一直以来,非球面元件加工制造难度高,检测技术更是非球面制造技术中的瓶颈。本文介绍了一种基于无线网络的光学非球面精密检测系统的软、硬件工作原理及设计方案,通过对温度、变形、振动等性能量进行采样与数据分析的实验,证明了该系统的高效性和准确性

刘卫华

郭隐彪

饶睿智

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计算机技术应用                                  《机电技术》2009 年第 4 期  5非球面精密检测系统的设计与实现* 饶睿智  郭隐彪  刘卫华 （厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005） 摘 要：一直以来，非球面元件加工制造难度高，检测技术更是非球面制造技术中的瓶颈。本文介绍了一种基于无线网络的光学非球面精密检测系统的软、硬件工作原理及设计方案，通过对温度、变形、振动等性能量进行采样与数据分析的实验，证明了该系统的高效性和准确性。 关键词：非球面 精密检测 数据分析 远程监控 中图分类号：TG659 TP273┼.5  文献标识码：A  文章编号：1672-4801（2009）04-005-04 前言 在光学系统中采用非球面光学元件，与球面镜相比不仅能够增加光学设计的自由度，减少光学元件的使用数目，而且有利于矫正球差、像散、场曲等各种像差，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。目前，高精度非球面镜广泛应用于各种现代光电子产品、图像处理产品及军事、天文和医疗等行业。因此，对高精度、高质量的非球面元件的需求与日俱增。随着对非球面元件精度和表面粗糙度要求的不断提高，如何检测、监控其加工精度已成为加工领域里的研究焦点。本设计基于无线远程网络，实现了对多非球面加工过程中多种性能量同时的检测与监控，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且大大节省了设计成本，提高了精密检测系统的效率和准确度。 1  系统设计 本系统中的各种能量传感器可以用来采集各种信号并以电荷方式输出，由单片机来控制信号的检测、采集和记录，通过无线通信设备传至 PC机，由 PC 机完成显示与进一步数据处理。本系统还提供了报警功能和存储功能，根据用户具体要求来设置监控值，若检测到的信号超过该范围时系统会自动报警。存储功能用于保存历史数据，方便日后的调用和分析研究。为了满足远距离传输、控制以及封闭加工空间的监控要求，本检测系统采用 RS232 接口和 Zigbee 网络。 1.1  硬件结构的设计 如图 1所示，系统的硬件结构由三部分组成，信号采集系统（底层），PC 机（上层）和通信系统。信号采集系统（底层）负责信号采集和数据处理，其中包括传感器，A/D 转换调制电路和单片机。PC 机（上层）包括控制、数据处理与人机界面三个部分。而通信系统负责整个系统信号与控制命令的传输。系统利用各式传感器采集温度、振动和位移信号，当温度超过预设值的时候，自动启动空调系统，从而调节加工现场的温度；当机械形变或振幅超过预设值时，自动启动报警系统。 系统对温度、振动和形变的测量分别采用三种不同的传感器设备，将其性能量信号转换为电压信号，经由多路模拟开关 CD4067 接入；用AD7713将采集到的模拟电压信号经A/D转换后变为 24 位数字信号；转换后的数字信号经单片机与Zigbee 网络实现与 PC 的通讯；在 PC 中心，根据各传感器不同的编码方式将十六进制编码转换成可读测量值，并在 PC 上显示。  图 1 精密加工检测系统 1.1.1  单片机功能 系 统 采 用 89C51 单 片 机 的 内 部 晶 振11.0592MHz，在开始检测之前预设各个被检测参数的工作范围，一旦检测值超过该范围，则调用中断程序，包括开启空调系统和报警系统。单片机负责设定各传感器的工作参数与信号采集的控制。 1.1.2  高精度A/D转换器的使用  《机电技术》2009 年第 4 期                                    计算机技术应用  6AD7713 是一种应用于低频信号测量的模拟信号前端处理器，它不仅可以直接测量来自于传感器的毫伏级信号，而且还可以直接测量高压（±4×VREF）信号，并以串行数字方式输出。它采用∑－△转换技术，能实现高达 24 比特的无误码转换。通过双向串行端口的软件可以来设置其工作增益、极性和 RTD 激励电流源控制。AD7713 提供多种校正方式，包括自校正，系统校正和背景校正，也允许用户读写片内校正寄存器的内容。片上数字滤波器提供了一个(sinx/x)3滤波响应，第一 缺 口 的 过 滤 器 出 现 的 频 率 由 方 程(fCLKIN/512)/code 确定。该芯片共有两个差分模拟信号输入端和一个单端模拟信号输入端，极限温度范围-55°～+125°。图 2 为 AD7713 的接线图。  图 2 AD7713 的接线图 1.1.3  Zigbee 无线网络的搭建 Zigbee 网络含三种类型的节点，即协调器、路由节点和终端节点，其中协调器和路由节点均为全功能设备，而终端节点用精简功能设备。 