（机械电子工程专业论文）汽车玻璃曲面超声波检测实验研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展 人们对汽车的需求与日俱增 虽然我国的汽车产量 与日俱增 但是我国汽车工业在装备技术开发上仍然落后 随着我国汽车产业 的继续发展 这个问题将日趋严重 汽车玻璃是生产汽车的必备零部件 其需 求量也是非常大 但是由于我国汽车生产过程缺少准确有效的质量检测设备 尤其是汽车玻璃曲面在线检测 难以提高产品质量 在这种情况下 根据有关 企业提出的要求 本文开发了一种汽车玻璃曲面质量超声波检测系统 汽车玻璃检测是指对汽车前 后挡风玻璃及车门玻璃等汽车玻璃进行检测 的系统 是根据汽车玻璃检测的特点设计制作的 与常见的机夹工检测差别 较大 汽车玻璃检测作为主要的检测手段来控制产品的外形质量 具有迅速 准确 直观 方便等优点 尤其适合大批量生产的需要 提高汽车玻璃检测系 统的设计 加工和检测水平对提高汽车玻璃产品的市场竞争力有着很重要的意 义 文章首先论述了课题的背景和意义 介绍了国内外关于汽车玻璃曲面检测 的研究现状 再介绍汽车玻璃超声波检测系统工作原理和检测方法 接着为进 行实验选定方案 依据选定的方案建立实验系统 最后对实验所得数据进行分 析处理 最后为得到的结论 结果表明 所得的曲面拟合数据与标准曲面是总 体一致的 本课题的研究工作得到了广州福耀玻璃有限公司支持 本文检测系统的建 立 为汽车玻璃曲面检测提供了一种可行的方法 为汽车玻璃在线检测提供了 有效的参考 关键词 曲面超声波汽车玻璃检测 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t a sc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t p e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n df o rc a r s t h o u g hc h i n ah a sal o to fg o o da u t oc o m p a n i e s b u tc h i n a sa u t o m o b i l e i n d u s t r y s t i l le x i s t si ns m a l ls c a l e b a c k w a r dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i m p o r ta n de x p o r td e v e l o p m e n tisu n b a l a n c e d c o n s u m e rp o l i c yi sn o ts o u n d a n ds e r v i c em a n a g e m e n tb a c k w a r d n e s sa n ds oo n e s p e c i a l l yi nt h et e c h n i c a l c o n t r o lo fo t h e r s w i t ht h ec o n t i n u e dd e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l e i n d u s t r y t h i si s s u ew i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s a u t o m o t i v eg l a s si s e s s e n t i a lf o rp r o d u c t i o no fa u t o m o t i v ep a r t sa n dc o m p o n e n t s i t sd e m a n di s v e r yl a r g e b u t b e c a u s eo ft h el a c ko fc h i n a sa u t o m o t i v e g l a s s m a n u f a c t u r e r se f f i c i e n ta n da c c u r a t e q u a l i t yt e s t i n ge q u i p m e n t t h e i r p r o d u c t sw a n tt om o v ei n t ot h eh i g h e n di sv e r yd i f f i c u l t i nt h i sc a s e w e m u s t d e v e l o p as e to fc o s t q u a l i t yt e s t i n g e q u i p m e n t s u r f a c em o l d i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m eo u rp r e f e r r e ds o l u t i o n t h ea u t o m o b i l eg l a s se x a m i n a t i o ni sr e f e r st oa u t o m o b i l eb e f o r ea n d a f t e ra u t o m o b i l eg l