探究激光在線測量信號(hào)的特性及甄別方法

盧奇

（漢口學(xué)院，湖北 武漢 430212）

探究激光在線測量信號(hào)的特性及甄別方法

盧奇

（漢口學(xué)院，湖北 武漢 430212）

文章主要從建立偏心運(yùn)動(dòng)模型、光學(xué)和電學(xué)信號(hào)處理的方式及其甄別方法等方面對新型激光校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行闡述，進(jìn)而建立相關(guān)校準(zhǔn)系統(tǒng)的平臺(tái),并對激光在線測量信號(hào)特性及甄別方法進(jìn)行了相關(guān)研究和思考，以期幫助我國新型激光校準(zhǔn)技術(shù)取得進(jìn)一步的發(fā)展。

在線測量；激光；信號(hào)特性；甄別方法

1 光電校準(zhǔn)技術(shù)

光電信息科學(xué)存在眾多分支，其中重要分支之一便是光電校準(zhǔn)技術(shù)。光電校準(zhǔn)技術(shù)結(jié)合眾多領(lǐng)域的特點(diǎn)，自身有一定的綜合性，主要包含光學(xué)、信號(hào)處理、通信技術(shù)和傳感器等眾多學(xué)科，有著相對復(fù)雜的基礎(chǔ)理論和廣泛的工程理論。其中光源分為兩類，被動(dòng)式和主動(dòng)式。主動(dòng)式，顧名思義人為控制即為主動(dòng)式，被動(dòng)式則是經(jīng)物體反射的光源。信息載體完成被測物幾何特征的檢測，其原理主要是利用光的屬性變化，較為常見的有光譜衍射、光強(qiáng)度和光通量。光電傳感器的原理為光電效應(yīng)，主要包括光敏二極管、光電池和CMOS等等。光電檢測系統(tǒng)中的信號(hào)處理是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，但目前光電檢測系統(tǒng)無法對光電信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行有效的甄別和快速的分析。

由于高精度非接觸類光電檢測設(shè)備的使用通常在生產(chǎn)條件下，因此對設(shè)備的強(qiáng)度提出了一定的要求，設(shè)備無法承受惡劣的生產(chǎn)環(huán)境和高強(qiáng)度的生產(chǎn)任務(wù)自然是要被淘汰的。鑒于激光技術(shù)所具備的特點(diǎn)，激光在線測量不僅能夠較好地適應(yīng)于當(dāng)下的生產(chǎn)環(huán)境，還能達(dá)到當(dāng)下所要求的測量精度。較之常規(guī)測量技術(shù)，激光在線測量具備以下五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①有較高的測量精度，主要適用于對分辨力有較高精度要求的幾何量檢測；②較快的測量速度，主要適合完成生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)檢測，并降低生產(chǎn)加工對測量的影響；③激光在線測量有著良好的電磁兼容性；④測量過程不僅不需要與被測對象產(chǎn)生直接接觸，而且對測量對象的屬性也不會(huì)產(chǎn)生任何影響，方便對一些高溫物理和高速旋轉(zhuǎn)的對象進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測；⑤激光在線測量還具備較強(qiáng)的方向靈敏度，可同時(shí)進(jìn)行一維、二維、三維的測量，滿足測量對象對維數(shù)的要求。

光電檢測技術(shù)能夠針對不同的環(huán)境、精度采取不同的檢測方法，具備十分靈活的檢測方式。采取不同的光源，如采取激光、普通光、可見光和不可見光等；采取不同的測量原理，常用的有差動(dòng)測量法、激光掃描測量法、干涉衍射法等。針對不同情況，變換不同方法是光電檢測技術(shù)靈活性的重要表現(xiàn)。

