動(dòng)態(tài)在線非接觸式測控系統(tǒng)的研究

動(dòng)態(tài)在線非接觸式測控系統(tǒng)的研究

在工業(yè)材料的切割和生產(chǎn)過程中，通常需要測量成品的長度。傳統(tǒng)的人工測量方法勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低。為此,采用線陣CCD技術(shù)設(shè)計(jì)出一種在線非接觸式自動(dòng)測量系統(tǒng)。它不僅具有無損、快速和不妨礙生產(chǎn)等特點(diǎn),而且能滿足各種長度型材的高精度長度測量,特別適用于工業(yè)快速流水線現(xiàn)場測量。1精測部分的測量測量系統(tǒng)可設(shè)計(jì)在生產(chǎn)型材的傳送帶兩旁,從而構(gòu)成在線測量方式。為了實(shí)現(xiàn)較長型材的高精度長度測量,合理地將測量系統(tǒng)分為粗測和精測兩個(gè)部分,系統(tǒng)組成如圖1所示。粗測部分由若干個(gè)激光器和相應(yīng)個(gè)數(shù)的光敏器件組成,激光器以點(diǎn)光源的形式水平發(fā)射出一組平行光線,相鄰點(diǎn)光線的實(shí)際距離L0=0.5m,該距離為粗測部分的最小測量單位。精測部分設(shè)置在粗測部分之前,由一條線光源、光學(xué)成像系統(tǒng)和線陣CCD器件組成,精測范圍要求大于粗測部分的最小測量單位,其測量精度取決于CCD上像敏單元的密度和計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率。當(dāng)型材在傳送帶上以一定速度V向左移動(dòng)時(shí),型材首先通過精測部分而擋住精測線光源,此時(shí)CCD上無視頻信號(hào)。隨著型材向左運(yùn)動(dòng),點(diǎn)光源的光線將逐個(gè)被擋住。每擋住一條光線時(shí),檢測電路將自動(dòng)測試CCD上輸出的視頻信號(hào),直到檢測到有亮視頻信號(hào)時(shí),說明型材的后端已經(jīng)進(jìn)入精測范圍。檢測電路在這一瞬間同時(shí)進(jìn)行粗測和精測,即確定出被擋住點(diǎn)光源的個(gè)數(shù)n和精測亮光線的長度L2。于是可以計(jì)算出整個(gè)型材的長度為L=nL0+L1?L2(1)L=nL0+L1-L2(1)式中L——型材總長L1——精測光線的右起點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)光線之間的距離當(dāng)L2達(dá)到最大時(shí),(L1-L2)為該測長系統(tǒng)測量的最小值。檢測部分由單片機(jī)控制電路構(gòu)成,它能在很短的時(shí)間內(nèi)完成精測部分的測量,從而可以忽略粗測和精測時(shí)間相差所產(chǎn)生的測量誤差。線陣CCD器件與型材運(yùn)動(dòng)方向呈一定夾角有利于消除型材端部的不規(guī)則形狀所產(chǎn)生的影響。2線陣精測長度的測量線陣CCD器件采用SONY公司的TCD142型攝像機(jī),它具有2048個(gè)像敏單元。為提高測量精度和可靠性,采用透光法進(jìn)行CCD成像測量,即光源和CCD器件分別置于傳送帶兩側(cè)。精測線光源的光線一部分可通過透鏡投射到CCD器件上,另一部分則被型材擋住。于是,在CCD器件像敏區(qū)域存在有顯著區(qū)別的亮區(qū)和暗區(qū),通過濾波器則可得到較好的視頻信號(hào),將該視頻信號(hào)與一閾值電平相比較,經(jīng)整形后得到高、低電平信號(hào)(圖2)。整形信號(hào)的脈沖寬度與像敏單元亮區(qū)的長度成正比,通過整形信號(hào)的脈沖上升沿、下降沿啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)器對(duì)固定頻率的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),從而將精測長度電信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換輸入到檢測電路里。在實(shí)際應(yīng)用中,由于光源的變化和隨機(jī)干擾等因素會(huì)使CCD測量信號(hào)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。為減小這種影響,采用了浮動(dòng)閾值方式,即通過設(shè)置一個(gè)采樣電路跟蹤檢測信號(hào)強(qiáng)度的變化,計(jì)算出合適的數(shù)值,經(jīng)過D/A變換調(diào)節(jié)比較器閾值電平,可以使系統(tǒng)精度得到一定的提高。另外可以根據(jù)采樣結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整CCD的光積分時(shí)間,降低信號(hào)漂移對(duì)測量精度造成的影響。