a s sa n ds oo nw i n d s h i e l da n dd o o rw i n d o wg l a s sc a r r i e s o nt h ee x a m i n a t i o nt h e s y s t e m i sa c c o r d i n g t ot h ea u t o m o b i l eg l a s s e x a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c d e s i g nm a n u f a c t u r e w i t hc o m m o nm a c h i n e c l a m p st h el a b o re x a m i n a t i o nd i f f e r e n c et ob eb i g t h ea u t o m o b i l eg l a s s e x a m i n a t i o nt a k e st h em a i ne x a m i n a t i o nm e t h o dt oc o n t r o lt h ep r o d u c tt h e c o n t o u rq u a l i t y h a sr a p i d l y a c c u r a t e d i r e c t v i e w i n g c o n v e n i e n ta n ds oo n m e r i t s e s p e c i a l l ys u i t st h ep r o d u c t i o ni ne n o r m o u sq u a n t i t i e st h en e e d e n h a n c e st h ea u t o m o b i l eg l a s se x a m i n a t i o ns y s t e m sd e s i g n t h ep r o c e s s i n g a n dt h ee x a m i n a t i o nl e v e lt oe n h a n c e st h ea u t o m o b i l eg l a s sp r o d u c tt h e m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s st oh a v et h ev e r yv i t a l s i g n i f i c a n c e t h ea r t i c l ef i r s td i s c u s s e st h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e o ft h e s u b j e c t i n t r o d u c e da th o m ea n da b r o a do nt h ea u t o m o t i v eg l a s ss u r f a c e s d e t e c t i o no ft h es t a t u s q u o a u t o m o t i v eg l a s si n s p e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t r e i n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e t e c t i o nm e t h o d s a n dt h e ns e l e c t e d f o rt h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m b a s e do nt h es e l e c t e dp r o g r a m st oe s t a b l i s h e x p e r i m e n t a ls y s t e m s t h ef i n a le x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df o ra n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g f i n a l l yc a m et o t h ec o n c l u s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ts u r f a c e f i t t i n gd a t ao b t a i n e dw i t ht h es t a n d a r ds u r f a c ei sg e n e r a l l yt h es a m e r e s e a r c hi n t h i st o p i ch a sb e e nf u y a og l a s sc o l t d g u a n g z h o u s u p p o r t e dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h i sd e t e c t i o ns y s t e mf o rt h es t u d yo f c h i n a sa