2 系統(tǒng)分析建模

（1）物理模型。在數(shù)控機(jī)床中，所檢測的對象是圓形旋轉(zhuǎn)體，自轉(zhuǎn)和徑向旋轉(zhuǎn)是刀具主要的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。那么在光束和旋轉(zhuǎn)體相互接觸時(shí)，可以將其看做是兩個(gè)垂直相交的柱體。在刀具的旋轉(zhuǎn)過程中，刀具自身不僅旋轉(zhuǎn)還在向前進(jìn)，在這一過程中激光束擁有不同的遮擋程度，其光電傳感器的光通量隨著旋轉(zhuǎn)角度的不同呈現(xiàn)出不同的變化。而重點(diǎn)分析的對象便是這個(gè)不斷變化的光通量信號(hào)，并通過信號(hào)的變化來分析測量旋轉(zhuǎn)體直徑等一系列幾何特征。

（2）模型仿真。根據(jù)旋轉(zhuǎn)體光通量的變化建立相關(guān)物理模型，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析，進(jìn)而能夠直觀地顯示出檢測對象的旋轉(zhuǎn)過程，并完成對光束的寬度、平移速度和偏心量這類重要幾何量的檢測，進(jìn)而完成整個(gè)系統(tǒng)的檢測。文章主要對模型仿真中的靜態(tài)仿真和偏心仿真進(jìn)行闡述。首先，進(jìn)行靜態(tài)仿真，當(dāng)檢測對象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果偏心現(xiàn)象并不存在，即被檢測對象除了平移運(yùn)動(dòng)外并不存在其他運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步說便是偏心量的信號(hào)變化并不存在，是一個(gè)穩(wěn)定值。經(jīng)過對旋轉(zhuǎn)體的靜態(tài)仿真，不僅能夠完成運(yùn)動(dòng)過程的簡化，還能使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的分析變得簡單，從而幫助工作人員直觀的取得光束寬度、刀具尺寸這兩者與平移速度之間的數(shù)量比例關(guān)系。偏心量是一類用來描述圓度測量誤差的物理量。其中，圓度誤差指的是包容同一正截面實(shí)際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓的距離。偏心量具有徑向性，主要反映在圓周的半徑上；另外，偏心量具有一定的周期性變化。圓度誤差在刀具這類旋轉(zhuǎn)工件中是非常低的，然而由于安裝過程中會(huì)存在一定的安裝偏心量誤差，當(dāng)這類測量誤差超過一定的闕值時(shí)會(huì)影響整個(gè)工件的加工精度。另外，在刀具的實(shí)際工作中，其旋轉(zhuǎn)和工作必然導(dǎo)致刀具的磨損和變形，進(jìn)而導(dǎo)致反饋的信號(hào)產(chǎn)生更為復(fù)雜的變化。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)分析。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)分析，主要針對高速加工中心被檢測對象的激光在線系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)測量儀器具有的便攜式和小型化特點(diǎn)，以及機(jī)床自身所具備的工作要求，設(shè)計(jì)方案主要采取固定式激光掃描法完成對刀具信號(hào)的測量。將光波與被測信號(hào)加載到儀器，通過對光通量的調(diào)制完成信號(hào)的檢測。被測信號(hào)的調(diào)制過程則主要利用出射光的光通量的變化來進(jìn)行監(jiān)測，將光通量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，最后由解調(diào)電路將電信號(hào)中所攜帶的信息進(jìn)行解碼。這類校準(zhǔn)方式十分簡單，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對高速加工中心尤其適合。該測量過程的主要原理如圖1所示，其主要由光源、光學(xué)調(diào)制信道、被測物、光電檢測器和光電信號(hào)處理單元等組成。

Research on Characteristics of Laser Online M easurement Signal and Screening M ethod

LU Qi
（Hankou College，Wuhan，Hubei 430212，China）

Thearticlemainly expoundsnew laser calibration technology from the establishmentofeccentricmotionmode，opticaland electrical signal processingway and the screeningmethod,and thenmakes a research and thinking on establishing the relevant calibration system platform，characteristics of laser onlinemeasurementsignal and screeningmethod，aiming to help the furtherdevelopmentofnew laser calibration technology in our country.

onlinemeasurement；laser；signalcharacteristics；screeningmethod

TN247

A

2095-980X（2016）11-0023-01

2016-10-07

盧奇（1993-），男，湖北赤壁人，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)電工程。