协调器:相当于网络主机，一个 Zigbee 网络PAN 有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要 多的存储空间和计算能力。 路由节点:主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在簇树网络和网状网络中存在。除非监控的机床非常多，我们的系统中一般不会出现路由节点。 终端节点:不具备成为父节点或路由节点的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由节点完成。我们监控系统中的子机即采用终端节点。 1.2  软件的设计 软件是整个数据交换系统得以运行的核心，也是测试实验得以进行的保障。本设计采用Visual C++编程语言与单片机汇编语言相结合的方式，基于模块化设计方法开发了一套用于精密加工检测的数据交换系统的控制软件，实现了精密加工过程中产生的多种现场性能量信号的采集、分析与存储。 1.2.1  系统软件总体结构设计 本系统基于 VC++开发平台，采用模块化的设计思想，根据系统总体的功能需求，采用由上而下的设计方法，将系统分为三大模块，然后在各模块中扩充相应的功能， 后进行调试和实验，功能框图如图 3 所示。  图 3 测试系统功能模块 1.2.2  数据采集模块的设计与实现 数据采集模块是整个系统的基础，它是检测系统原始数据的来源。这个部分的软件设计包括两个方面的内容，一是 PC 上位机程序设计，二是单片机控制中心程序设计。其中，PC 上位机程序设计包括各系统参数设置界面设计以及采样的控制两个部分。 1.2.3  数据处理模块的设计与实现 数据处理模块是获取高精度检测信号的重要手段，本系统设计的数据处理模块包括数字信号处理和模拟信号处理两个部分，这里表述的数字信号与模拟信号都是指从传感器输出的原始信号。模拟信号的数据处理包括奇异项的剔除与替代、数字滤波及加窗模块；数字信号的数据处理计算机技术应用                                  《机电技术》2009 年第 4 期  7则要简单得多，只需将数字温度传感器输出的数字信号按照其编码规则转换成易于识别的摄氏温度值。 1.2.3.1  奇异项的剔除与替代 在某些测量情况下，由于客观环境的突然变化或是主观人为的失误，都会使测量的数据带有奇异项，这将使测量值严重失真，从而降低了测量数据的置信度, 因此，在进行信号处理之前必须对奇异值进行判别和剔除，并根据一定的插值原理，以合理、可信的数据替代它，以保证测试数据处理结果的质量。剔除采样数据中奇异项的方法，一般可选用一阶差分法、多项式逼近和小二乘法，本文采用一阶差分算法奇异值剔除与替代，具体步骤如下： (1)判断奇异项及替代值的选择； (2)确定连续替代的方法； (3)起始点的寻找。 1.2.3.2  数字滤波及加窗模块 在机床振动信号的采集与传递过程中，经常会受到测试环境或硬件系统本身的干扰，实际得到的加速度信号往往是具有多种频率成分的复杂信号。为了获取有用的振动信号，就需要对振动信号进行滤波处理，将干扰信号衰减掉，以对主要振动信号作进一步的分析与处理。 研究表明，机床振动系统随机误差的根源是高斯白噪声和脉冲型噪声，利用滤波技术能有效消除噪声的干扰。典型模拟滤波器的设计是采用多项式或有理函数来逼近幅度和相位的特性曲线，广泛应用于模拟信号的滤波处理，但在处理（低频和甚低频信号时还是有些不足。数字滤波器则克服了模拟滤波器的不足，它具有精度高、灵活性好、抗干扰能力强、稳定性好和性能容易调节等优点。随着数字技术的发展，数字滤波器迅速在许多应用中代替了模拟滤波器，得到了广泛的应用。 一个线性时不变(LTI)数字滤波器可以用常系数线性差分方程来表示: ∑∑==−−−=NiiMii inybinxany10)()()(       （1） 式中，x(n)、y(n)分别为输入和输出信号序列，ai、bi 分别是滤波系数。当式中 bi 系数全为零时，滤波器为有限冲击响应滤波器,简称 FIR( Finite Impulse Response)型，此时系统的输出仅与输入有关，这是一种非递归型滤波器；当式中 bi系数不全为零时，滤波器为无限冲击响应滤波器，简称 IIR( Infinite Impulse Response)型，此时系统的输出与输入和输出都有关，这是一种递归型滤波器。对上式进行 Z 变换得： ∑∑=−=− −=NiiiMiii zyzbzxzazy10)()()(        （2） 于是，FIR 型和 IIR 型滤波器在 Z 平面的传递函数可以统一表示为： ∑∑=−=−== NiiiMiiizbzazxzyzH00)()()(                 （3） 在 MATLAB 中，使用了两个向量 num 和 den来表示滤波系数 ai 和 bi，num = [a0,a1…am]，den = [1,b1…bn]。其中，b0=1，通过改变 num 和 den,就可以得到不同类型,不同性质的滤波器。 设计 FIR 滤波器的一般方法有窗函数法和频率采样设计法，而设计 IIR 滤波器的方法有冲击响应不变法和双线形变换法，下面将对利用窗函数设计 FIR 滤波器原理进行介绍。 