u t o m o b i l ei n s p e c t i o np r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h e a u t o m o b i l eg l a s sd e t e c t i o no fc r o s st o o kab i gs t e pf o r w a r d k e y w o r d s u r f a c e u l t r a s o n i ca u t o m o t i v eg l a s sd e t e c t i o n 1 1 1 c o n t e n t s a b s t r a c t c h i n e s e a b s t r a c t c o n t e n t s c o n t e n t c h i n e s e c o n t e n t c h a p t e rli n t r o d u c t i o n i i ib a c k g r o u n da n dp u r p o r to ft h ep r o j e c t 1 1 1 1a u t o m o t i v eg l a s ss u r f a c ed e t e c t i o n 2 1 1 2s y s t e ms o l u t i o n s 2 1 1 3d o m e s t i c a n df o r e i g nr e s e a r c ha b o u tt h et o p i c 4 1 1 4s o u r c eo f t o p i c s 5 1 2m a i nt a s ka n df r a m e w o r ko f t h i st h e s i s 6 1 2 1m a i nt a s ko f t h i st h e s i s 6 1 2 2f r a m e w o r ko f t h i st h e s i s 6 c h a p t e r2s y s t e mp r i n c i p l ea n di n t r o d u c t i o n o ft e s tm e t h o d 7 2 1p r i n c i p l e so fs u r f a c ef i t t i n g 7 2 1 1p r i n c i p l e so fp o l y n o m i a ls u r f a c ef i t t i n g 8 2 1 2p r i n c i p l eo fm u l t i f a c e t e df u n c t i o nf i t t i n g 8 2 1 3p r i n c i p l e so fs u r f a c es p l i n ef i t t i n g 9 2 2t i mw o r k i n gp r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n t 1 0 2 2 1u l t r a s o n i cg e n e r a t o r 10 2 2 2p r i n c i p l e so fu l t r a s o n i cr a n g i n g 11 c h a p t e r3s e l e c t i o no f t h ep r o g r a m 1 2 3 1a u t o m o t i v eg l a s ss u r f a c ed e t e c t i o no fi s s u e st ob ec o n s i d e r e d 1 2 3 1 1s e n s o r s 1 2 3 1 2s a m p l i n gc i r c u i t 13 3 1 3m o t i o np l a t f o r n a 1z l 3 2i d e a so fe x p e r i m e n t a ld e s i g n 15 3 3e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s 1 6 3 3 1s a m p l i n gt i m e 1 6 v 广东工业大学硕士学位论文 3 2p l a t f o r mv e l o c i t y 16 3s a m p l i n gi n t e r v a l 1 7 3 4o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n 1 7 c h a p t e r4s y s t e mh a r d a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t1 9 4 1 5 l r d w a r ed e s i g n 19 4 1 1m c ua n di t sa l l o c a t i o no f h a r d w a r er e s o u r c e s 1 9 4 1 2a ds a m p l i n gm o d u l e 2 0 4 1 3c o m m u n i c a t i o n 2 2 4 2s o f t w a r ed e v e l o p 便n t 2 3 4 2 1m i c r