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

現代船舶的耐壓結構通常設計成圓柱、圓錐、球等形狀規則的幾何體。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系。

在現有的科技水平和建造工藝條件下，耐壓結構在加工、裝配、焊接過程中，不可避免的要產生超差變形，使結構偏離正確的形狀，超出安全系數。上述變形在耐壓肋骨或耐壓殼圈上表現為徑向的偏差，即殼圈初撓度。大量的結構模型試驗表明，結構的毀壞，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量控制非常關鍵。

目前，國內耐壓殼圈徑向初撓度一般采取撐桿法進行測量。從船舶建造實踐統計中發現，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，讀數和記錄不準確等，此外還有測量工具和環境的影響，因此需要新的測量方法來提高圓度誤差測量精度。

2 圓度測量發展現狀

圓度誤差是研究許多其它形位誤差的基礎，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。歐美和日本等工業發達國家和地區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。從其發表的大量技術文獻和遍布全球、廣受歡迎的各種先進測量儀器和設備，便可清楚的看出這些國家和地區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，都處于國際領先地位，代表著國際最高水平［1～3］。

隨著計算機技術和光電技術的發展，出現了基于激光技術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結構相似，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射器和接收器在工件的同一側，結構比較緊湊，而且量程較大，所以安裝調試方便，當所用激光發生器發射的光點足夠小時，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元件集成在一個密閉體中，結構簡單緊湊，方便安裝，具有非常高的直線性和抗干擾性，即使在比較高的轉速情況下，也可以采集到有效的測量點數，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。

基于激光技術的圓度誤差檢測方法的主要優點［10］有：檢測精度高，響應速度快；非接觸，不損傷工件表面質量，檢測系統也不會因測量頭的磨損而降低精度；受環境因素干擾小，可以用于在線測量。不足之處有：衍射法和掃描法因激光發生器和接收器所需空間較大，受具體檢測環境限制，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，這就使得實際應用中調整困難，當工件高速旋轉時，甚至存在一定的危險。另外，基于激光技術的檢測方法中一般會用到很多光學元件，為了保證測量精度，這些光學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，相應也就降低了其實用性。

國內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上發展起來的。目前，基礎技術已具備，主要是解決工程應用問題，開發各種應用產品。

形位誤差研究的重要性有目共睹，對我國的機械制造工業和其它相關行業的發展起到了重要的促進作用。不過整個領域的研究狀態偏于松散，缺少系統性，在將理論轉化為實用技術方面，同發達國家和地區相比，還存在明顯差距，遠不能滿足實際生產需要。隨著激光測量技術的發展，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、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，提高生產效率，縮短建造周期，保證船舶建造質量和船舶安全。

3 智能激光圓度測量儀的功能設計

3.1 技術指標

按照船舶耐壓殼圈結構的建造工藝規范要求，圓度測量設備應能滿足工藝規范中所要求的精度、測量范圍及分辨率等技術指標。因此智能型激光圓度儀應滿足如下圓度測量技術指標：

1）測量范圍：～Φ10m；

2）分辨率：5mm；

3）測量精度：±3mm；

4）對中調整范圍：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 智能激光圓度儀結構框圖

圖3 激光測距基本原理圖

圓度激光測量平臺與上調整平臺通過嵌入調整平臺中的槽型傳動齒條（如圖1（a）所示）聯接，并繞軸心為ZX軸的主軸旋轉，主軸為高精度設備，在理想狀況下可認為它回轉的運動軌跡是“真圓”。智能激光圓度儀發出的32個激光束所組成的平面與耐壓殼圈內壁呈正交形式，工作時由激光發射器發射激光束，經角反射器（由殼圈內表面充當角反射器）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表面的距離（即所需殼圈內徑的大小值），經過測量平臺內置的信號放大器、數字濾波器后，由單片機控制機構做進一步的數字轉換后處理，液晶屏上的數值顯示儀表顯示單條內徑尺度；在按照等分數自動完成一周內的內徑測量后，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，需進行初始化設置，即需人工設定一系列初始參數，如圓周等分點（如16等分或者32等分）、標準內徑尺寸、船名、分段號、殼圈號等，圓度儀會根據設定的等分數自動設定激光束發射的旋轉角度，并將設置的初始值存入圓度儀自帶存儲設備中，作為誤差分析、圖形顯示及記錄識別用。

當設置的16或者32個數據測量點測量完畢，所有采集得到的內徑值自動存入圓度儀自帶存儲設備中，在測量完成后，可以經由高速USB接口或RJ45網絡接口與計算機連接，導出測量數據存入數據庫，進行誤差分析。

