基于CCD傳感器的砂輪輪廓測量系統設計*

袁 勃， 張桂香， 陳根余， 周 聰， 鄧 將

(湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引 言

激光修整砂輪是利用激光的熱去除作用對砂輪進行整形和修銳，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，為使砂輪獲得良好的輪廓形狀，需要根據砂輪的實際輪廓信息對其表面的高點進行選擇性地激光去除或損傷。砂輪輪廓的精確測量是實現激光整形砂輪的關鍵。砂輪輪廓的測量方法有接觸式和非接觸式兩大類[2]。由于接觸式測量方法測量時存在機械作用力，因此,其主要適用于靜態或低速轉動的情況下測量砂輪輪廓。非接觸式砂輪輪廓測量方法不存在測量工具與砂輪的直接接觸，更適合于動態測量砂輪輪廓。

激光三角法結構簡單、測量實時性好，在工業中的長度、距離和三維形貌等檢測中應用廣泛[3]。本文在分析了激光三角法測量原理的基礎上，采用基于三角法的CCD激光位移傳感器、精密電控移動平臺和DSP等搭建砂輪輪廓測量系統。利用DSP芯片設計傳感器控制和數據處理電路，以使砂輪輪廓測量系統能滿足激光修整砂輪過程中的輪廓測量要求。通過傳感器測量精度驗證實驗和電鍍金剛石砂輪激光修整實驗，分別驗證傳感器的測量精度和砂輪輪廓測量系統在激光修整砂輪中的實用性。

1 激光三角法測量原理分析

激光三角法的基本測量原理如下：由光源發出的一束激光照射在待測物體表面上，通過反射最后在檢測器上成像。當物體表面的位置發生改變時，其所成的像在檢測器上也發生相應的位移。通過像移和實際位移之間的關系式，真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到[4]。

典型的激光三角法測量系統采用的光路設計如圖1所示。其中,O點為測量激光光軸與成像物鏡光軸的交點，該點常被作為測量參考點;D為激光出光平面至被測表面參考點的距離;α為測量激光光軸與成像物鏡光軸的夾角；β為檢測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為目標物的實際位移;d為檢測器上成像點的位移即像移。

圖1 三角法測量系統典型光路圖

根據Scheimpflug條件[5]：當目標物偏離參考點時，檢測器上仍能清晰成像，則系統的光路設計必須滿足激光光軸、檢測器接收面、成像物鏡的中心面三者交于一點(或者三者互相平行)，如圖1中的交點X。目標物的實際位移δ與相移d的關系表達式的推導如下：

由圖1中△P′NA∽△PMA，可得

(1)

根據幾何關系，將各參數代入得

(2)

化簡后,δ與d的關系式為

(3)

由上式可見δ與d間的關系是非線性的。當實際位移δ?s′時，相應的像移d也變小，上式可近似寫成

(4)

式(4)表明，當測量范圍較小時，像移與目標物的實際位移間的關系可近似為線性關系。綜上所述，采用三角法測量位移時，總是存在非線性誤差；但當被測位移很小時，該非線性誤差可以忽略。砂輪輪廓的變化常在微米級，因而采用激光三角法測量可以實現砂輪輪廓的高精度測量。

2 砂輪輪廓測量系統設計

基于激光三角法測量原理，本文搭建的砂輪輪廓測量系統的整體結構圖如圖2所示。主要由基于三角法的激光位移傳感器、精密電控移動平臺以及基于DSP的傳感器控制和數據處理模塊等構成。

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(型號為LK—G80)。該傳感器由控制器和感測頭組成，如圖2所示。感測頭內采用的是一個三角測量系統，由點光源半導體激光器、高精度物鏡單元和直線型CCD等元件構成。控制器主要對感測頭的輸出信號進行快速、高精度的放大、濾波和存儲等處理。傳感器的測量分辨率可達0.2 μm，測量精度為±0.05 %F.S.(F.S.=±15 mm)，且測量精度不受被測物體表面顏色和材質等的影響，測量速度最快可達50 kHz。精密電控移動平臺為XY雙軸運動平臺，其分辨率為1.25 μm，運動直線度為5 μm。傳感器的控制和數據處理模塊選用TI公司高性能DSP芯片TMS320F28335作為主控制器。F28335的CPU內核為32位，支持浮點數運算，外設功能豐富，專用于進行數據處理和實時控制。傳感器的測量操作由DSP控制模塊控制。

為減小砂輪轉動時的垂直振動對測量精度的影響，傳感器應水平安裝，如圖2所示。同時需保證傳感器的測量光線沿砂輪徑向入射，以減小傳感器安裝不當引入的測量誤差。砂輪輪廓測量系統的工作原理如下：如圖2所示，砂輪以一定的線速度轉動，傳感器則快速采樣測量砂輪一周的輪廓；完成一圈的測量后，精密電控移動平臺帶動感測頭沿砂輪軸向進給一個步長，感測頭繼續對進給后砂輪一周的輪廓進行快速的采樣測量。如此逐漸完成對砂輪整個表面輪廓的測量。測量過程中需綜合考慮傳感器的測量采樣率、砂輪的線速度和電控運動平臺的進給步長等，以實現高精度地測量砂輪輪廓。