o c o n t r o l l e rp r o g r a m m i n g 2 4 4 2 2p c p r o g r a m m i n g 2 6 c h a p t e r5i d e n t i f i c a t l o ne x p e r i m e n ta n dd a t aa n a l y s e 2 9 5 1s i m u l a t i v e e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t 2 9 5 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 31 5 3d a t aa n a l y s e 31 5 3 1p r e p a r a t i v ep r o c e s so f d a t a 3 1 5 3 2s u r f a c ef i t t i n g 3 3 5 4a n a l y s eo fe x p e r i m e n tr e s u l t 3 3 s u m m a r y 4 3 1 s u m m a r yo ft h e s i s 4 3 2 p r o s p e c t z 1 4 r e f e r e n c e p u r s u ead e g r e ed u l u n gt h ep a p e r d e c l a r a t i o no fo r i g i n a lc r e a t i o n t h a n k s a p p e n d i x lm c up r o g r a m m i n g v i i i 4 5 4 9 4 9 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着我国经济的发展 人们对汽车的需求与日俱增 虽然我国有很 多的汽车企业 但是我国汽车工业仍存在经济规模小 技术开发落后 进出口发展不平衡 消费政策不健全和服务管理落后等问题 特别是在 技术上受制于人 随着我国汽车产业的继续发展 这个问题将日趋严重 汽车玻璃是生产汽车的必备零部件 其需求量也是非常大 但是由于我 国汽车玻璃生产厂家缺少高效准确的质量检测设备 产品出厂质量难以 有效控制 其产品想打入高端市场是非常困难的 同时 汽车玻璃的质 量是关系到汽车的行驶安全 因此 在这种况下 我们就必须开发出一 套物廉价美的质量检测设备 满足汽车玻璃生产质量检测的需要 确保 其出厂质量以及为生产过程的质量提高提供准确的检测参数 在经过反 复的论证和调研的基础上 曲面成型技术就成了我们首选的技术方案 近年来 随着我国国民经济的快速发展和汽车工业的跳跃式增长 我国民用汽车的保有量迅速增加 同时汽车玻璃零部件生产也得到了急 速扩张 至2 0 07 年末 全国民用汽车保有量达到5 6 9 7 万辆 比上年末增 长14 3 其中私人汽车保有量3 5 3 4 万辆 增长2 0 8 2 0 0 8 年全国汽车 的产销量突破一千万辆 2 0 0 9 年前十一个月我国汽车产销量突破12 0 0 万 辆 201 0 年 汽车保有量达到71 67 万辆 年平均增长15 2 随着我国经济的不断发展 生活水平的不断提高 人们对汽车的需 求与日俱增 按保守估计 未来中国汽车保有量将达到4 9 亿辆左右 由此可见 研制汽车玻璃质量检测设备有着巨大的市场需求和重要 的经济价值 并且由于我国大部分汽车玻璃生产厂家的检测基本都处在 原始的手工检测状态或者完全依赖于外国技术 因此 本课题的选取与 开展研究是符合我国产业发展需求和方向的 具有十分重要的意义 广东工业大学硕士学位论丈 1 1 1 汽车玻璃曲面检测 国外汽车产业起步很早 在开始时期 其汽车玻璃检测也是纯手工 进行 但是随着技术的发展 特别是自动化技术和计算机技术的发展 使汽车玻璃检测技术得到了飞速发展 国外一些发达国家 早在2 0 世纪 四五十年代就研制成功了一些功能单一的检测设备 并发展成为以故障 诊断和性能调试为主的单项检测诊断设备 6 0 年代末 开始研制生产出 了一些非接触式汽车玻璃检测设备 汽车检测设备大量应用了声学 光 学 电子学 机电一体化技术 2 0 世纪7 0 年代以后 计算机技术得到了 迅速发展 并向各行各业渗透 汽车玻璃检测技术利用计算机测量与控 制技术实现了检测过程自动化 由计算机进行检测数据采集 数据处理 和数据打印 更是可以大大提高了检测效率和准确性 1 1 2 可能的系统方案 汽车玻璃检测技术可以参考许多现代检测技术 如机器视觉 激光 测距等 但是如何高精度地检测出传感器到玻璃曲面的距离是汽车玻璃 质量检查中尚待解决的关键性问题 多年来 各国都投入了大量的人力 物力在这方面上 取得了一定的研究成果 这里有几种较有代表性的系 统方案 l 基于机器视觉系统 机器视觉系统就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断 它是计 算机学科的一个重要分支 它综合了光学 机械 电子 计算机软硬件 等方面的技术 涉及到计算机 图像处理 模式识别 人工智能 信号 处理 光机电一体化等多个领域 图像处理和模式识别等技术的快速发 展 也大大地推动了机器视觉的发展 在生产线上 人来做此类测量和判断会因疲劳 个人之间的差异等 产生误差和错误 但是机器却会不知疲倦地 稳定地进行下去 一般来 说 机器视觉系统包括了照明系统 