基于CCD傳感器的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁 勃， 張桂香， 陳根余， 周 聰， 鄧 將

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

激光修整砂輪是利用激光的熱去除作用對(duì)砂輪進(jìn)行整形和修銳，使砂輪獲得良好的幾何形狀精度和地形地貌，從而改善其磨削加工性能[1]。激光整形砂輪時(shí)，為使砂輪獲得良好的輪廓形狀，需要根據(jù)砂輪的實(shí)際輪廓信息對(duì)其表面的高點(diǎn)進(jìn)行選擇性地激光去除或損傷。砂輪輪廓的精確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)激光整形砂輪的關(guān)鍵。砂輪輪廓的測(cè)量方法有接觸式和非接觸式兩大類[2]。由于接觸式測(cè)量方法測(cè)量時(shí)存在機(jī)械作用力，因此,其主要適用于靜態(tài)或低速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下測(cè)量砂輪輪廓。非接觸式砂輪輪廓測(cè)量方法不存在測(cè)量工具與砂輪的直接接觸，更適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量砂輪輪廓。

激光三角法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量實(shí)時(shí)性好，在工業(yè)中的長(zhǎng)度、距離和三維形貌等檢測(cè)中應(yīng)用廣泛[3]。本文在分析了激光三角法測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，采用基于三角法的CCD激光位移傳感器、精密電控移動(dòng)平臺(tái)和DSP等搭建砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)。利用DSP芯片設(shè)計(jì)傳感器控制和數(shù)據(jù)處理電路，以使砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)能滿足激光修整砂輪過(guò)程中的輪廓測(cè)量要求。通過(guò)傳感器測(cè)量精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和電鍍金剛石砂輪激光修整實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證傳感器的測(cè)量精度和砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)在激光修整砂輪中的實(shí)用性。

1 激光三角法測(cè)量原理分析

激光三角法的基本測(cè)量原理如下：由光源發(fā)出的一束激光照射在待測(cè)物體表面上，通過(guò)反射最后在檢測(cè)器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過(guò)像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系式，真實(shí)的物體位移可以由對(duì)像移的檢測(cè)和計(jì)算得到[4]。

典型的激光三角法測(cè)量系統(tǒng)采用的光路設(shè)計(jì)如圖1所示。其中,O點(diǎn)為測(cè)量激光光軸與成像物鏡光軸的交點(diǎn)，該點(diǎn)常被作為測(cè)量參考點(diǎn);D為激光出光平面至被測(cè)表面參考點(diǎn)的距離;α為測(cè)量激光光軸與成像物鏡光軸的夾角；β為檢測(cè)器激光接收表面與成像物鏡光軸的夾角;s和s′分別是物距和像距；δ為目標(biāo)物的實(shí)際位移;d為檢測(cè)器上成像點(diǎn)的位移即像移。

圖1 三角法測(cè)量系統(tǒng)典型光路圖

根據(jù)Scheimpflug條件[5]：當(dāng)目標(biāo)物偏離參考點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)器上仍能清晰成像，則系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)必須滿足激光光軸、檢測(cè)器接收面、成像物鏡的中心面三者交于一點(diǎn)(或者三者互相平行)，如圖1中的交點(diǎn)X。目標(biāo)物的實(shí)際位移δ與相移d的關(guān)系表達(dá)式的推導(dǎo)如下：

由圖1中△P′NA∽△PMA，可得

(1)

根據(jù)幾何關(guān)系，將各參數(shù)代入得

(2)

化簡(jiǎn)后,δ與d的關(guān)系式為

(3)

由上式可見(jiàn)δ與d間的關(guān)系是非線性的。當(dāng)實(shí)際位移δ?s′時(shí)，相應(yīng)的像移d也變小，上式可近似寫成

(4)

式(4)表明，當(dāng)測(cè)量范圍較小時(shí)，像移與目標(biāo)物的實(shí)際位移間的關(guān)系可近似為線性關(guān)系。綜上所述，采用三角法測(cè)量位移時(shí)，總是存在非線性誤差；但當(dāng)被測(cè)位移很小時(shí)，該非線性誤差可以忽略。砂輪輪廓的變化常在微米級(jí)，因而采用激光三角法測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)砂輪輪廓的高精度測(cè)量。