3.3 功能設計

圖4 功能模塊圖

智能激光圓度測量儀除了具備激光測距、數據采集、軟硬件的交互接口、數據存取等常見功能外，還具備自動對中、圓度自動評測、多標準評測對比分析、數據報表自動生成及導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，圓度儀的硬件設備主要包括：電源設備、激光測距設備、單片機控制設備、顯示設備、硬件接口設備、自動對中機構等。整個設備的硬件構成如圖5所示。

圖5 智能激光圓度儀硬件系統框圖

根據耐壓殼圈圓度要求的技術指標，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射和接收部件，在現有產品的基礎上進行改裝，完善現成產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雜的數字信號處理方法，并且具有圖像顯示及動態觸摸交互功能，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變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，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、上調整平臺和下調整平臺的對中驅動，根據所驅動的部分不同，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實現自動對中，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動圓度激光測量平臺、上調整平臺和下調整平臺之間的相對位置移動來實現。

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的電平信號來實現的。圓度儀使用時并不需要復雜的參數設置。

5 軟件開發

5.1 軟件開發總體設計方案

該系統軟件的主要功能包括電機控制、數據采集、數據傳輸、文件讀取、信號分析和處理、結果顯示等。出于基于模塊化程序設計的思想，因此在開發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試。在實際設計中，一般采用由上至下的設計方法，首先根據系統的總體需求，將系統劃分為若干個功能模塊。根據圓度儀的工作需要，該軟件的程序至少應包含以下幾個功能模塊：1）電機位置控制模塊；2）數據采集模塊；3）通信模塊；4）數據分析模塊；5）數據輸出模塊。

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

5.2 智能激光圓度測控系統程序實現

智能激光圓度測控系統按其功能劃分可以分為登錄模塊、基礎參數管理模塊、數據維護模塊、數據計算與評定模塊、系統管理模塊。

系統主界面包括菜單欄、左側導航欄和右側信息欄三個部分。

1）菜單欄。

菜單欄主要包括文件、編輯、誤差評定、數據管理、系統管理等子菜單。

（1）文件。主要包括系統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、關閉、全部關閉、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品、總段、分段、檢驗日期以及負責人等新建圓度測量項目的所屬信息，然后通過自動導入或者人工輸入測量數據的方式新建測量數據，如選擇導入數據，則在“檢測數據來源”欄中通過點擊“瀏覽”按鈕打開要導入的數據文件，點擊“保存”按鈕后自動導入檢測數據；如選擇“人工輸入”，則進入到測點數據標簽所指的檢測數據輸入窗口（見圖7中主窗口界面）。

圖6 智能激光圓度測控系統功能模塊圖

圖7 系統主界面

（2）編輯。主要包括數據導入／導出、復制、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“導入數據”打開導入數據對話框，選擇要導入的數據文件，點擊“導入”按鈕完成圓度測量數據的導入工作。

（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據進行圓度計算，并對圓度進行初步評定，及時預報圓度是否符合要求。

（4）數據管理。該模塊包括對數據庫的數據備份和還原操作按鈕，以數據的圖形和報表輸出界面入口。

（5）系統管理。主要包括系統的基礎數據—用戶和產品管理。用戶管理完成系統登錄用戶的數據管理，打開的用戶管理界面，可以對用戶表進行增刪改維護。

2）左側導航欄。

以樹狀目錄的形式對圓度測量數據進行導航，如圖7所示。

用戶通過點擊導航欄上面所列出的產品、分段、部件、零件等目錄節點打開相應的圓度測量詳細信息頁面，詳細信息顯示在右側主信息窗口。

3）信息欄。

信息欄用于顯示某一圓度測量數據信息及其設置信息、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品信息、測點設置信息、測點數據以及測點圖形幾個部分。

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

（2）測點設置信息。在測點設置信息窗口中，系統讀取當前節點對應的測點數量、測點位置和測點布置方案等基本信息顯示，用于瀏覽。

（3）測點數據。測點數據信息窗口顯示當前選定的檢測部件的詳細圓度數據列表。

（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。

該窗口將實測數據以圖形形式顯示，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、測點數量、誤差范圍等信息。

6 結語

本文針對國內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狀，對激光圓度測量技術展開研究。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，提高了建造質量。

船舶耐壓殼體圓度測量是非常復雜、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據傳輸方面使用上位機和下位機通過串口連接，對數據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構中，然后通過USB或RJ45網絡端口進行導出，如果能夠采用實時無線傳輸的方式進行實時傳輸、實時采集，設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，應用范圍會更廣。

2）在設備的自動對中控制機構中，對上下調整平臺進行驅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軟件的開發過程中，對數據分析的算法實現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，隨著科學技術的發展，激光圓度測量技術的發展也日新月異，新技術新工藝的迅猛發展對機械制造業和質量控制檢測技術的發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備，對船舶建造質量的控制和提高生產效率必然起著不可估量的作用，該論文的研究與應用對我國船舶建造過程中耐壓殼圈的建造質量有著重要的意義。

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