小直徑軸管類零件圓度激光在線檢測技術(shù)研究

陳善奇，翟 華，2，劉 洋，宥摶睿

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 合鍛研究院，安徽 合肥 230009）

1 引言

激光檢測技術(shù)具有非接觸、無損傷以及檢測速度快等優(yōu)點，在零件尺寸、形位誤差的檢測中發(fā)揮出越來越重要的作用。

已有工作針對小尺寸零件在線檢測問題，采用杠桿接觸式系統(tǒng)進行測量[1-3]，由于杠桿接觸式系統(tǒng)部件尺寸相比零件本身要大很多，相應自動化輸送裝置較大，設計存在困難，難以形成批量生產(chǎn)。本文提出的基于激光三角測量法的圓度et在線檢測系統(tǒng)，能夠準確測量出工件半徑變化量，結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)，適用于小直徑軸管類零件圓度在線檢測。

2 激光三角測量原理

本文選用基于激光三角測量原理制造的松下HL-G1型激光位移傳感器，分辨率0.5μm，測量范圍±4mm，安裝位置在距被測工件中心30mm處，入射激光束光斑直徑100μm。其測量原理如圖1所示，激光發(fā)生器1發(fā)射出激光束經(jīng)過準直透鏡2垂直照射在被測工件表面3，漫反射光經(jīng)過接收透鏡5落在光電接收器6上，被測表面位置的不同，相應反射光線在光電接收器的位置也會發(fā)生變化，由光電接收器上像點相對基準的位移量為x，根據(jù)激光三角測量原理可得出被測表面相對傳感器參考零點的距離y。

式中：f——接收透鏡焦距；

L1——光學測量系統(tǒng)像距；

L2——光學測量系統(tǒng)物距；

α——反射光線與法線之間的夾角；

β——反射光線與光電接收器之間的夾角。

圖1 激光三角測量原理

3 激光在線檢測系統(tǒng)設計

本文設計的小直徑軸管類零件圓度在線檢測系統(tǒng)如圖2所示。主要由三圓定心式夾緊機構(gòu)，松下HL-G1激光位移傳感器和工作臺組成。測量過程中可利用工作臺對傳感器的位置進行調(diào)節(jié)使其達到理想的工作位置。采用三圓定心式夾緊機構(gòu)對被測工件進行夾緊和定位，工件2由三圓定心式夾緊機構(gòu)上的主動端軸承6和從動端軸承5支撐，通過主動輪4和從動輪1夾緊，電機通過主動輪4帶動工件2勻速旋轉(zhuǎn)。激光位移傳感器3測得的數(shù)據(jù)進過A/D轉(zhuǎn)換輸入給PLC，由PLC處理測量數(shù)據(jù)并將檢測結(jié)果顯示在觸摸屏8上。

夾緊機構(gòu)運動的控制和測量數(shù)據(jù)的采集處理由SIEMENS S7-1200 PLC來完成，檢測結(jié)果顯示在SIEMENS KTP600 Basic PN觸摸屏上，不同工件的參數(shù)可由觸摸屏輸入到PLC中，方便了對檢測過程的監(jiān)測。該測量系統(tǒng)具有抗干擾能力強、測量精度高等特點，適用于小直徑軸管類零件的非接觸在線測量。

圖2 小直徑軸管類零件激光在線檢測系統(tǒng)

4 檢測系統(tǒng)的誤差分析

激光位移傳感器中光學部件誤差主要來源于球差、慧差、象散、場曲和畸變等，會使實際成像點偏離理想成像點，需要通過制造工藝消除或減小誤差。除光學部件誤差以外，影響測量精度的因素還有被測工件表面特征、測量環(huán)境以及激光束光斑形狀。本文主要研究被測工件表面特征對測量精度的影響。