2 砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于激光三角法測(cè)量原理，本文搭建的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要由基于三角法的激光位移傳感器、精密電控移動(dòng)平臺(tái)以及基于DSP的傳感器控制和數(shù)據(jù)處理模塊等構(gòu)成。

激光位移傳感器選用基恩士公司LK—G系列的一維高速、高精度CCD激光位移傳感器(型號(hào)為L(zhǎng)K—G80)。該傳感器由控制器和感測(cè)頭組成，如圖2所示。感測(cè)頭內(nèi)采用的是一個(gè)三角測(cè)量系統(tǒng)，由點(diǎn)光源半導(dǎo)體激光器、高精度物鏡單元和直線型CCD等元件構(gòu)成。控制器主要對(duì)感測(cè)頭的輸出信號(hào)進(jìn)行快速、高精度的放大、濾波和存儲(chǔ)等處理。傳感器的測(cè)量分辨率可達(dá)0.2 μm，測(cè)量精度為±0.05 %F.S.(F.S.=±15 mm)，且測(cè)量精度不受被測(cè)物體表面顏色和材質(zhì)等的影響，測(cè)量速度最快可達(dá)50 kHz。精密電控移動(dòng)平臺(tái)為XY雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其分辨率為1.25 μm，運(yùn)動(dòng)直線度為5 μm。傳感器的控制和數(shù)據(jù)處理模塊選用TI公司高性能DSP芯片TMS320F28335作為主控制器。F28335的CPU內(nèi)核為32位，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，外設(shè)功能豐富，專用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制。傳感器的測(cè)量操作由DSP控制模塊控制。

為減小砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的垂直振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器應(yīng)水平安裝，如圖2所示。同時(shí)需保證傳感器的測(cè)量光線沿砂輪徑向入射，以減小傳感器安裝不當(dāng)引入的測(cè)量誤差。砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如下：如圖2所示，砂輪以一定的線速度轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器則快速采樣測(cè)量砂輪一周的輪廓；完成一圈的測(cè)量后，精密電控移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)感測(cè)頭沿砂輪軸向進(jìn)給一個(gè)步長(zhǎng)，感測(cè)頭繼續(xù)對(duì)進(jìn)給后砂輪一周的輪廓進(jìn)行快速的采樣測(cè)量。如此逐漸完成對(duì)砂輪整個(gè)表面輪廓的測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中需綜合考慮傳感器的測(cè)量采樣率、砂輪的線速度和電控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)給步長(zhǎng)等，以實(shí)現(xiàn)高精度地測(cè)量砂輪輪廓。

圖2 砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)原理方框圖

激光修整砂輪時(shí)，一方面需根據(jù)砂輪整個(gè)表面輪廓的信息，分析得出理想的輪廓參數(shù)；另一方面，又要求能快速測(cè)量出砂輪表面顆粒的高度值[6]?；贒SP的傳感器控制和數(shù)據(jù)處理模塊即是為了砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)能滿足上述需求而設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路。其原理方框圖如圖3所示，上方為串行通信通道，用于在測(cè)量砂輪整個(gè)表面輪廓的過(guò)程中傳送DSP的控制命令和傳感器存儲(chǔ)的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。下方為單向模擬通道，可實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量結(jié)果的快速輸出。

具體的電路設(shè)計(jì)如下：串口通信的電平轉(zhuǎn)換電路由Maxim 3232芯片等組成，實(shí)現(xiàn)DSP與傳感器的數(shù)字輸出接口間的電平轉(zhuǎn)換。傳感器輸出接口電路主要包含兩部分，如圖4所示，肖特基二極管1N5819和REF3025組成的電壓鉗位電路，運(yùn)放芯片AD8021搭建電壓跟隨電路。由于傳感器的模擬輸出有可能超出DSP引腳允許的0～3 V的輸入電壓范圍，因此，通過(guò)鉗位電路對(duì)DSP芯片進(jìn)行保護(hù)。電壓跟隨電路用于提高傳感器輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 激光修整砂輪系統(tǒng)原理框圖

