光纤预制棒偏心量检测控制系统设计

徐 辉，赵海伦，费 胜

（1.中天科技精密材料有限公司，江苏 南通 226009；2.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019）

随着信息技术的发展，目前对光纤的需求量越来越大，对光纤的质量要求也越来越严格[1]。光纤预制棒是生产光纤的重要原材料[2]，是用于光纤拉丝的光棒，其自身品质影响拉制处的光纤的性能，因此生产企业会对光纤预制棒的品质参数进行检测，剔除不合格产品。光纤预制棒由内部芯棒和外部包层组成，两端为锥型，中间为平行段，偏心量是光纤预制棒的品质参数之一[3]，其数值可用光纤预制棒平行段两侧包层边缘到芯棒边缘距离之差的绝对值表示。

目前光纤预制棒制造企业主要是采取人工方式测量偏心量，存在测量结果不精确、测量效率低，测量数据需要人为记录等问题，而且随着光纤预制棒的体积越做越大[4]，已超出现有测量工具的量程，因此有必要开发一种光纤预制棒偏心量自动检测系统。

本研究设计了一种光纤预制棒偏心量检测系统，将机械视觉测量技术和运动控制相结合，采用倍福公司的基于PC的控制器作为主控系统，用C#编写上位机软件实现了对多种规格光纤预制棒各位置偏心量的测量。

1 检测装置结构组成和控制需求分析

1.1 检测装置总体结构 检测装置的总体结构见图1，包括移动拍摄机构、支撑旋转机构、X轴移动机构等。移动拍摄机构上安装可在Z 轴上下移动的工业相机，其支撑立柱固定在Y 轴方向移动的Y 轴溜板上，实现相机Y、Z轴方向移动；移动拍摄机构与安装在X 轴移动机构的滑块相连，使相机能够在X 轴移动，以此两个机构实现了相机的三轴移动，可以覆盖所以拍摄位置；支撑旋转机构负责在测量时托举棒体，使棒体保持稳定，同时在有需要时光纤预制棒将旋转一定的角度，以防止放置棒体时，偏心位于相机视角的同一方向而出现漏测的情况。

图1 光纤预制棒检测装置三维结构

检测装置的具体测量方法见图2。

图2 测量方法示意图(俯视视角)

图2 中方框代表相机的视野，将预制棒的边缘与相机视野上下保持平行，相机垂直预制棒拍摄。测量前相机首先定位到中轴线位置，确定中轴线到初始位置的距离为L。根据光纤预制棒包层的设计外径D，芯层的设计直径d，通过PLC 控制相机从初始位置沿Y 轴分别移动L-D/2、L-d/2、L+d/2 和L+D/2，就可对预制棒包层上边、芯层上边、芯层下边、包层下边依次采集，按拍摄次序调用对应图像算法得出包、芯层边缘到图像上边界的距离，即图2 中y1、y2、y3、y4，由光栅尺测出相机的实际位移Y1、Y2、Y3、Y4，最后根据公式(1)和(2)计算出光纤预制棒在当前位置处的实际直径值Ds和偏心量∆。

式中，d1为包层上边到芯层上边的距离，d2为芯层下边到包层上边的距离。

1.2 检测控制系统控制流程 本控制系统采用倍福公司的PLC作为主控制器，通过人机交互界面对检测装置进行控制，具体控制流程为：首先测量要求，在人机交互界面上输入对应的信息，人机交互界面与PLC 通讯将这些信息写进PLC 的控制程序中，再由PLC 驱动电机将相机送到指定位置拍摄所需图像，由视觉软件处理得到图像部分数据，由光栅尺测出相机Y 轴方向实际位移数值，反馈给PLC，再由PLC 发送给上位机进行处理，根据公式(1)和公式(2)得出偏心量的数据。

在测完一点处的偏心量后,PLC 控制X 轴和Y 轴电机驱动相机到达下一点位的第一位置，重复上述过程，总体上相机的移动轨迹为“N”型，直到测量完最后一个位置，测量过程结束。

2 控制系统设计

2.1 控制系统总体结构 为了提高生产效率，偏心量检测系统放置于光纤预制棒的生产现场，其工作过程中受到噪声、高温等不利因素影响，考虑到对光线预制板偏心量测量的精度需求，需要系统具有高精度和高可靠性。本系统采用基于IPC 平台并结合EtherCAT(工业以太网控制技术)的软件式控制方案，利用德国倍福公司提供的工业PC 及TwinCAT3 软件设计下位机控制程序实现对系统的运动控制。检测控制系统硬件主要由工业PC、光栅尺、伺服驱动系统和限位开关等组成，控制系统硬件组成框图见图3。

