基于激光位移傳感器的非接觸三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)

王琦楠，趙麗琴，崔健，王彪，馬清艷，盧倩，楊永強(qiáng)

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036; 3. 陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐秦皇島地區(qū)軍事代表室，河北 秦皇島 066000)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)自由曲面零件的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。目前，對(duì)高精度自由曲面的檢測(cè)，主要依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量[1]。采用接觸法的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[2]，但在實(shí)際使用過(guò)程中，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)環(huán)境溫度、濕度、氣源氣壓有一定要求[3-4]，且測(cè)量效率低，無(wú)法滿足流水線高速生產(chǎn)的需求[5]。在對(duì)易變形工件測(cè)量時(shí)，測(cè)頭的接觸可能導(dǎo)致工件變形使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；對(duì)于尺寸較小的零件，接觸式測(cè)頭由于本身的半徑問(wèn)題也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[6]。

由于傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x接觸式測(cè)量方法存在以上諸多不足，限制了其應(yīng)用范圍，非接觸測(cè)量因其高效、無(wú)磨損、采樣快、無(wú)半徑補(bǔ)償?shù)戎T多優(yōu)勢(shì)而受到越來(lái)越多的重視和青睞[7]。三坐標(biāo)的發(fā)展促進(jìn)了新型測(cè)頭的研制，測(cè)頭由接觸式逐漸向非接觸式測(cè)頭的改變使得三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)要求的不斷提高，又要求不斷推出各種新型非接觸測(cè)頭。激光位移傳感器是在激光技術(shù)和CCD技術(shù)迅速發(fā)展的前提下應(yīng)運(yùn)而生的一種高精度位移傳感器，具有非接觸、效率高、輕巧簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[8]。劉其廣等人利用激光三角測(cè)量原理在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了激光非接觸測(cè)量大型復(fù)雜曲面透明件的實(shí)踐探究[9]；周葉等人使用激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)橢圓弧齒線圓柱齒輪的非接觸測(cè)量[10]；史一露等人提出了一種基于激光位移傳感器的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)方法。實(shí)現(xiàn)了輪緣高、輪緣厚和車輪直徑的自動(dòng)測(cè)量，具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足城軌車輛輪對(duì)測(cè)量及維修的需要，應(yīng)用廣泛。

本文在滿足實(shí)際需求的前提下，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于激光位移傳感器的非接觸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)ぜ砻嫣卣鼽c(diǎn)的尺寸和數(shù)據(jù)進(jìn)行快速測(cè)量及處理，自動(dòng)生成表格輸出。該系統(tǒng)不僅效率高，精度高，還具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的基于激光位移傳感器的三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)有機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。PLC主要負(fù)責(zé)底層邏輯控制，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)直線模組。直線模組帶有磁柵尺，磁柵尺信號(hào)通過(guò)RS485接口回傳至PLC形成全閉環(huán)系統(tǒng)，保證模組運(yùn)動(dòng)精度。在模組裝配的末端安裝激光位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面尺寸的測(cè)量。激光位移傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器由RS485轉(zhuǎn)為USB直接連接到工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)控制。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)設(shè)備整體運(yùn)行過(guò)程控制，用戶可以通過(guò)交互界面對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和操作。工控機(jī)與PLC之間通過(guò)MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

圖1 三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的組成

1.2 系統(tǒng)工作流程

設(shè)備整體工作流程如圖2所示。開機(jī)后，系統(tǒng)開始自檢。自檢通過(guò)后，系統(tǒng)進(jìn)行回零，用戶需要設(shè)計(jì)檢測(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)并規(guī)劃路徑。完成后用戶通過(guò)掃碼槍輸入待測(cè)件批次號(hào)即可開始測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試完成后打印測(cè)試報(bào)告，一個(gè)工作流程即完成。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案