镜头 摄像系统和图像处理系统 对于每一个应用 我们都需要考虑系统的运行速度和图像的处理速度 使用彩色还是黑白摄像机 检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷 视 2 第一章绪论 场需要多大 分辨率需要多高 对比度需要多大等 从功能上来看 典 型的机器视觉系统可以分为 图像采集部分 图像处理部分和运动控制 部分 一一个完整的机器视觉系统的主要工作过程如下 1 工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心 向图像采集部分发送触发脉冲 2 图像采集部分按照事先设定的程序和延时 分别向摄像机和照明系 统发出启动脉冲 3 摄像机停止目前的扫描 重新开始新的一帧扫描 或者摄像机在启 动脉冲来到之前处于等待状态 启动脉冲到来后启动一帧扫描 4 摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构 曝光时间可以事先设 定 5 另一个启动脉冲打开灯光照明 灯光的开启时间应该与摄像机的曝 光时间匹配 6 摄像机曝光后 正式开始一帧图像的扫描和输出 7 图像采集部分接收模拟视频信号通过a d 将其数字化 或者是直 接接收摄像机数字化后的数字视频数据 8 图像采集部分将数字图像存放在处理器或计算机的内存中 9 处理器对图像进行处理 分析 识别 获得测量结果或逻辑控制值 10 处理结果控制流水线的动作 进行定位 纠正运动的误差等 从上述的工作流程可以看出 机器视觉检测装置是一种比较复杂的系统 因为大多数系统监控对象都是运动物体 系统与运动物体的匹配和协调 动作尤为重要 所以给系统各部分的动作时间和处理速度带来了严格的 要求 在某些应用领域 例如机器人 飞行物体导制等 对整个系统或 者系统的一部分的重量 体积和功耗都会有严格的要求 应用中采用线扫描的取像方式 使用不同的打光方式把周边空间同 玻璃本体区别开来并且得到玻璃的曲面图形 再使用专用的视觉检测软 件进行处理 并把检测到的三维坐标发送给分选设备做质量分析从而进 行分选 2 激光扫描系统 3 广东工业大学硕士学位论丈 激光扫描系统是基于激光截面三角测量的原理 通过点扫描方式扫 描受测对象 对工件表面进行非接触式的扫描 在激光线条上采集非常 密集的数字化 坐标 点 以获得其点云数据 该系统由多个激光测距传感 器组成 自动扫描玻璃曲线图形 然后又重构成曲面 传感器采用专用 的激光测距电路和处理芯片 能对透明玻璃进行光测距而不受影响 但 这种检测方案的主要缺点是对传感器的技术要求非常高 在我们国内难 生产出这样的传感器 并且国外也对我们进行技术封锁 对我国传感器 成品出1 3 也卡的很严 使得系统的开发成本和难度较大 1 3 5 3 超声波扫描系统 该系统在原理上和方案2 相似 由传感器 采样电路 处理用p c 机等 组成 该系统由多个超声波测距传感器组成一个阵列 自动扫描玻璃曲 线图形 然后又通过曲面成型技术生成曲面 通过与玻璃原设计的标准 曲面继续对比分析 得到该玻璃是否合格 再将该信号送给分选机构进 行分选 这种检测方案的主要优点是对传感器的技术要求不是很高 超 声波传感器在国内很多厂家都可以自行生产 并且对生产工艺要求不高 但是生产出的传感器却可以达到玻璃检测的精度 因此开发成本和难度 都不高 但主要缺点是超声波传感器的感应范围不是一个点是一个圆面 作用范围比较宽 在超声波传感器中心还没有到达玻璃边缘的时候就有 信号返回 因此要对玻璃边缘进行锐化 使其信号差别加大 这样可以 使后期数据处理起来比较容易 对用这种方法进行检测可能遇到的技术 难点按照传感器 采样电路 p c 采集 数据处理分析四个组成部分进行 分解 并对此做出了相应的对策 就可以解决 1 1 3 国内外研究现状 玻璃曲面检测在国内还是一个新兴课题 研究的人员很少 相关文 献也很少 不过曲面拟合技术在快速原型设计中却用途广泛 东北大学 用a t o s f d m 曲面成型误差与快速原型工艺研究处于国内先进水平 它用 是实物样件 将实物模型转化为c a d 模型 属于逆向工程的范畴 阳 2 3 计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下 按照现有零件 的模型 产品原型或油泥模型 利用各种数字化技术及c a d 技术重新构 4 第一章绪论 造c a d 模型而克隆或创造实物产品 旧 纠其他很多学校也在进行逆向工 程的研究 本课题借鉴其他行业运用曲面拟合技术的成果 应用于汽车 玻璃质量检测中 这是本课题的创新点 在国外 德国is r a 表面视像设备有限公司是世界上最先进的生产玻 璃检测设备的专业公司 其一体化检测系统p o w e r s c a n 和 f 1o a t sc a n p a t t e r n 系统是光学玻璃表面检测的创新性解决方案 3 4 它可 以检测玻璃三维形状和检测玻璃中的缺陷 边和尺寸 是世界上最先进 的玻璃质量检测设备 但是其价格十分昂贵 并且由于核心技术掌握在 国外厂家 对我国的玻璃制造产业十分不利 下图是p o w e r s c a n 的结构原 理图 在生产过程中 p o w e r s c a n 即使在最高速度下也能做到同时检测所 有形状和尺寸 图卜lp o w e r s c a n 结构原理图 1 1 4 课题来源 本课题来自广州福耀玻璃有限公司的生产实际需要 其玻璃的质量 检查一直依靠人工手工检测和抽样检测 