在線陣CCD測量范圍內(nèi),安裝形式和光強(qiáng)均勻性等因素會(huì)造成檢測結(jié)果的非線性。為提高檢測精度,對(duì)精測部分進(jìn)行全程標(biāo)定,根據(jù)實(shí)際要求,每隔0.5cm讀取一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù),采用一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)即可標(biāo)定整個(gè)精測長度范圍。標(biāo)定結(jié)果以表格形式存放在存儲(chǔ)器里,測長時(shí)可通過查表法求得型材的精測長度。另外,型材在傳送帶上的橫向位置不同會(huì)造成測量誤差,因而要求橫向位置相對(duì)固定,或建立不同橫向位置的標(biāo)定數(shù)表。3線陣sd-1333-c6-d同步控制檢測部分由現(xiàn)場單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)組成,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。選擇89C51單片微機(jī)作為檢測控制中心,其內(nèi)部自帶4kbyte的程序存儲(chǔ)器,根據(jù)實(shí)際測量的情況,需要擴(kuò)展其I/O端口,以完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)顯示和串行通訊等功能。通過兩片74LS147編碼器將多路光敏器件輸出的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行編碼,由一片74LS245作為緩沖器,擴(kuò)展一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端口。擴(kuò)展四片BCD譯碼鎖存器4511,直接驅(qū)動(dòng)四片LED數(shù)碼管,用于顯示被測型材的長度。小數(shù)點(diǎn)固定在中間,可顯示的測量范圍為0.00～99.99m。一片74LS138譯碼器可擴(kuò)展為八個(gè)I/O端口,實(shí)際應(yīng)用中將兩個(gè)分配給4511,另給74LS245和DAC0832各分配一個(gè)端口。對(duì)線陣CCD亮區(qū)信號(hào)的檢測,根據(jù)不同情況選擇比較器參考電壓由DAC0832輸出,同時(shí),也根據(jù)型材在傳送帶上不同的位置設(shè)置不同的標(biāo)定數(shù)表,采用P1口的兩位來控制和啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作?，F(xiàn)場的測量儀器和上位機(jī)的距離較遠(yuǎn),現(xiàn)場單片機(jī)系統(tǒng)采用RS-485串行通訊方式與上位機(jī)通訊,其特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng)。采用SN75176半雙工通訊芯片,由單片機(jī)的P3.2腳控制其發(fā)送和接收。上位機(jī)采用COM控件實(shí)現(xiàn)通訊接口的驅(qū)動(dòng),用VB語言編寫數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表生成和打印等功能。4通訊軟件等功能單片機(jī)軟件主要完成信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示和通訊等功能,程序流程見圖4。軟件中包含初始化、亮度與位置選擇、檢測判斷、粗測與精測、數(shù)制轉(zhuǎn)換、顯示和通訊等子程序,整個(gè)軟件層次分明。5測量系統(tǒng)的運(yùn)行可能引起的誤差單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz的晶振,計(jì)數(shù)脈沖頻率達(dá)1MHz,型材在傳送帶上最大速度為5m/s,精測時(shí)間約0.2ms,所產(chǎn)生的測量誤差為1mm。該誤差是靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)在線測量之間的誤差,實(shí)際表明它可以忽略。應(yīng)用中對(duì)5～12m不同長度的型鋼進(jìn)行了大量在線測量,通過與人工測量數(shù)據(jù)相對(duì)比,95%以上的數(shù)據(jù)誤差在±10mm之內(nèi),少部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差在±20mm之內(nèi)。誤差原因可能是人工測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn),也可能是現(xiàn)場光強(qiáng)變化所造成。該測長系統(tǒng)經(jīng)過較