設(shè)備整體機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為外框架、測(cè)量平臺(tái)、模組運(yùn)動(dòng)平臺(tái)三部分，如圖3所示。外框架采用工業(yè)鋁型材搭建。工業(yè)鋁型材規(guī)格多樣，連接件繁多，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)組裝，搭建方便快捷，且不易變形，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。測(cè)量平臺(tái)為大理石平臺(tái)。大理石平臺(tái)在常溫下也能保持測(cè)量精度，不磁化，測(cè)量時(shí)能平滑移動(dòng)，無(wú)滯澀感，不受潮濕影響。同時(shí)由于外框架底座裝配的安裝精度要求不高，方便設(shè)備整體裝配。模組裝配整體安裝在測(cè)量平臺(tái)上，由XYZ模組組成龍門式結(jié)構(gòu)，末端帶動(dòng)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。模組選用SATA直線定位滑臺(tái)的F特殊防塵系列，其中x軸行程為1800mm，y軸行程為1200mm，z軸行程為150mm。

圖3 設(shè)備整體機(jī)械結(jié)構(gòu)三維造型圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)包括空氣開關(guān)、繼電器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、開關(guān)電源、PLC、激光位移傳感器和工控機(jī)等。其中PLC主要實(shí)現(xiàn)底層運(yùn)動(dòng)控制和邏輯，其接線圖如圖4所示。

圖4 PLC模塊接線圖

PLC選用臺(tái)達(dá)DVP15MC11T-06。 DVP-15MC 系列運(yùn)動(dòng)控制器是臺(tái)達(dá)自主研發(fā)的基于 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它遵循CANopen DS301基本通訊協(xié)議和 DSP402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議。 PLC通過(guò)CANopen對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)RS485接口讀取磁柵尺數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模組全閉環(huán)控制，模組有效精度0.03mm。伺服驅(qū)動(dòng)器選用臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列。

上位機(jī)交互界面采用C#開發(fā)。軟件通過(guò)USB接口經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光位移傳感器的信號(hào)控制與讀取。對(duì)PLC的讀寫通過(guò)網(wǎng)絡(luò)MODBUS TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)慣量匹配

慣量匹配是指電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量和負(fù)載慣量的匹配。通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載慣量來(lái)選取合適慣量大小的電機(jī)，有利于提高伺服精度和瞬態(tài)響應(yīng)特性。

對(duì)于x軸直線模組，其系統(tǒng)慣量為

JLx=2J絲杠X+2J傳動(dòng)桿X+J負(fù)載X

(1)

x軸絲杠、傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載慣量分別為：

(2)

(3)

(4)

其中：ρ=7.8×103kg·m3；x軸絲杠長(zhǎng)度L絲杠X=2 068mm；絲杠直徑D絲杠X=25mm；傳動(dòng)桿長(zhǎng)度L傳動(dòng)桿X=555mm；傳動(dòng)桿直徑D傳動(dòng)桿X=30mm；x軸滑臺(tái)負(fù)載M負(fù)載X包括滑臺(tái)本身質(zhì)量、Y模組質(zhì)量、Z模組質(zhì)量與末端負(fù)載以及各連接板質(zhì)量。x軸絲杠導(dǎo)程Pbx=10mm。

綜上，

JLx=2J絲杠X+2J傳動(dòng)桿X+J負(fù)載X=20.478 6×10-4kg·m2

(5)

同理可得：

JLy=J絲杠Y+J負(fù)載Y=2.173 8×10-4kg·m2

(6)

JLz=J絲杠Z+J負(fù)載Z=0.191 7×10-4kg·m2

(7)

3.3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

為保證伺服電機(jī)正常工作，需計(jì)算系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)矩。伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩之和，保證伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

以X模組為例，其轉(zhuǎn)矩

TLx=T加速X+T負(fù)載X

(8)

x軸加速轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為：

(9)

(10)

綜上，

TLx=T加速X+T負(fù)載X=0.504 1N·m

(11)

同理可得：

TLy=T加速Y+T負(fù)載Y=0.103 8N·m

(12)