4.1 被測工件表面顏色

松下HL-G1型激光位移傳感器的測量光源為波長655nm的紅色激光，因此必須要考慮不同顏色的工件在測量時對紅色入射激光的吸收情況。如果被測工件表面的顏色對激光的吸收率比較高，則當入射激光線照射在工件表面時，會有很大一部分激光被物體表面吸收，導致光電探測器接收的光斑強度減弱，影響光斑中心位置的判斷，從而出現(xiàn)較大的測量誤差。特別是在測量表面有顏色交替的工件時，往往由于不同顏色表面對激光吸收率的不同，使得測量結(jié)果在顏色交替處有較大波動，降低了測量數(shù)據(jù)的準確度。當物體表面的顏色為藍綠色時，對波長在650～750nm的紅色光線的吸收效果最好，所以當采用的激光位移傳感器輸出為紅色激光線時，不適合對表面為藍綠色的工件進行高精度測量。軸類零件表面大都為灰色或者經(jīng)表面處理后為黑色，黑色對光的吸收率較大，造成光電探測器接收的光斑強度減弱，對測量結(jié)果影響很大，應避免對黑色工件表面進行測量，必要時可對工件表面的顏色進行處理，提高測量精度。

4.2 被測工件表面粗糙度和光澤

在實際測量中，被測工件表面的粗糙度和光澤會影響反射光斑的形狀和能量分布，從而影響激光位移傳感器的測量結(jié)果。通常情況下，如果被測工件表面相對光滑或者光澤比較明亮，采用直射式激光三角法測量時需注意正反射光對測量結(jié)果的影響，因為如果被測工件表面相對光滑和明亮，測量光斑中正反射成分會增大而漫反射成分相對會減小，正反射光對于測量來說是一種干擾信號，會造成測量結(jié)果的不準確。當被測工件表面粗糙度過大，則入射光線照射在工件表面凹凸處時，會引起測量光斑的形狀發(fā)生變化，破壞測量光斑的均勻性，導致測量光斑的能量強度分布出現(xiàn)多峰和毛刺，造成光電接收器輸出信號的紊亂。測量物體表面其他條件不變的情況下，表面粗糙度值在0.4～3.0μm范圍內(nèi)對激光位移傳感器的測量精度影響不大[4]。因此，當被測工件表面粗糙度Ra≤3.2時，可忽略其對激光位移傳感器測量結(jié)果的影響；當被測工件表面粗糙度Ra≥3.2時，若測量工件的振動或者微小位移，可事先對工件表面進行處理，減小其粗糙度值再使用激光位移傳感器測量，也可以采用誤差補償法對測量數(shù)據(jù)進行處理，消除表面粗糙度對測量結(jié)果的影響。

4.3 被測工件表面傾斜

在激光三角法測量過程中需要保證被測工件表面法線方向和入射激光線的方向相一致，當入射激光線照射點的法線方向和激光入射方向不一致時則稱被測工件表面發(fā)生了傾斜，其夾角稱為傾斜角。由于被測工件表面傾斜角的存在，使得漫反射光空間分布發(fā)生變化，接收透鏡在單位時間、單位立體角內(nèi)接收到的光能發(fā)生變化，導致光電探測器上捕捉的光斑光能質(zhì)心和光斑幾何中心不一致，造成三角法測量公式的理論計算結(jié)果和實際測量結(jié)果不一致[5]。通常情況下，采用直射式激光三角法測量的工件表面往往都相對粗糙，可將其視為理想的漫反射表面，因此可用朗伯定律來描述被測工件表面漫反射光的分布情況，激光位移傳感器接收的測量光斑光能E可表示為[6]：

