基于PMAC的激光扫描尺寸测量系统

引 言
在机械加工中经常需要对一些简单的几何尺寸，如直径、边距等进行测量。这类工作重复性大，工作量大，传统的手工测量不仅增加了现场工作人员的工作强度，精度低，且手工测量的数据在统计处理时也很不方便。这类工作如果使用坐标测量仪等精度高，通用性强的仪器测量，在经济和效率上都很难满足要求。另有一种专门的激光扫描传感器可用于此类测量，但其测量精度是建立在对独立运动系统速度的精确控制上的，这无疑增加了成本。为了方便实现对这类简单、一维尺寸、高效、高精度，且易于数据管理的测量，在此提出一种可在PMAC控制卡控制的普通运动平台上实施激光扫描测量的系统。它融合了以上两种测量方法，即通过对激光信号的检测获得被测物的边缘信号，并根据此信号锁存光栅尺读数，以得到被测物的边缘位置，从而进一步得到尺寸值。
这种方法具有光电测量高速、非接触的优点，又可充分利用技术成熟、应用广泛的光栅尺资源。由于光栅尺的精度通常都较高，此测量系统可在一定范围内获得较高的精度。

1 测量原理及整体构造
测量系统由工控机、PMAC控制卡、运动测控系统(包括光栅尺、伺服电机、丝杠等)、激光发射装置和光电检测装置组成。系统的主要原理如图1所示，被测物装在实验台上，并随实验台一起运动，运动的控制由PMAC控制卡完成，它读人光栅尺的读数，并输出给电机的控制量。被测物两侧分别是激光发射装置和光电检测元件，当被测物位于光路中时，检测元件处于断开状态；当被测物离开时，元件导通。随着被测物的移动，当其边沿通过激光束时，检测元件会产生由通到断或由断到通的跳变。通过一定的设置，PMAC可检测到这些跳变信号，并锁存当时的光栅尺读数，这样就得到被测物的边沿位置，而通过测量前后两个边沿位置，就可得到所需的尺寸值。

激光器采用了小功率半导体激光器，波长为640 nm。其小巧的体积和较低的价格使其非常适用于这类应用场合。光电检测元件采用普通的金属封装光电三极管。
PMAC插在工控机的PCI插槽内，并通过PCI总线进行通信。通信的主要内容有两方面：向PMAC发运动控制指令，从而使其完成平台的运动控制；从 PMAC内读取其锁存的被测物边沿位置读数，从而完成结果的输出、保存及分析工作。为方便对采集数据的处理分析，以及便于研究系统性能，该系统采用了工控机加PMAC的组织方案，在系统定型后可以使用更加经济的方案，如ARM-Linux加PMAC。
PMAC控制卡的使用是很灵活的，要构成上面所述的系统需要对其进行一些设置。下面将详细介绍在这种应用中PMAC卡的设置方法及上下位机通信的实现办法。

2 PMAC卡的设置
2．1 PMAC卡简介
PMAC运动控制卡是Delta-Tau公司推出的，它是可通过多种方式与微机接口的系列控制卡。该例使用的是PCI接口控制卡：PMAC-PC。 [p] [p]

从图3可见，前边沿测量数据与时间呈明显的线性关系，这一特点在其他实验中也有明显的体现。依据变值系统误差的判别方法可知，这一特性可看作是一种变值系统的误差。变值系统误差的消除有多种方式，这里采取的思路是首先通过大量实验找到一定的经验函数，以刻画这种误差，之后则可依据这个函数通过补偿的办法消除误差，从而提高系统精度。表1最后一行括号内的数字就是通过测量序列中一元回归分析，剔除时间影响后得出的值。值得注意的是，测量数据和时间的这种相关性并不是十分稳定，它受到其他实验环境因素的影响，即适用于某个系统的补偿函数。通常当系统参数变化时，补偿函数就不再适用了。要在实际测量中通过这种方法提高精度，需要针对具体的情况通过实验完成。另外，可以看出，对同一边的两组数据，标准差有一定差异，这在其他实验数据组中也是普遍现象，可以考虑采用精度较高的数据组来计算尺寸值，即用H_L和Q_A来计算。

4 结 语
在由PMAC控制的运动平台上，可以利用PMAC的位置捕获功能和在其上运行的PLC程序来方便的构建激光扫描尺寸测量系统。通过与上位机的软件配合，该系统可实现对一般工件尺寸的快速、高效、非接触测量，其精度可以满足绝大多数的应用场合。通过进行多次测量实验，可得到与时间相关的变值系统误差经验函数，从而进一步提高精度。