TLz=T加速Z+T負(fù)載Z=0.021 6N·m

(13)

3.4 伺服電機(jī)選型與參數(shù)設(shè)定

根據(jù)計(jì)算所得的負(fù)載慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)矩選取電機(jī)， 各軸伺服電機(jī)型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1 各軸伺服電機(jī)型號(hào)及參數(shù)

其中x軸JLx=20.478 6×10-4kg·m2，遠(yuǎn)大于普通伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，考慮增加減速機(jī)，其最佳減速比為

(14)

實(shí)際選取減速機(jī)i=5。故：

(15)

(16)

(17)

表2列出了常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意慣量比推薦范圍。

表2 常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意慣量比推薦范圍

所以，選取伺服電機(jī)滿足工作條件，x、y、z軸電機(jī)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載慣量比設(shè)置分別為1、8、6。

4 軟件數(shù)據(jù)處理算法

為了提高測(cè)量效率，測(cè)量系統(tǒng)為用戶提供了動(dòng)態(tài)測(cè)量的選項(xiàng)。激光位移傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，由于外界震動(dòng)導(dǎo)致傳感器回傳數(shù)據(jù)發(fā)生震蕩，使得設(shè)備在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的數(shù)據(jù)可信度降低，重復(fù)性差。為此，在對(duì)信號(hào)原始數(shù)據(jù)的采集基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中使用了移動(dòng)均值法對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行平滑，再使用傅里葉曲線擬合出數(shù)據(jù)曲線，以提高設(shè)備的動(dòng)態(tài)測(cè)量性能。其中移動(dòng)均值法公式如式(18)所示。

Ft=(At-1+At-2+At-3+…+At-n)/n

(18)

式中：Ft表示對(duì)下一期的預(yù)測(cè)值；n表示移動(dòng)平均的時(shí)期個(gè)數(shù)；At-n表示前n期的實(shí)際值。

對(duì)于傅里葉曲線擬合，其表達(dá)式如式(19)所示。

(19)

測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的一組原始數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 激光位移傳感器原始信號(hào)

由圖5可以看出，傳感器在靜態(tài)測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)基本沒(méi)有跳動(dòng)。在伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回傳數(shù)據(jù)發(fā)生了不規(guī)則震蕩。同時(shí)可以看到，在伺服啟動(dòng)和停止瞬間，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。

在軟件數(shù)據(jù)處理上，首先使用了移動(dòng)均值法對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行平滑，再對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉擬合。擬合結(jié)果如圖6所示(因本刊黑白印刷，如有疑問(wèn)可咨詢作者)。

圖6 激光位移傳感器回傳數(shù)據(jù)處理前后對(duì)比

從圖6中可以看出，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，明顯消除了運(yùn)動(dòng)中測(cè)量數(shù)據(jù)的震蕩和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)及停止瞬間的數(shù)據(jù)跳變，提高了測(cè)量的效率和測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

測(cè)量結(jié)果如表3、表4所示。與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果比較，對(duì)硬質(zhì)工件測(cè)量時(shí)，兩者測(cè)量結(jié)果基本一致；在易變形工件的測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性明顯優(yōu)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；而且克服了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不能測(cè)量軟質(zhì)物體的缺點(diǎn)，具有實(shí)用性和便利性。

表3 硬質(zhì)工件測(cè)量結(jié)果比較 單位：mm

表4 易變形工件(某型號(hào)彈翼翼尖)測(cè)量結(jié)果比較 單位：mm

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述的測(cè)量系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，安裝快捷；伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能夠達(dá)到預(yù)期精度要求和響應(yīng)速度。

基于激光位移傳感器的非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作環(huán)境要求低，檢測(cè)效率高。x向行程1800mm，y向行程1200mm，z向行程150mm，定位精度0.03mm，激光位移傳感器重復(fù)測(cè)量誤差0.002mm，絕對(duì)誤差0.04mm。可適用于精度要求一般的流水線產(chǎn)品尺寸的快速測(cè)量。