在生产线上 用人工人力的方 式来做此类检测和判断会因为疲劳 个体之间的差异等产生误差和错误 并且效率较低 这对于其出厂玻璃的质量控制影响很大 无法保证产品 质量满足汽车制造商的要求 对公司的继续发展产生了很大的制约 因 此尽早研制出一套高精度 高可靠性的全自动玻璃质量检测系统是生产 广东x t k 大学硕士学位论丈 企业的迫切需要 本课题正是基于这种情况下 在生产企业的迫切要求 下应运而生的 1 2 论文主要工作及论文结构 1 2 1 主要完成工作 1 针对课题的研究内容开展可行性调研 确定研究方向 搜集国内 外相关资料和研究进展情况 为研究工作提供参考 2 对检测系统的工作原理及检测方法等进行分析 然后根据检测的 目的与要求 选定方案 构建实际检测系统 3 进行模拟实验和对数据进行处理及分析 获取汽车玻璃曲面数据 并对实验结果进行分析 1 2 2 论文结构 本论文共分五个章节 第一章绪论叙述论文研究的背景 研究目的和意义 第二章介绍汽车玻璃检测系统工作原理和检测方法 第三章为进行实验选定方案 第四章根据选定的方案建立实验系统 第五章讲述检测实验 并对实验所得数据进行分析处理 最后为得 到的结论 6 第二章系统工作原理及检测方法简介 第二章系统工作原理及检测方法简介 本实验系统目的是检测汽车玻璃的曲面形状 并与标准曲面形状进 行比对 从而判定被检测汽车玻璃的曲面形状是否合格 该检测系统工 作原理是通过对被检物体进行超声波扫描检测 以获得扫描点x yz 的数 据 通过数值拟合理论 形成数学模型 从而进行比对获得结果 如下是本实验系统一一汽车玻璃曲面检测系统的理论和检测原理的 具体分析 2 1 曲面拟合原理 如图2 1 所示 当检测点分布在一定区域面内 用超声波传感器测出 各个点离传感器的距离 便会有一组xyz 的数据 用数值拟合的方法求出 玻璃的曲面出来 即z f x y 的函数关系 与标准曲面进行对比便 可以判断玻璃曲面是否合格 常用的曲面拟合原理有 多项式曲面拟合原理 多面函数拟合原理 曲面样条拟合原理 1 图2 1 系统工作示意图 7 广东工业大学硕士学位论文 2 1 1 多项式曲面拟合原理 设点的z 与平面坐标x y 有如下关系 z f x y 式中f x y 为z 中的趋势值 为误差 且 f x y a o a l x a 2 y a 3 x 2 a 4 y2 a 5 x y 写成矩阵形式为 z x b 其中 z h z 2 z 3 z n r b a l a 2 a 3 a n r e 1 e 2 e 3 n x 1 x 1 y l x 1 2 1 x 2 j 2 x 2 2 1 x n y n 朋2 2 3 将每个已知点都列出以上方程 在 2 m in 的条件下 解出各a 再 按式 3 求出待求点的z 值从而求出h 2 1 2 多面函数拟合原理 多面函数拟合法 19 71 年由美国哈笛 h a r d y 提出 19 7 6 年将此法应 用于美国大地测量 拟合重力异常 大地水准面差距 垂线偏差等 197 8 年将此法用于地壳形变 它的基本思想是任何一个规则或不规则的连续 曲面均可以由若干简单面 或称单值数学面 来叠加逼近 具体做法是在 每个数据点上建立一个曲面 然后在方向上将各个旋转曲面按一定比例 叠加成一张整体的连续曲面 使之严格地通过各个数据点 誓 z f x y 7 吗q x e 西 砖 l 多面叠加的数学表达式为 8 第二章系统工作原理及检测方法简介 这里q x y x i y i 为参加插值计算的简单数学面 又称为多面函 数的核函数 m 为简单数学面的张数或多层叠加面的层数 它的值与分块 扩充范围内参与点的个数相等 q i 1 2 3 4 m 为待定参数 它 代表了第i 个核函数对多层叠加面的贡献 因此 设点的z 与平面坐标工 y 有如下关系 z z a q x y t 只 4 式中 q 为待定系数 q x y 薯 咒 为核函数 x y 为待求点的坐标 只为已知点的坐标 令q x y 誓 只 x 一薯 2 y 一只 2 6 1 7 2 5 弛北瑙娼 叫豢挑 z p q 矿9 q r z 7 2 1 3 曲面样条拟合原理 z x y a o a l x a 2 y 巧 2l n r 2 z e 薯 z r y 0 9 广东工业大学硕士学位论文 口o 4 e 拜 t l 口l 2 e 薯 j 寡l 口2 2 j 9 i i i f p 0 6 丌d 彳 x 一薯 2 y 一只 2 9 式中 x y 为待求点的坐标 薯 只为已知点的坐标 4 丑为待定系 数 p 为点的负载 d 为刚度 对于每个公共点都可以列出一个z x y 方程 对于n 个公共点列出n 3 个方程 就可以求解出n 3 个未知系数a 0 口l f 1 2 e e e 求解式 8 时 至少应有3 个公共点 m 1 在m a t l a b 的n a gf o u n d a tio nt o o lb o x 中有一些曲面拟合函数 如 e 0 2 d a f 是最小二乘平方曲面拟合函数 e 0 2d e f 口 f 求出曲面拟合的函数值 g rid d a t a 函数 只能给出曲面 不能给出方程 使用m a t l a b 做曲面拟合 工作是很方便的 8 1 2 2 超声波测距的工作原理 2 2 1 超声波发生器 总体上讲 超声波发生器可以分为两大类 一类是用电气方式产 生超声波 一类是用机械方式产生超声波 电气方式包括压电型 磁 致伸缩型和电动型等 机械方式有加尔统笛 液哨和气流旋笛等 它 