利用窗函数设计 FIR 滤波器的基本思想是：首先根据给定的滤波器技术指标，即截止频率和截取长度 N 求得理想滤波器单位脉冲响应Hd(ejω)，由 Hd(ejω)导出 hd(n): sin( ( ))1( ) ( )2 ( )cncjj cd dnh n H e e dnω ωωωω αωπ π α−−= =−∫   （4） hd(n)是非因果的无限长序列，而要设计的 FIR 滤波器的 h(n)是有限长，所以要用一个有限长 h(n)来逼近函数 hd(n)，有效方法是由过渡带宽及阻带小衰减要求，比对各种窗函数基本参数选定窗函数，取窗函数(有限长度 N)截断 hd(n)，一般表示为: )()()( nWnhnh d=                      （5） 这里 W(n)就是窗函数。常用的窗函数共有 6 种:矩形窗、巴特利特窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗和凯塞窗。       （下转第 15 页） 计算机技术应用                                  《机电技术》2009 年第 4 期  154 结论 该系统采用主从式两级控制结构，规划级主机即工业PC机，负责完成运动命令的接收、命令解析、系统故障诊断、人机接口等功能；伺服级从机即运动控制器，负责完成机器人各轴的位置数字控制。应用程序启动时，首先在主机和从机之间建立通 讯，由于控制器具有独立存储程序及运行的功能，主机只需通过控制语言调用运动程序即可，关节运动的闭环控制完全由控制器来完成，无需主机干预，提高了整个系统控制的实时性,从而较好的解决了国内目前普遍机床存在的数控系统不够快，以及可能出现加工的紊乱的问题。 参考文献： [1] 於凤兵,胡军舰,苟卫忠.基于 PCI 的运动控制卡 SMP330 应用技术[M].可编程控制器与工厂自动化，2007(1):102-106. [2] 武洪恩.基于 Windows 的开放结构控制平台及应用研究[D].济南：山东大学机械学院，2007. [3] 王先述,刘金凌,吴丹等.直线电机微进给机构的研究[J].中国机械工程,1997(8):79-81. [4] 刘金凌,王先选.中凸变椭圆活塞数控车削技术[J].组合机床与自动化加工技术,1994(4):7-9 [5] 刘金凌,王先透.直线电机伺服系统的模糊推理自校正 PID 控制[J].清华大学学报（自然科学版）,1998,38(2) :44-46. [6] 孙斌,扬汝清.基于 PC 的数控系统的研究现状和发展趋势[J].机床与液压，2001(4):3-5.                 作者简介：刘卫华（1982 年-），男，硕士研究生，主要研究方向：超精密加工与检测技术。 通讯作者：郭隐彪（1962 年-），男，工学博士，教授，研究方向：精密超精密加工，光机电一体化，数控技术。   （上接第 7页） 求得 FIR 滤波器的单位抽样响应 h(n),n = 0,1,……,N-1；然后根据序列的傅立叶变换求H(ejω)： ∫+∞∞−−= ωωω denheH njj )()(               （6） 后根据 H(ejω)分析滤波器的幅频特性,检验设计结果是否满足要求。 窗函数可以作为其他信号处理方法的工具，同时它也是信号处理的重要方法。所谓的“窗”就是指通过窗口使我们能看到原始信号的一部分。因为在数字处理时必须把长时间的信号序列截断，而截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数，所以窗函数就是在数据处理过程中对信号取样时所采用的截断函数。 2 结论 我们根据前文所分析的机床加工时的各性能特征搭建了测试平台，对所设计的多通道精密检测系统进行了模拟信号、数字信号以及系统重复性的测试实验，从测试结果可以看出，本系统具有较高的精度和良好的稳定性，基本上符合当前精密加工检测的要求。 超精密加工是一种对加工精度要求很高的技术，振动误差和温升引起的热误差是影响其加工精度的两个主要因素，而微小的误差都会严重影响加工精度，因此如何检测机床加工的特征并给予控制或补偿已经成为该领域研究的热点。本文通过对机床加工的主要误差来源及其特点的分析，利用数据采集原理、数据预处理算法等知识，开发出一套针对振动和热误差的多通道信号采集系统，并在实验平台上取得了良好的实验结果。 参考文献： [1] 王先逵. 精密和超精密加工技术[J]. 机械工人（冷加工），2000（8）3-4. [2] 马明建，周长城. 数据采集与处理技术[M]. 西安：西安交通大学出版社，2005. [3] 靳希，杨尔滨，赵玲. 信号处理原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004. [4] 胡海生，李升亮. Visual C++ 6.0 编程[M]. 北京：清华大学出版社，2003.                作者简介：饶睿智（1987 年-），男，硕士研究生，主要研究方向：超精密加工与检测技术。 通讯作者：郭隐彪（1962 年-），男，工学博士，教授，研究方向：精密超精密加工，光机电一体化，数控技术。 

非球面精密检测系统的设计与实现

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