光學技術(shù)在實驗參數(shù)測試中的應用

李姝佳，馬勛勛

（東華大學機械工程學院，上海201620）

0 引 言

光學測量技術(shù)是幾何量測量的一個重要手段，是集光電技術(shù)和機械測量于一體，通過計算機技術(shù)能夠快速、準確地測量，具有很高的測量精度［1］。光學測量因其非接觸性、測試精度高和高分辨率等優(yōu)點［2］，已被廣泛應用于測量和現(xiàn)代工業(yè)檢測［3］，如常用光學方法測量角度［4-6］、定位［7］等，還用于檢測機械產(chǎn)品的零件尺寸、孔徑［8］和行為誤差等。

材料的結(jié)構(gòu)根據(jù)其尺寸通常分為微觀（10-6～10-10m）、細觀（10-3～10-6m）及宏觀（10-3m 及以上）。對于微觀結(jié)構(gòu)的材料，需要使用高倍電子顯微鏡對其尺寸進行測量；對于細觀結(jié)構(gòu)材料，通常借助于光學顯微鏡來完成尺寸的測量；而宏觀結(jié)構(gòu)尺寸可借助一般工具通過肉眼分辨測量其尺寸。纖維、紗線以及由其集合而成的繩、帶、織物等，通常屬于細觀結(jié)構(gòu)尺寸的特殊材料。在實驗測試中，常采用電鏡掃描、原子力顯微鏡等成熟儀器完成其表面形態(tài)和截面形貌的測量［9］。

結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性可利用傳感器的測試來得到，按傳感器與被檢測對象的關(guān)聯(lián)方式可分為接觸式和非接觸式。接觸式的優(yōu)點是傳感器與被檢測對象視為一體，且無須現(xiàn)場標定；缺點為接觸式傳感器對被測對象的動態(tài)特性有影響。非接觸式的優(yōu)點為消除了接觸式傳感器對被測對象的影響，提高了測試精度；缺點是非接觸式傳感器受到被檢測對象與傳感器之間介質(zhì)的影響。如電渦流傳感器與被檢測對象之間的距離有特定的要求［10］。卷繞機是化纖長絲生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵裝備。在聚酯切片熔融、噴絲成型、牽伸為長絲后，通過卷繞機將紡絲成形的纖維卷繞成為卷裝。卷繞機錠軸的動態(tài)特性直接影響長絲及卷裝的質(zhì)量。因此，錠軸的動態(tài)測試與研究是自主研發(fā)高性能卷繞機時不可或缺的內(nèi)容。符合工藝要求的卷繞系統(tǒng)是由錠軸、卷裝和接觸輥所形成的轉(zhuǎn)速、質(zhì)量時變，柔性支承參數(shù)頻變的高速柔性復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

針對細觀結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)以及卷繞系統(tǒng)錠軸的動態(tài)特性測試，本文提出了一種利用基恩士光學技術(shù)——Keyence光學測微儀進行實驗參數(shù)測試方法，并分別設(shè)計了相應的試驗裝置，進行了測試和結(jié)果數(shù)據(jù)分析，驗證了該兩方案的可行性。

1 Keyence光學測微儀測量原理

Keyence 光學測微儀是集被測物體信息感知、圖像信號處理、數(shù)據(jù)分析處理而實現(xiàn)被測物體細觀結(jié)構(gòu)與動態(tài)參數(shù)快速準確測量的光學測微系統(tǒng)。

該測試儀器主要有四大系統(tǒng)：① 高亮度INGAN綠色LED。光強度均勻、耐電磁場輻射、不傷眼睛；②HUD（High Uniform Diffusion）單元與準直透鏡系統(tǒng)。通過LED光覆蓋全部范圍均一漫射，可發(fā)出光強度均勻的平行光；③ W 遠心光學系統(tǒng)。W 遠心鏡頭可確保僅平行光用于成像，即使物體與鏡頭之間的距離發(fā)生變化，CMOS 上圖像的大小也不會改變；④ 準確定位亞像素處理。從CMOS 上成像的投影中，僅針對指定量測區(qū)域內(nèi)的輪廓線進行準確定位抽取和亞像素處理，可達到高速和高精度，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 Keyence光學傳感器測試原理