图3 控制系统结构示意图

检测控制系统以倍福公司的CX6015 型号超紧凑性工业PC 作为控制核心，性价比高，具有集成式Intel Atom 四核处理器的高计算能力，可以满足高精度、高响应速度的测量要求，而且适应光纤预制棒生产现场的高温度环境。根据测量原理可知光栅尺的选型也是影响测量精度的重要因素，另外考虑到光栅尺的工作环境，选择西班牙发格公司的GX-440-1 型号的光栅尺，精度等级为1 um。另外上位机集成倍福TwinCAT软件和图像处理软件HALCON,根上位机PC和下位机PC 之间采用基于TCP/IP 的ADS 通讯，下位机PLC 接收到设定的参数并控制伺服电机驱动相机移动到预设位置采集图像，下位机PLC和伺服驱动器之间采用EtherCAT工业实时以太网通讯。

2.2 下位机控制程序设计 采用倍福公司的TwinCAT3软件设计下位机控制程序[5]，它是基于Windows 操作系统的自动化控制软件，运行在Windows Visual Studio环境下。由于TwinCAT占用CPU的实时核，能够独立于其他处理器进行程序的执行，具有准确的时基[6]。

相机在结束每一点最后一个测量位置的拍摄后，为节省测量时间，采用定位控制的方法控制相机走斜直线直接移动到下一个点位的第一个测量位置，这里需要X、Y两个轴配合速度成线性比例，两个轴的具体速度计算方法如下：

假设一测量点的第一个测量位置的坐标为（VD0,VD4），下一测量点的第一测量位置的坐标为（VD8，VD12），设定的运行速度为VD20，则实际距离为

时间t 为时间距离L/VD20，最后算出X、Y 轴的速度分别为

另外根据生产现场的实际测量需求，PLC 程序具有手动控制和自动控制两部分功能，手动控制用于设备调试和获取预制棒中轴线到初始位置的距离以及手动定位光纤预制棒各边缘位置, 自动模式用于预制棒偏心量的自动化测量。PLC控制程序流程图见图4。

图4 测量控制流程图

3 上位机软件设计

根据企业的实际需求，光纤预制棒偏心量检测系统的人机交互交界面需要具有状态设置、实时监控、测量参数设置以及数据存储等功能。本项目中需要结合TwinCAT3 和HALCON 软件的功能，所以选在Visual Studio 2017 开发平台的.NET 框架下利用C#语言进行界面设计。

3.1 上位机与TwinCAT 软件通讯接口实现 本研究采用ADS通讯协议实现TwinCAT软件与人机交互界面的

通讯。ADS 是一种独立于设备和数据总线的访问ADS设备的接口控制，为设备之间的通讯提供路由[7]。上位机软件与下位机软件（TwinCAT3）通过ADS 通讯实现数据交换，包括PLC 运行状态、IO 端口状态、驱动器状态参数、编码器值以及控制指令等[8]。本研究通过TwinCAT3软件提供的ADS通讯模块，采用变量名访问的方式，建立上位机软件与下位机软件变量名的对应关系，实现过程见图5。

图5 ADS 通讯实现过程

3.2 人机交互界面设计 将HDevelop 环境下开发的图像处理程序导出为C#语言，利用.NET 平台做出可视化界面，显示出图像处理窗口，在Visual Studio 环境下开发人机交互界面，通过ADS 通讯协议与下位机TwinCAT3 变量连接，人机交互界面见图6。

图6 人机交互界面

人机交互界面包括主界面和参数设定界面。主界面左侧是图像的原始图像窗口和边缘捕捉处理后的窗口，能够直观给工作人员显示目前相机拍摄的部位；右侧是设备调试界面，包括状态设置、手动操作和自动操作。

模板设定界面是系统处于自动操作状态时，操作人员根据所测光纤预制棒的规格和测量需要设定对应的参数，下位机接收到这些参数自动执行相应测量动作。

4 设备调试与结果分析

在光纤预制棒的生产车间进行了系统的安装调试，并对D150 (设计直径150 mm) 和D180 (设计直径180 mm)两种规格的光纤预制棒进行了检测实验，测量结果见表1 和表2。

表1 D150 测量结果

表2 D180 测量结果

由表1、2 可知本文设计的光纤预制棒偏心量检测系统能够实现了对多种规格光纤预制棒不同位置处的偏心量及实际直径的检测，测量精度高，满足企业要求。

5 结论

本研究基于光纤预制棒偏心量检测的问题，设计一种光纤预制棒偏心量自动检测系统，结合运动控制和机械视觉测量技术，以倍福公司的工业PC C6015 作为控制核心，采用软PLC 控制技术，配合HALCON 图像处理软件，采用C#设计上位机，实现了对多种规格光纤预制棒偏心量的自动检测，节省了时间成本，极大地提高了企业的生产效率，为企业带来了经济效益。