量范圍大，安裝距離要求寬松。

基于激光技術(shù)的圓度誤差檢測方法的主要優(yōu)點［10］有：檢測精度高，響應(yīng)速度快；非接觸，不損傷工件表面質(zhì)量，檢測系統(tǒng)也不會因測量頭的磨損而降低精度；受環(huán)境因素干擾小，可以用于在線測量。不足之處有：衍射法和掃描法因激光發(fā)生器和接收器所需空間較大，受具體檢測環(huán)境限制，主要用于離線測量，尤其是衍射法要求棱緣與被測工件之間形成的狹縫要足夠小，這就使得實際應(yīng)用中調(diào)整困難，當工件高速旋轉(zhuǎn)時，甚至存在一定的危險。另外，基于激光技術(shù)的檢測方法中一般會用到很多光學(xué)元件，為了保證測量精度，這些光學(xué)元件在安裝時必須具有很高的直線性，這樣無疑增加了安裝難度，影響了檢測效率，相應(yīng)也就降低了其實用性。

國內(nèi)對形位誤差的研究起步較晚，從20世紀70年代末80年代初才開始進行較為系統(tǒng)的研究，在近三十年的研究中取得了顯著進步，尤其在形位誤差的評定理論方面，已達到了國際先進水平。我國激光測距儀的研究始于20世紀70年代，是在原固體、氣體激光測距機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前，基礎(chǔ)技術(shù)已具備，主要是解決工程應(yīng)用問題，開發(fā)各種應(yīng)用產(chǎn)品。

形位誤差研究的重要性有目共睹，對我國的機械制造工業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)的發(fā)展起到了重要的促進作用。不過整個領(lǐng)域的研究狀態(tài)偏于松散，缺少系統(tǒng)性，在將理論轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)方面，同發(fā)達國家和地區(qū)相比，還存在明顯差距，遠不能滿足實際生產(chǎn)需要。隨著激光測量技術(shù)的發(fā)展，針對目前船舶的建造模式，通過實船試驗，本文研制了一種能排除人為誤差的可以自動測量、讀數(shù)、存儲并計算的高精度、高效率的激光測量儀器，可以進行嚴密的精度可信度分析，提高測量精度，減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，縮短建造周期，保證船舶建造質(zhì)量和船舶安全。

3 智能激光圓度測量儀的功能設(shè)計

3.1 技術(shù)指標

按照船舶耐壓殼圈結(jié)構(gòu)的建造工藝規(guī)范要求，圓度測量設(shè)備應(yīng)能滿足工藝規(guī)范中所要求的精度、測量范圍及分辨率等技術(shù)指標。因此智能型激光圓度儀應(yīng)滿足如下圓度測量技術(shù)指標：

