超聲聲場分布測量三軸移動系統設計

魯曉悅， 榮憲偉

(哈爾濱師范大學 物理與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

超聲換能器是超聲波無損檢測中的關鍵部件，其聲壓分布特性對超聲檢測中缺陷的定位、尺寸大小的定量有極大的影響[1～4]。因此,需對換能器的聲場參數進行測量以實現對其性能做出評判和校準，從而避免超聲探頭性能失效或減弱等原因造成的零件內部冶金缺陷存在漏檢的隱患[5,6]。

常見的聲場測量方法有水聽器法[7]、輻射力天平法[8]、球靶法[9]等。這些測量方法都需要一個能夠快速且精準到達測量位置的三軸移動系統。例如,水聽器法的原理就是利用三軸移動系統帶動水聽器在水箱中相對換能器運動，同時水聽器采集每個測量點的聲壓信號，計算機根據聲壓信息和測量點信息進行處理顯示出當前被測換能器的聲場分布情況[10～12]。

本文設計了用于超聲聲場分布測量的三軸移動系統，該三軸移動系統包括軟件與硬件兩部分，其中軟件部分在上位機上由QT Creator進行編寫，軟件設計界面友好，操作人員極易上手并且能夠滿足超聲探頭校準的工作要求，也便于使用者進行跨平臺開發。硬件部分由運動控制卡、步進電機驅動器、直角坐標機械臂組成。直角坐標機械臂以直線運動單元為基礎，搭建出空間三自由度運動機構，能夠到達三維空間中的任意點。每個直線運動單元采用精密研磨絲杠，具有摩擦損失小、傳動效率高、低速無爬行現象、精度高等優點。采用光柵尺對本文系統進行精度檢測，位置誤差小于0.04 mm，滿足了超聲聲場測量對三軸移動系統的要求[13]。

1 系統硬件設計

本文設計的超聲聲場分布測量三軸移動系統由上位機、三軸運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、原點光電開關、三軸直角坐標機械臂組成。

1.1 硬件系統總體設計

硬件系統的原理框圖，如圖1所示。整個系統在上位機控制下完成聲場分布測量三軸運動任務。本文系統的步進電機選擇大扭矩、瞬態響應好的兩相57步進電機。步進電機驅動器選擇具有25 000細分的DM542步進電機驅動器。運動控制器以高頻脈沖串形式輸出，控制步進電機的運動。原點光電開關以輸出電平變化來反饋給運動控制器，控制系統找到原點位置并運動停止。

圖1 三軸移動系統原理框圖

1.2 直角坐標機械臂設計

聲場分布測量對位置精度要求較高，且多為直線運動，所以本文采用直角坐標機械臂形式。這種方式的主要特點是每個運動自由度之間都是直角且各自由度之間互不影響。直角坐標機械臂是以單維直線運動單元為基礎。直線運動單元采用精密研磨絲杠，具有摩擦損失小、傳動效率高、低速無爬行現象、精度高、精度保持性好的優點。直角坐標機械臂以XYZ直角坐標系統為基本數學模型，以伺服電機、步進電機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，并以滾珠絲杠傳動方式所架構起來的三軸移動系統。XYZ三軸都采用小導程精密研磨絲杠。結合步進電機驅動器的脈沖細分，可達到較高的位置分辨率。采用消空回螺母結構，可使研磨絲杠副的間隙降到最小。運動單元采用交叉滾柱導軌，調整導軌預緊力和消間隙之功能提高傳動剛度。設計精磨移臺底板和合理的導軌固定方式可大大地降低電移臺的俯仰和偏擺，使運動的直線度和平行度獲得較大提高。在步進電機和研磨絲杠之間通過進口高品質彈性聯軸節連接，保證傳動同步，消偏性能好，噪音小且大大降低了偏心擾動。這樣保證三軸移動系統在XYZ三維坐標系中進行精準移動。

1.3 三軸運動控制系統硬件設計

由于XYZ三個軸的控制電路相同，這里以X軸為例，說明三軸運動控制系統的硬件組成。如圖2所示為X軸運動控制的工作原理。X軸運動控制系統硬件是由上位機、運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、絲杠和原點光電開關組成的。本文系統的運動控制方式工作原理是上位機軟件通過USB通信將指令發送給運動控制器，運動控制器接收到上位機指令后，依據指令參數規劃步進電機運動，輸出脈沖(PUL)信號和方向(DIR)信號，驅動器接收到一個脈沖信號PUL后就驅動電機按方向信號DIR轉動一個固定的角度，電機帶動絲杠移動一個固定的距離，從而達到定位的目的。脈沖頻率用于控制電機的速度控制脈沖頻率變化可以實現電機的加速和減速，從而達到平穩快速運動的目的。在絲杠底座上安裝的光電開關用于檢測原點。當絲杠移動到原點時，光電開關光束被遮擋，輸出電平發生變化，反饋給運動控制器，確定原點位置并停止運動。