们所产生的超声波的频率 功率和声波特性各不相同 因而用途也各 不相同 目前较为常用的是压电式超声波发生器 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的 它有 两个压电晶片和一个共振板 当它的两极外加脉冲信号 其频率等于压 电晶片的固有振荡频率时 压电晶片将会发生共振 并带动共振板振动 便产生超声波 反之 如果两电极间未外加电压 当共振板接收到超声 1 0 第二章系统工作原理及检测方法简介 波时 将压迫压电晶片作振动 将机械能转换为电信号 这时它就成为 超声波接收器了 阳1 2 2 2 超声波测距原理 超声波探测物体的位置是通过测距和测角同时来确定的 超声波测距 的方法较多 例如渡越时间测距法 声波幅值测距法 相位测距法 它 们各有各自的特点 但用的最多的是渡越时间测距法 其工作原理如下 检测从超声波发射器发出的超声波 经过介质的传播到接收器的时间 即渡越时间 渡越时间与声速y 相乘 就是声波传输的距离 其计算公 式如下式所示 w 10 对 10 式两边微分可得 d l v d t t d v 11 式 1 1 说明 超声波测距传感器的测试精度是由渡越时间和声速两个 参数的精度决定 如将y 看作常量 则 1 1 式可简化为 d l v d t v f 12 式 12 表明 计时电路的计时频率越高 传感器的测试精度越高 因 此我们在选择超声波传感器的时候应该尽量选用频率较高的 们 但是由于超声波在空气中 其频率越高 其衰减的速度也越快 所以 其频率会被限制在一定范围内 一般是几百k h z 再往上其制作难度会很 大 广东工业大学硕士学位论文 第三章方案的选定帚二早力采副延疋 3 1 汽车玻璃曲面检测需要考虑的问题 检测过程中 要求被检测对象固定在一个水平面的平台上 并且该 平台可以作平面均匀运动 而传感器垂直悬挂在平台正上方 让运动平 如与传感器两者之间产生水平匀速相对运动 这样传感器就可以一个截 面一个截面的扫描被检测对象并获得相关数据信息 为此 我们需要考 虑以下问题 3 1 1 传感器 超声波传感器是利用超声波检测技术 将感受的被测量转换成可用 输出信号的传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机械波 由换能 晶片在电压的激励下发生振动产生的 它具有频率高 波长短 绕射现 象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 超声波对液 体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几 十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒效应 因此超声波检测广泛应用在工业 国 防 生物医学等方面 本实验的关键是传感器的选择 选择一款高性能的超声波传感器有 着关键的作用 它既要性能优良又要价格便宜 我们选择采用德国威声 m ic r os o n ic 公司的v n p 3 5 超声波传感器 传感器量程可达到2 0 0 m m 内部带有温度补偿功能 测量分辨率0 0 3 m m 可以达到检测系统的目标 并且带标准模拟信号输出 可以直接连接采样电路进行采样 具体结构 如图3 1 1 2 第三章方案的选定 3 1 2 采样电路 图3 1 传感器 a d 采样使用l h m p u 8 9 c 51 控制板 其中a d 芯片采用精度高 12 位 速度快 采样周期25 u s 的a d 57 4 并在其转换前对信号作了采样 保持处理 是完全可以达到检测需要的 其c p u 为i n t e l 公司生产的 8 9 c 51 8 9 c 5 2 89 c 5 5 等 出厂所配晶振频率为1 1 0 5 9 2 m 每个机器周期 为0 8 5 u s 用户可更换晶振以提高速度 其中程序存贮器为6 4 k 其中前4 k 8 k 2 0 k 在c p u 内部 其它程序 在e p r o m 2 7 512 中 数据存贮器为3 2 k 6 2 2 5 6 地址为8 0 0 0 f f f f h i o 扩展815 5 片内r a m 地址为 2 0 0 0 2 0 f f h 8l55 命令口地址为 210 0 h a 口地址为 2101h b 口地址为 2l0 2 h c 口地址为 210 3 h t 低八位 210 4 h t 高八位 210 5 h a d 采用精度高 速度快 2 5 u s 的a d 57 4 并在其转换前对信号 作了采样保持处理 a d 57 4 启动地址为 4 0 0 0 h 高八位地址为 4 0 0 2 h 低四位地址为 4 0 0 3 h 多路模拟开关的使用 i n 0 p1 o f 8 hi n 4 p1 o f c h i n1 p1 o f 9 h i n 5 pl o f d h i n 2 p1 o f a hi n 6 p1 o f e h i n 3 p1 o f b hi n 7 p 1 o f f h 1 3 广东工业大学硕士学位论文 p1 0 按c k 4 0 5l 的c 9 p1 1 按c k 4 0 51rb 脚 10 p1 2 按c d 4 0 5l 的a 脚 1 1 供电 5 v 30 0 m a 12 v 10 0 m a 和一12 v10 0 m a 具体结构如图3 2 1 3 1 3 运动平台 图3 2 采样电路板 实验用的运动平台要求速度均衡性 