1）測量范圍：～Φ10m；

2）分辨率：5mm；

3）測量精度：±3mm；

4）對中調(diào)整范圍：雙向±200mm；

5）工作電壓：AC220V，DC12V。

3.2 工作原理

由于作為待測工具的耐壓殼體重量及尺寸均很大，所以智能型激光儀采用轉(zhuǎn)軸式測量方法。其測量原理如圖1所示。

圖1 智能激光圓度儀原理示意圖

激光圓度儀為一自身帶有激光發(fā)射器和接收器以及其他傳感器的圓度激光測量平臺器，如圖2所示。

圓度激光測量平臺的工作原理如圖3所示。

圖2 智能激光圓度儀結(jié)構(gòu)框圖

圖3 激光測距基本原理圖

圓度激光測量平臺與上調(diào)整平臺通過嵌入調(diào)整平臺中的槽型傳動齒條（如圖1（a）所示）聯(lián)接，并繞軸心為ZX軸的主軸旋轉(zhuǎn)，主軸為高精度設(shè)備，在理想狀況下可認為它回轉(zhuǎn)的運動軌跡是“真圓”。智能激光圓度儀發(fā)出的32個激光束所組成的平面與耐壓殼圈內(nèi)壁呈正交形式，工作時由激光發(fā)射器發(fā)射激光束，經(jīng)角反射器（由殼圈內(nèi)表面充當角反射器）反射后由圓度激光測量平臺中的接收器接收，并計算出軸心與耐壓殼圈內(nèi)表面的距離（即所需殼圈內(nèi)徑的大小值），經(jīng)過測量平臺內(nèi)置的信號放大器、數(shù)字濾波器后，由單片機控制機構(gòu)做進一步的數(shù)字轉(zhuǎn)換后處理，液晶屏上的數(shù)值顯示儀表顯示單條內(nèi)徑尺度；在按照等分數(shù)自動完成一周內(nèi)的內(nèi)徑測量后，自動顯示所測圓周的圖形，同時顯示理論標準圓圖形。

智能型激光圓度儀的工作之前，需進行初始化設(shè)置，即需人工設(shè)定一系列初始參數(shù)，如圓周等分點（如16等分或者32等分）、標準內(nèi)徑尺寸、船名、分段號、殼圈號等，圓度儀會根據(jù)設(shè)定的等分數(shù)自動設(shè)定激光束發(fā)射的旋轉(zhuǎn)角度，并將設(shè)置的初始值存入圓度儀自帶存儲設(shè)備中，作為誤差分析、圖形顯示及記錄識別用。

當設(shè)置的16或者32個數(shù)據(jù)測量點測量完畢，所有采集得到的內(nèi)徑值自動存入圓度儀自帶存儲設(shè)備中，在測量完成后，可以經(jīng)由高速USB接口或RJ45網(wǎng)絡(luò)接口與計算機連接，導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，進行誤差分析。

3.3 功能設(shè)計

圖4 功能模塊圖

智能激光圓度測量儀除了具備激光測距、數(shù)據(jù)采集、軟硬件的交互接口、數(shù)據(jù)存取等常見功能外，還具備自動對中、圓度自動評測、多標準評測對比分析、數(shù)據(jù)報表自動生成及導(dǎo)出等智能性功能模塊。圖4為智能激光圓度測量儀的功能模塊框圖。

4 智能激光圓度測量儀的硬件設(shè)計

由圖1所示的智能激光圓度測量儀的工作原理示意圖可知，圓度儀的硬件設(shè)備主要包括：電源設(shè)備、激光測距設(shè)備、單片機控制設(shè)備、顯示設(shè)備、硬件接口設(shè)備、自動對中機構(gòu)等。整個設(shè)備的硬件構(gòu)成如圖5所示。

圖5 智能激光圓度儀硬件系統(tǒng)框圖

根據(jù)耐壓殼圈圓度要求的技術(shù)指標，選用滿足要求的圓度激光測量平臺器作為圓度儀的激光發(fā)射和接收部件，在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行改裝，完善現(xiàn)成產(chǎn)品與控制單片機的通訊接口模塊。

由于智能激光圓度測量儀采用多種算法的計算比較和復(fù)雜的數(shù)字信號處理方法，并且具有圖像顯示及動態(tài)觸摸交互功能，因此我們選用德州儀器（TI）的最新達芬奇（Da Vinci）處理器—TMS320DM355。

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。

智能激光圓度儀配備三臺步進電機分別控制圓度激光測量平臺的旋轉(zhuǎn)、上調(diào)整平臺和下調(diào)整平臺的對中驅(qū)動，根據(jù)所驅(qū)動的部分不同，配置了不同型號的步進電機，均力求小型化。

智能激光圓度儀在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)自動對中，即自動確定耐壓殼圈圓心位置的功能，該功能依靠使用兩臺步進電機驅(qū)動圓度激光測量平臺、上調(diào)整平臺和下調(diào)整平臺之間的相對位置移動來實現(xiàn)。

由于TechvDM355的I／O口比較充裕，按鍵的檢測是直接通過讀取I／O的電平信號來實現(xiàn)的。圓度儀使用時并不需要復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置。