圖2 砂輪輪廓測量系統原理方框圖

激光修整砂輪時，一方面需根據砂輪整個表面輪廓的信息，分析得出理想的輪廓參數；另一方面，又要求能快速測量出砂輪表面顆粒的高度值[6]。基于DSP的傳感器控制和數據處理模塊即是為了砂輪輪廓測量系統能滿足上述需求而設計的應用電路。其原理方框圖如圖3所示，上方為串行通信通道，用于在測量砂輪整個表面輪廓的過程中傳送DSP的控制命令和傳感器存儲的測量結果數據。下方為單向模擬通道，可實現傳感器測量結果的快速輸出。

具體的電路設計如下：串口通信的電平轉換電路由Maxim 3232芯片等組成，實現DSP與傳感器的數字輸出接口間的電平轉換。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，通過鉗位電路對DSP芯片進行保護。電壓跟隨電路用于提高傳感器輸出信號的驅動能力。

圖3 激光修整砂輪系統原理框圖

圖4 傳感器輸出接口電路

3 實驗與結果

3.1 傳感器精度驗證與砂輪修整實驗平臺

在搭建砂輪輪廓測量系統時，本文采用進給精度為1.25 μm的精密運動平臺對CCD位移傳感器的測量精度進行了驗證。驗證實驗的方案如下：精密運動平臺以2.5 μm的步長做單步進給運動，然后采用傳感器測量精密運動平臺的位移，并將傳感器的測量結果與理論計算位移值進行比較。實驗結果如圖5所示，圖中曲線由50組采樣數據構成，可見傳感器的測量結果與理論計算值的線性吻合度較高。通過與理論計算直線比較，可得傳感器的測量誤差在7 μm以內。砂輪輪廓測量系統主要利用CCD傳感器的測量功能實現輪廓測量，其結構簡單，且無其他測量裝置，如圖2所示。因此，可近似認為傳感器的測量精度即為砂輪輪廓測量系統的測量精度。砂輪輪廓的測量精度則與傳感器的安裝精度、砂輪的回轉精度等因素有關。

圖5 傳感器測量精度標定曲線

基于本文的砂輪輪廓測量系統，開展了電鍍金剛石砂輪激光修整實驗。實驗平臺實物圖如圖6所示，主要包含砂輪輪廓測量系統、精密平面磨床、光纖激光器、電鍍金剛石砂輪和PC機等裝置。圖6中激光燒蝕頭引導加工激光的方向,精密手動微調平臺實現感測頭的微動調節,磨床為砂輪提供合適的轉速。砂輪圓周方向整圈的修整過程如下：傳感器先測量砂輪整個圓周方向上的輪廓，輪廓測量結果數據經圖3中的串口通信通道傳送給DSP;然后，通過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。對于砂輪輪廓上測量值大于高度閾值的顆粒，進行激光去除；反之，輪廓上測量值小于高度閾值的顆粒，則不予修整。

圖6 實驗平臺實物圖

3.2 實驗分析

實驗結果表明:采用本文設計的砂輪輪廓測量系統可以準確地測量出激光修整前后砂輪輪廓的變化。如圖7和圖8分別為砂輪輪廓測量系統測得激光修整前后電鍍金剛石砂輪的輪廓，橫坐標共2萬個采樣點，是傳感器采樣砂輪輪廓兩圈的結果；縱坐標為采樣點的高度值，即砂輪輪廓的分布情況。實驗中激光修整砂輪的高度閾值為0.175 mm。對圖7和圖8可以看出:系統測得砂輪表面高于0.175 mm的顆粒經激光修整后，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

為驗證輪廓測量系統測量結果的準確性，本文采用超景深三維顯微鏡對圖8中高度值發生了變化的砂輪顆粒進行觀測。如圖9所示，砂輪表面的高點經激光修整后，表面有燒蝕痕跡，其高度值由于部分材料被去除而降低。經顯微鏡的軟件測量分析，其高度值減小量為20～150 μm。選擇多個不同的高點，其觀測結果都有類似的規律，與輪廓測量系統的測量結果相匹配。但輪廓測量系統測量砂輪輪廓時的具體精度，則需通過進一步的實驗對比驗證。

4 結 論

1)基于激光三角法測量原理，采用CCD激光位移傳感器、精密電控移動平臺和DSP等搭建的砂輪輪廓測量系統能實現砂輪輪廓的準確測量。砂輪輪廓測量系統的測量精度可達7 μm。

2)實驗證明：所搭建的砂輪輪廓測量系統可應用于激光修整砂輪系統，輔助實現砂輪的激光修整；具有良好的實用價值和應用前景。

參考文獻:

[1]陳根余,謝小柱,李力鈞,等.超硬磨料砂輪修整與激光修整新進展[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(128):8-12.

[2]李伯民,趙 波.現代磨削技術[M].北京:機械工業出版社,2003:124-125.

[3]范志剛,左保軍,張愛紅.光電測試技術[M].北京:電子工業出版社,2008:3-11.

[4]王曉嘉,王 雋,王 磊.激光三角法綜述[J].儀器儀表學報,2004,25(4):601-608.

[5]陽道善,陳吉紅,周會成.線結構激光-機器視覺三角測量系統光路設計[J].光學技術,2001,27(2):120-122.

[6]陳根余,馬宏路,李力鈞,等.聲光調Q Nd: YAG脈沖激光修銳和整形超硬磨料砂輪[J].湖南大學學報,2004,31(2):56-59.