平稳性良好 因此选择运动平台 直接会影响到实验的精确性和有效性 为此经过多次的试验和不同的尝 试后 我们选择了使用m c v 6 0 0 数控加工中心为实验用运动平台 该加 工中心精度高 编程简单 运动速度均衡精确 用作实验检测运动平台 是很好的设备和得力帮手 要是使用机床手工控制根本无法完成实验 其具体性能参数如表3 1 2 1 表3 1v 6 0 0 数控加工中心性能参数表 z 轴行程 m m5 5 0 三轴行程x 轴行程 m m 6 0 0 y 轴行程 m m4 0 0 工作台长度 宽度 m m9 0 0 x 4 0 0 x y 轴快速位移 m m i nlo 进给 z 轴快速位移 m m i nlo 定位精度 m m 士o 0 0 6 5 0 0 长度每增加3 0 0 m m 精度就减少0 0 0 2 m m 糟度 重复定位精度 m m0 0 0 6 通过以上分析 我们可以知道曲面拟合理论和检测原理是可行的 接下来我们就可以展开实验研究 1 4 第三章方案的选定 3 2 实验设计思路 检测系统的工作流程示意图如图3 3 所示 曲面检测系统由开始 扫描 处理 结束这四步组成 其扫描过程自动完成 后期数据处理过 程是由工控计算机完成的 开始 1 l 扫描 1 l 处理 j 结束 图3 3 系统的工作流程图 系统的组成结构图如下图3 4 所示 传感器 1 l i 采集电路 上 计算机 图3 4 系统组成结构图 检测方式的选定还必须根据实际实验的需要 使用非接触形式扫描 得到的多个曲线可以拟合出一个玻璃曲面 用这个曲面与标准曲面的基 1 5 广东工业大学硕士学位论文 准边重合 就可以得到两个曲面的最大间隙 得到吻合度的标准 其各 边与理想边的尺寸的误差可以作为尺寸偏差评定的标准 国家标准鉴定 汽车玻璃是否合格也是采样相同方法 不过是手动的而已 3 3 与实验有关的参数 目前 检测系统的实验参数选择没有任何的现成经验可借鉴 只能 通过粗略地估或根据采样相关机理分析进行估算 计出系统的系统采样 时间 测试平台运动速度 采样横坐标间隔等参数数值 并进行反复多 次的试验 通过系统在运行中积累起来的经验不断地优化选择 从而找 出较有代表性的参数 作为实验用参数 使试验能做到更加有的放矢 更加有效 因此 实验的参数选取是一个大量实验的过程的结果 其工 作量是十分大的 但也是一个科学探索的过程 3 3 1 系统采样时间 本实验的采样时间的长短就是两个相邻的采样点之间的距离的大 小 这个距离的大小将会直接影响到实验结果的优良与否 理论上我们 当然希望采样间隔时间越短越好 这样可以采集到更多数据 但是由于 电路原因 信号进入a d 进行转化后又要通过单片机传到p c 机里面 这 个过程需要一定的时间 经过多次反复的试验 我们发现采样时间在2 5 m s 时没有数据丢失现象 所以系统采样时间设计为三个等级2 5 m s 3 0 m s 1 0 0 m s 3 3 2 测试平台运动速度 本实验的测试运动平台的速度的快慢也会直接影响到采样点的多少 采样点的多少也会直接影响到实验结果的优良与否 运动平台的速度越 快 一个截面的扫描时间就会越短 这会造成采样的点数不够 但是时 间越慢的话 整个扫描时间就会很长 所以这是矛盾的 所以速度必须 适中 并且和采样时间一起考虑 这样选取运动速度也是三个等级 2 0 0 m m m i n 3 2 0m m m j n 5 0 0m m m i n 1 6 第三章方案的选定 3 3 3 采样横坐标间隔 采样横座标间隔的大小实际上就是扫描面的多少 因此 每个截面 之间的间隔对整个曲面拟合的精度有很明显的作用 并且由于间隔越小 相同的一块玻璃 采样的次数就越多 是一个正比关系 通过不断的对 比研究与分析 根据做实验用的汽车玻璃的具体情况 我们设定了三个 间隔等级2 5 m m 5 r a m 1o m m 来进行实验 当然 能根据被测量对象的大至外形来设定采样横座标间隔 做到 具体问题具体分析是最有效的 3 3 4 正交试验设计 正交试验法 就是在多因素优化试验中 利用数理统计学与正交性 原理 从大量的试验点中挑选有代表性和典型性的试验点 应用 正交 表 科学合理地安排试验 从而用尽量少的试验得到最优的试验结果的 一种试验设计方法 正交试验设计 o r th o g o n a le x p e r im e n t a ld esig n 是研究多因素多 水平的又一种设计方法 它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代 表性的点进行试验 这些有代表性的点具备了 均匀分散 齐整可比 的特点 正交试验设计是分式析因设计的主要方法 是一种高效率 快 速 经济的实验设计方法 日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表 格 称为正交表 例如作一个三因素三水平的实验 按全面实验要求 须进行3 3 2 7 种组合的实验 且尚未考虑每一组合的重复数 若按l 9 3 正交表安排实验 只需作9 次 按l l8 3 正交表进行l8 次实验 显然大 大减少了工作量 因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛 应用 在本玻璃检测试验中 有三个变量 系统采样时间 测试平台运动 速度 采样横坐标间隔 每个取值又有三种 所以本试验就是三因素三 水平试验 本试验研究也选择应用正交试验设计进行 其正交实验设计