5 軟件開發(fā)

5.1 軟件開發(fā)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)軟件的主要功能包括電機控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、文件讀取、信號分析和處理、結(jié)果顯示等。出于基于模塊化程序設(shè)計的思想，因此在開發(fā)過程中也是基本上遵循著這一基本思想。在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再進行集成和調(diào)試。在實際設(shè)計中，一般采用由上至下的設(shè)計方法，首先根據(jù)系統(tǒng)的總體需求，將系統(tǒng)劃分為若干個功能模塊。根據(jù)圓度儀的工作需要，該軟件的程序至少應(yīng)包含以下幾個功能模塊：1）電機位置控制模塊；2）數(shù)據(jù)采集模塊；3）通信模塊；4）數(shù)據(jù)分析模塊；5）數(shù)據(jù)輸出模塊。

基于Windows的智能激光圓度測控軟件系統(tǒng)功能模塊總體設(shè)計方案如圖6所示。

5.2 智能激光圓度測控系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

智能激光圓度測控系統(tǒng)按其功能劃分可以分為登錄模塊、基礎(chǔ)參數(shù)管理模塊、數(shù)據(jù)維護模塊、數(shù)據(jù)計算與評定模塊、系統(tǒng)管理模塊。

系統(tǒng)主界面包括菜單欄、左側(cè)導(dǎo)航欄和右側(cè)信息欄三個部分。

1）菜單欄。

菜單欄主要包括文件、編輯、誤差評定、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理等子菜單。

（1）文件。主要包括系統(tǒng)程序中的常見文件操作入口。有新建、打開、最近打開、保存、另存為、關(guān)閉、全部關(guān)閉、打印和退出等菜單項。例如，通過菜單項“新建”可以打開新建圓度測量項目。在新建項目窗口中需要輸入產(chǎn)品、總段、分段、檢驗日期以及負責(zé)人等新建圓度測量項目的所屬信息，然后通過自動導(dǎo)入或者人工輸入測量數(shù)據(jù)的方式新建測量數(shù)據(jù)，如選擇導(dǎo)入數(shù)據(jù)，則在“檢測數(shù)據(jù)來源”欄中通過點擊“瀏覽”按鈕打開要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件，點擊“保存”按鈕后自動導(dǎo)入檢測數(shù)據(jù)；如選擇“人工輸入”，則進入到測點數(shù)據(jù)標簽所指的檢測數(shù)據(jù)輸入窗口（見圖7中主窗口界面）。

圖6 智能激光圓度測控系統(tǒng)功能模塊圖

圖7 系統(tǒng)主界面

（2）編輯。主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入／導(dǎo)出、復(fù)制、剪切、粘貼以及刷新頁面等功能操作菜單項。例如，通過菜單項“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”打開導(dǎo)入數(shù)據(jù)對話框，選擇要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件，點擊“導(dǎo)入”按鈕完成圓度測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作。

（3）誤差評定。主要包括誤差評定和圓度計算兩個模塊，采用特定的誤差評定算法對耐壓殼圈測量的數(shù)據(jù)進行圓度計算，并對圓度進行初步評定，及時預(yù)報圓度是否符合要求。

（4）數(shù)據(jù)管理。該模塊包括對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份和還原操作按鈕，以數(shù)據(jù)的圖形和報表輸出界面入口。

（5）系統(tǒng)管理。主要包括系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)—用戶和產(chǎn)品管理。用戶管理完成系統(tǒng)登錄用戶的數(shù)據(jù)管理，打開的用戶管理界面，可以對用戶表進行增刪改維護。

2）左側(cè)導(dǎo)航欄。

以樹狀目錄的形式對圓度測量數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航，如圖7所示。

用戶通過點擊導(dǎo)航欄上面所列出的產(chǎn)品、分段、部件、零件等目錄節(jié)點打開相應(yīng)的圓度測量詳細信息頁面，詳細信息顯示在右側(cè)主信息窗口。