測量時，檢測對象將被轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到檢測對象的目標形態(tài)信息。根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，得到檢測對象的幾何參數(shù)，例如測量其尺寸、角度和振動幅值等。Keyence 光學測微儀的部分相關(guān)參數(shù)如下：Keyence光學測微儀型號LS-9030，最小檢測物體0.3 mm，測量精度±2 μm，重復精度±0.1 μm，測量范圍0.3 ～30 mm，發(fā)射器與接收器間距離（160 ±40）mm，采樣周期16 ×103次/s。

2 細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗測試中應用

采用電鏡掃描、原子力顯微鏡等測試方法均基于靜態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)測試，對于纖維集合體這類特殊的結(jié)構(gòu)，測試時材料結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)對測試結(jié)果影響非常大。因此，測試這一類細觀結(jié)構(gòu)尺寸的外徑時，需要試制一種可圍繞夾持的實驗樣本相對轉(zhuǎn)動的測試裝置，如圖2 所示。本文試制的測試裝置使用時，被測試對象不動，傳感器以被測試對象為軸心相對轉(zhuǎn)動，由此獲取測試對象不同截面上的直徑尺寸信息。

圖2 細觀結(jié)構(gòu)截面參數(shù)測量裝置

本文以測試化纖長絲束截面形態(tài)和拉伸性能為例，基于Keyence光學技術(shù)試制了一種新的實驗測試裝置。為滿足測試時長絲束張力可調(diào)，采用直線運動導軌對長絲束進行牽伸，如圖3 所示。

圖3 長絲束拉伸狀態(tài)控制單元

如圖2、3 所示，長絲束測試由Keyence 光學測微儀、夾持單元、牽伸狀態(tài)控制單元及支撐框架組成。被測化纖長絲束由專用的夾持單元固定在測試儀上，通過直線運動導軌夾持長絲束完成絲束拉伸、靜止或運動的狀態(tài)，同時由Keyence 光學測微儀繞被測物體360°做旋轉(zhuǎn)運動，測試被測物體截面外包絡(luò)線直徑，測試現(xiàn)場照片如圖4 所示。

為了驗證所設(shè)計測試長絲束截面包絡(luò)線試驗裝置的正確性，本文對（3 ±0.002）mm 的標準鎢鋼塞規(guī)進行了試驗測試，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 實驗測試現(xiàn)場

圖5 試制的測試裝置對鎢鋼塞規(guī)的驗證性測試

由圖5 測試結(jié)果可知，測試得到的鎢鋼塞規(guī)動態(tài)截面直徑為3.002 ～3.006 mm，計算所得測試鎢鋼塞規(guī)的包絡(luò)線如圖6 所示。說明試制的細觀結(jié)構(gòu)截面參數(shù)測試裝置的用于測試細小截面的物體（例如化纖長絲束、產(chǎn)業(yè)用紗線等）時有較高的測量精度。

圖6 鎢鋼塞規(guī)包絡(luò)線測試并計算截面面積（S ＝ 4.7190 7 mm2）

保證了所試制試驗裝置正確性的前提下進行長絲束截面包絡(luò)線參數(shù)測試。試驗用樣本為滌綸長絲POY，其參數(shù)為220 dtex/72。實驗測試時長絲束牽伸長度為0.01%，實驗環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度為65%，圖7 所示分別為單束和2 束絲線的截面外包絡(luò)線尺寸的測試結(jié)果。

根據(jù)該實驗測試得到的不同橫截面上的直徑，選擇穩(wěn)定周期的一組數(shù)據(jù)，如圖7 中的周期T，最后通過MATLAB處理圖7 中穩(wěn)定周期數(shù)據(jù)并通過積分完成截面面積的計算，進而可為拉伸模量等的計算提供準確參數(shù)，單束和2 束絲線的包絡(luò)線和截面面積計算結(jié)果如圖8 所示。

圖7 橫截面外包絡(luò)線尺寸測試結(jié)果

圖8 化纖長絲束實際截面形狀與面積

由圖8 可知，測試得到的長絲截面不規(guī)則的形狀，相比長絲假設(shè)為圓截面或橢圓截面的理想化方法［11］，基于Keyence光學技術(shù)提供了一種精確度高的測試細觀結(jié)構(gòu)體截面的方法，而且能測試動態(tài)、靜態(tài)及拉伸等不同情況下的材料截面形貌及形狀參數(shù)。就長絲束而言，測試得到的結(jié)果為長絲束的質(zhì)量及后續(xù)織物的質(zhì)量評估提供了實際的參考，同時也為織物的織設(shè)計提供了精確的參數(shù)依據(jù)。