圖4 傳感器輸出接口電路

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 傳感器精度驗(yàn)證與砂輪修整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在搭建砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，本文采用進(jìn)給精度為1.25 μm的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)CCD位移傳感器的測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的方案如下：精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以2.5 μm的步長(zhǎng)做單步進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，然后采用傳感器測(cè)量精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移，并將傳感器的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算位移值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖中曲線由50組采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成，可見(jiàn)傳感器的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值的線性吻合度較高。通過(guò)與理論計(jì)算直線比較，可得傳感器的測(cè)量誤差在7 μm以內(nèi)。砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)主要利用CCD傳感器的測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)輪廓測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且無(wú)其他測(cè)量裝置，如圖2所示。因此，可近似認(rèn)為傳感器的測(cè)量精度即為砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。砂輪輪廓的測(cè)量精度則與傳感器的安裝精度、砂輪的回轉(zhuǎn)精度等因素有關(guān)。

圖5 傳感器測(cè)量精度標(biāo)定曲線

基于本文的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)，開展了電鍍金剛石砂輪激光修整實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖6所示，主要包含砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)、精密平面磨床、光纖激光器、電鍍金剛石砂輪和PC機(jī)等裝置。圖6中激光燒蝕頭引導(dǎo)加工激光的方向,精密手動(dòng)微調(diào)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)感測(cè)頭的微動(dòng)調(diào)節(jié),磨床為砂輪提供合適的轉(zhuǎn)速。砂輪圓周方向整圈的修整過(guò)程如下：傳感器先測(cè)量砂輪整個(gè)圓周方向上的輪廓，輪廓測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)圖3中的串口通信通道傳送給DSP;然后，通過(guò)DSP軟件分析砂輪輪廓的分布情況，確定激光修整砂輪的高度閾值。對(duì)于砂輪輪廓上測(cè)量值大于高度閾值的顆粒，進(jìn)行激光去除；反之，輪廓上測(cè)量值小于高度閾值的顆粒，則不予修整。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用本文設(shè)計(jì)的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出激光修整前后砂輪輪廓的變化。如圖7和圖8分別為砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得激光修整前后電鍍金剛石砂輪的輪廓，橫坐標(biāo)共2萬(wàn)個(gè)采樣點(diǎn)，是傳感器采樣砂輪輪廓兩圈的結(jié)果；縱坐標(biāo)為采樣點(diǎn)的高度值，即砂輪輪廓的分布情況。實(shí)驗(yàn)中激光修整砂輪的高度閾值為0.175 mm。對(duì)圖7和圖8可以看出:系統(tǒng)測(cè)得砂輪表面高于0.175 mm的顆粒經(jīng)激光修整后，其高度都被降低至0.175 mm附近。部分顆粒由于激光修整系統(tǒng)的整體誤差，其修整后的高度值仍高出修整閾值約20 μm。

圖7 激光修整前砂輪輪廓

圖8 激光修整后砂輪輪廓

為驗(yàn)證輪廓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用超景深三維顯微鏡對(duì)圖8中高度值發(fā)生了變化的砂輪顆粒進(jìn)行觀測(cè)。如圖9所示，砂輪表面的高點(diǎn)經(jīng)激光修整后，表面有燒蝕痕跡，其高度值由于部分材料被去除而降低。經(jīng)顯微鏡的軟件測(cè)量分析，其高度值減小量為20～150 μm。選擇多個(gè)不同的高點(diǎn)，其觀測(cè)結(jié)果都有類似的規(guī)律，與輪廓測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果相匹配。但輪廓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量砂輪輪廓時(shí)的具體精度，則需通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

1)基于激光三角法測(cè)量原理，采用CCD激光位移傳感器、精密電控移動(dòng)平臺(tái)和DSP等搭建的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)砂輪輪廓的準(zhǔn)確測(cè)量。砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)7 μm。

2)實(shí)驗(yàn)證明：所搭建的砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)可應(yīng)用于激光修整砂輪系統(tǒng)，輔助實(shí)現(xiàn)砂輪的激光修整；具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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