3）信息欄。

信息欄用于顯示某一圓度測量數(shù)據(jù)信息及其設(shè)置信息、圖形信息等。總體界面如圖7所示。信息欄的信息欄中主要包括產(chǎn)品信息、測點設(shè)置信息、測點數(shù)據(jù)以及測點圖形幾個部分。

（1）產(chǎn)品信息。用于顯示當前節(jié)點對應(yīng)的產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品名稱、型號、編號、負責(zé)人、開工和完工日期等基礎(chǔ)信息。除此之外，還包括總段名稱、編號、檢驗日期、負責(zé)人、開工和完工日期等總段基礎(chǔ)信息，以及分段名稱、編號、檢驗日期、負責(zé)人、開工和完工日期等分段基礎(chǔ)信息。

（2）測點設(shè)置信息。在測點設(shè)置信息窗口中，系統(tǒng)讀取當前節(jié)點對應(yīng)的測點數(shù)量、測點位置和測點布置方案等基本信息顯示，用于瀏覽。

（3）測點數(shù)據(jù)。測點數(shù)據(jù)信息窗口顯示當前選定的檢測部件的詳細圓度數(shù)據(jù)列表。

（4）測點圖形。測點圖形窗口顯示當前選定的檢測部件的實際測量圓度形狀圖形。

該窗口將實測數(shù)據(jù)以圖形形式顯示，同時顯示該圖形的信息描述，包括理論半徑、實測半徑、分段名稱、測點數(shù)量、誤差范圍等信息。

6 結(jié)語

本文針對國內(nèi)船舶耐壓殼圈徑向初撓度撐桿測量法精度較低、人為誤差較大及效率低下的現(xiàn)狀，對激光圓度測量技術(shù)展開研究。研制的用于耐壓殼體圓度測量的樣機能夠廣泛用于我國船舶的生產(chǎn)實際中，提高了耐壓殼圈的圓度測量精度和效率，提高了建造質(zhì)量。

船舶耐壓殼體圓度測量是非常復(fù)雜、要求比較高、影響因素繁多的一項工作，由于個人能力不足及時間和精力的限制，本設(shè)備的軟硬件還存在一些問題需要進一步的研究：

1）智能激光圓度測量儀在數(shù)據(jù)傳輸方面使用上位機和下位機通過串口連接，對數(shù)據(jù)的采集速度勢必會影響速度，目前是暫存于下位機的自身存儲結(jié)構(gòu)中，然后通過USB或RJ45網(wǎng)絡(luò)端口進行導(dǎo)出，如果能夠采用實時無線傳輸?shù)姆绞竭M行實時傳輸、實時采集，設(shè)計出來的圓度測量儀器將更小型化、使用將更方便，效率可能會更高，應(yīng)用范圍會更廣。

2）在設(shè)備的自動對中控制機構(gòu)中，對上下調(diào)整平臺進行驅(qū)動的步進電機使用的位置反饋部件自身精度的限制，會影響對中調(diào)整的精度和速度，以后可以通過提高反饋元件的精度，進一步改善對中效率和效果。

3）智能激光圓度測控系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程中，對數(shù)據(jù)分析的算法實現(xiàn)采用的解決方案存在一定的缺陷，計算會耗時很長，可以通過算法改進提高計算效率、提高評定效果。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光圓度測量技術(shù)的發(fā)展也日新月異，新技術(shù)新工藝的迅猛發(fā)展對機械制造業(yè)和質(zhì)量控制檢測技術(shù)的發(fā)展也提出了更進一步的要求，開展新型、高精度的耐壓殼體圓度測量設(shè)備，對船舶建造質(zhì)量的控制和提高生產(chǎn)效率必然起著不可估量的作用，該論文的研究與應(yīng)用對我國船舶建造過程中耐壓殼圈的建造質(zhì)量有著重要的意義。

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