3 振動系統(tǒng)實驗參數(shù)測試中應用

根據(jù)工藝需要，卷裝既要求卷繞密度大，以增加容量，又要求外觀形狀符合規(guī)定且絲線鋪放均勻不塌邊，同時便于在后續(xù)工序中長絲可順利退繞。該系統(tǒng)中的動力學問題是卷繞機動態(tài)設(shè)計與技術(shù)中的關(guān)鍵問題。卷繞機具有以下特點：

（1）錠軸與接觸輥轉(zhuǎn)速高。目前滌綸長絲生產(chǎn)工藝，卷繞線速度高達6 000 m/min，為保持卷繞線速度恒定，隨著卷裝直徑的增大，錠軸轉(zhuǎn)速由18 000 r/min逐漸下降至3 000 r/min，完成一個周期的長絲卷繞；

（2）錠軸轉(zhuǎn)速隨著卷裝半徑增大逐漸減小，形成變轉(zhuǎn)速、變質(zhì)量的時變系統(tǒng)；

（3）卷繞到一定絲層厚度時接觸輥開始于卷裝表面接觸并有一定的接觸壓力，“錠軸-卷裝-接觸輥”是結(jié)構(gòu)耦合的復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

為了方便滿卷后的退卷工藝，錠軸結(jié)構(gòu)為外伸懸掛式的。錠軸的動態(tài)特性直接影響卷繞卷裝的質(zhì)量，振動大會造成長絲纏繞軌跡不穩(wěn)定，且會使長絲的張力波動大導致卷繞卷裝的質(zhì)量不高。故本文提出了一種利用Keyence光學測量技術(shù)測試錠軸動態(tài)特性的方法，如圖9 所示。

圖9 卷繞機錠軸動態(tài)測試

本文測試對象為金緯某型號滌綸長絲卷繞機，為了研究錠軸在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速6 820 r/min 時豎直方向的位移振動特性，試制了適用Keyence 光學測微儀安裝固定的支撐架，測試錠軸端頭底部的位移振動幅值，測試時間為80 s，因Keyence 光學測微儀存儲測量點數(shù)限制，故本文在70 s 后開始保存測試數(shù)據(jù)，測試記錄數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 錠軸端部在豎直方向的位移振動特性

由圖10 可知，卷繞機錠軸在6 820 r/min 空轉(zhuǎn)時錠軸的位移振動幅值0.125 mm，動態(tài)特性比較穩(wěn)定。由于Keyence光學測微儀控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲點數(shù)有限，若測試時間較長，需要通過LMS SCADAS Mobile一起配合使用進行長時間的數(shù)據(jù)采集，即Keyence 光學測微儀作為一種非接觸式位移傳感器使用。

本文通過Keyence光學測微儀解決了卷繞機錠軸高速轉(zhuǎn)動時端部位移振動幅測試難的問題。本實驗可為錠軸柔性轉(zhuǎn)子數(shù)學建模分析提供可靠的實驗分析與驗證數(shù)據(jù)，也為其他旋轉(zhuǎn)機械的試驗研究提供一種新的測試方法。

4 結(jié) 語

本文基于Keyence光學測微儀提出了兩類實驗參數(shù)測試——細觀結(jié)構(gòu)材料的截面參數(shù)測試、高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子）系統(tǒng)的振動參數(shù)測試的參考方案，設(shè)計的實驗裝置具有定標簡單、安裝便捷、操作簡單等優(yōu)點。本文以長絲束截面參數(shù)測量和卷繞機錠軸的振動特性測試為例，基于Keyence 光學測微儀試制了對應實驗測試裝置，對絲線束截面包絡(luò)線尺寸和卷繞機錠軸的振動位移幅值進行了試驗測試，快速、準確地得到了所需長絲束截面參數(shù)和錠軸的動態(tài)特性，驗證了Keyence 光學測微儀在實驗測試時的準確性、高效性。為其他類似結(jié)構(gòu)的試驗研究提供一種測試系統(tǒng)設(shè)計的參考。