圖2 X軸絲杠移動工作原理

2 系統軟件設計

2.1 上位機軟件設計

如圖3所示，上位機軟件由運動控制模塊、狀態顯示模塊和聲場信息分析與顯示模塊3部分組成。

圖3 軟件框圖

其中，運動控制模塊用來控制三維直角坐標機械臂進行直線掃描運動、平面掃描運動以及定點運動。狀態顯示模塊用來實時顯示系統當前運動速度、運動位置以及當前的聲場強度。聲場信息分析與顯示模塊用來進行聲場數據分析并進行圖像繪制，將聲場的時域特性、頻域特性和空域特性用圖像的方式在軟件中進行顯示。由這3個模塊組成的軟件系統能夠進行多種運動控制并實時顯示運動狀態信息和聲場強度信息，以及將聲場信息進行分析與可視化圖像顯示。

2.2 下位機運動控制算法設計

常見的軌跡規劃算法分別是T型和S型速度曲線控制，S型曲線相比于T型曲線控制精度更高，能夠更有效地消除運動中的抖動現象。如圖4(a)將S型曲線軌跡分為7個階段[14]。

首先引入變量加加速度j，加加速度是加速度的導數，即j=da/dt。在S型曲線中系統參數包括加速運動階段最大加速度值amax和最大加加速度值jmax、減速運動階段最大加速度值amin和最大加加速度值jmin，軌跡參數還包括起始V0和終點V1速度最大值Vmax和起始時刻位移S0和終點位移S1。其中,amax，jmax，amin和jmin可根據需求獨立設置。T0為加加速段、T1為勻加速度段、T2為減加速度段、T3為勻速度段、T4為加減速度段、T5為勻減速度段以及T6為減減速度段[15]。

采用7段S型曲線能夠使步進電機非常平滑的進行運動避免碰撞，但在系統需要短位移高響應的情況下，為了提高系統的響應速度可以將S型速度曲線簡化為4段如圖4(b)所示，保留T0，T2，T4，T6。

為了使其升速與降速的S型曲線對稱,令其起始速度等于終止速度,vm為運行最大速度，a為系統當前加速度，即

v0=v1

(1)

假設各階段運行時間都相等，即

t2=2t1,t3=3t1,t4=4t1

(2)

4段加減速S型曲線速度函數為

(3)

假設Sa，Sd分別為加速段和減速段的位移，則可以計算出

(4)

運行總位移為兩段位移之和

(5)

根據式(3)，當t=t1時，有

(6)

設運行總時間為t，由以上分析可知

(7)

將式(7)代入式(6)化簡可得

vm-v0=at/2

(8)

聯立式(5)和式(8)可得

(9)

結合式(3)和式(9)只要給出v0,s和t就可以確定運動的所有參數，本文按照4段S型加減速算法來進行優化運動，達到短位移運行快速精準的目的[16，17]。

3 系統測試

將光柵尺與直角坐標機械臂的運動軸上的固定端與光柵尺上的副尺進行連接固定，在系統進行三軸運動時，直角坐標機械臂的運動軸上的固定端可以帶動光柵尺的副尺按照系統的運動指令進行移動，使系統在移動時能將光柵尺移動所產生的脈沖發送給上位機，由上位機進行處理，算出當前軸的實際位移距離，依此原理進行系統精度測試[18]。

本文系統按照上述的測試方式針對T型曲線運動方式和經過算法處理的S型曲線運動方式分別進行精度測試，該系統測試所采用的是分辨率為20 μm的光柵尺，檢測過程為從運動機構原點作為開始，終點為系統所設置測量點。本次測試所設的測量點是從1 mm開始到30 mm結束，以5 mm為間距進行正反方向運動精度檢測，每方向各測量10次共70次，由此檢測系統的位移距離與實際位移的偏差，用來檢驗系統精度。測量結果對比如圖5所示。

圖5 系統誤差分布

從圖5中可以看出，本文系統采用4段S型曲線運動算法相比T型曲線運動算法能夠提升精度，該系統所設計的三軸移動系統最大誤差不超過0.04 mm，并且在光柵尺精度范圍內，0 mm誤差占比最大。

驗證本文系統移動精度之后，用該系統拖動水聽器針對一個連續脈沖的超聲波換能器進行測量，對換能器的XY面以5 mm為間隔進行測量，得到圖6所示的平面掃描圖，由圖可以看出，經本文軟件掃描并繪制出的平面掃描圖能夠完好清晰地描繪出超聲換能器的輻射特性，由圖可以看出，本文設計的三軸移動系統能夠拖動水聽器在水箱中進行聲場測量工作，能夠精確地到達使用者所設定的測量點，并且可以描繪出聲場的特性圖像。

圖6 實測連續脈沖超聲換能器聲場平面掃描

4 結 論

本文根據超聲聲場的測量要求，設計了一種用于超聲聲場分布測量的直角坐標型三軸移動系統。在硬件上對三軸移動系統進行設計提高了系統精度。在軟件上設計了軌跡規劃算法和上位機控制軟件，更進一步在軟件上提高運行精度。給使用者提供了極易上手的人機交互界面，達到方便使用的目的，并且因為上位機軟件使用QT進行開發，也方便進行跨平臺的操作目的。本文系統也采用了光柵尺對系統的硬件系統進行了精度測試，測試結果表明，本文系統具有操作界面友好、可靠性強、位移精準與位移速度快的優點，通過實驗驗證：本文系統能夠拖動水聽器實現超聲聲場的直線掃描和斷面掃描測量，描繪聲場分布。