式中：I0——測量時入射激光在測量點處沿法線方向的漫反射光強；

R——激光位移傳感器接收透鏡的半徑；

a——光學測量系統(tǒng)的物距；

β——入射激光線與工件表面測量點法線的夾角；

x——被測工件表面的實際位移；

α——被測工件表面傾斜角。

從式（2）可以得出：

（1）當被測工件位移x保持不變時，則由工件表面傾斜所產(chǎn)生的位移偏差會隨著傾斜角α的增大而增大，并且位移偏差的正負和傾斜角α的方向保持一致。

（2）當被測工件表面傾斜角保持不變時，則由工件表面傾斜所產(chǎn)生的位移偏差會隨著工件位移x的增大而增大。

因此，為了減小激光傳感器由于被測工件表面傾斜而帶來的測量誤差，可以從兩個主要方向著手考慮。首先，在采用直射式激光三角法測量斜面時，可以將激光位移傳感器斜置安裝，使得入射激光線和被測表面法線盡量垂直，大大減小了由被測工件表面傾斜所帶來的測量誤差。本文設計的小直徑軸管類零件激光在線檢測系統(tǒng)，專門設計了一個徑向微調(diào)工作臺，可使激光位移傳感器在測量前根據(jù)被測軸的大小沿徑向調(diào)節(jié)，從而調(diào)整到最佳測量位置；其次，在采用直射式激光三角法測量表面傾斜的工件時，應將激光位移傳感器用在測量微小位移上，避免測量有較大位移的工件，從而減小由于傾斜角所帶來的測量誤差，小直徑軸管類零件表面徑向跳動量往往均在0.08mm以下，因此激光位移傳感器所測得的徑向位移量均很小。

5 實驗驗證

在CJA40-20M型自動校直機上應用激光在線檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)小直徑軸管類零件非接觸在線檢測，檢測系統(tǒng)如圖3所示。實驗所采用的工件為尺寸φ14mm×160mm的管零件，表面較光滑，顏色為灰白色。

圖3 實驗裝置圖

測量時，伺服電機帶動被測工件勻速轉(zhuǎn)動一圈，PLC及時記錄觸摸屏上顯示的測量結(jié)果，如此對工件同一截面進行9次實驗。檢測完成后，將工件取下，使用千分表再對工件同一截面上的圓度進行測量，記錄測量結(jié)果。將兩種方法測得的結(jié)果進行比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1 圓度誤差對比測量結(jié)果

表1激光在線檢測系統(tǒng)重復檢測可達5μm，精度測量結(jié)果與千分表測量結(jié)果有所差別，但基本一致，誤差在4μm左右，分析原因主要可能是兩種方法所測得工件截面不能完全對應所致。

6 結(jié)語

小直徑軸管類零件圓度激光在線檢測系統(tǒng)，響應速度快，能夠縮短檢測時間，提高檢測效率。非接觸測量，不損傷工件表面質(zhì)量，檢測系統(tǒng)也不會因測量頭的磨合而降低精度[7]。實驗表明，檢測系統(tǒng)重復檢測精度可達4μm，可以滿足8mm～20mm中小直徑的軸管類零件非接觸在線檢測任務。

[1] 翟 華.超高精羅拉軸毛坯件的自動綜合檢測系統(tǒng)[J].紡織學報，2007，28（12）：124-126.

[2] 洪占勇，楊永躍.軸件校直參數(shù)在線檢測系統(tǒng)研究[J].電子測量與儀器學報，2008，22（2）：325-328.

[3] 吳浩書，翟 華，丁曙光.自動校直機的三圓定心機構(gòu)摩擦驅(qū)動分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（5）：32-33.

[4] 李有堂，賈 冰.影響待測物面測量誤差的因素及補償[J].機械設計與制造，2010，（2）：208-210.

[5] 吳劍鋒，王 文，陳子辰.激光三角法測量誤差分析與精度提高研究[J].機電工程，2003，20（5）：89-91.

[6] 莊葆華，王少清.高精度激光三角法位移測量被測表面傾斜影響研究[J].計量技術(shù)，1996，（2）：2-4.

[7] 崖華清，翟 華.一種曲軸自動校直液壓機的檢測系統(tǒng)設計[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（2）：57-58.