激光位移傳感器檢測(cè)類圓弧工件表面研究

姜 松，張仁杰，李倩倩，劉禹辰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

激光位移傳感器檢測(cè)類圓弧工件表面研究

姜 松，張仁杰，李倩倩，劉禹辰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于直射式點(diǎn)激光三角法原理，分析測(cè)點(diǎn)表面法向與投射激光間夾角變動(dòng)引起的誤差情況，提出采用另設(shè)的傾斜傳感器，專門對(duì)因單一傳感器測(cè)量時(shí)的不準(zhǔn)確區(qū)段進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)曲率半徑確定可信區(qū)段、并通過兩傳感器可信區(qū)段的拼接，實(shí)現(xiàn)不同半價(jià)圓弧銜接構(gòu)成的截面型線上各點(diǎn)的檢測(cè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，對(duì)表面曲率半徑>20 mm的圓弧，測(cè)量誤差<100 μm。

曲面檢測(cè)；激光位移傳感器；三角法測(cè)量；可信區(qū)段

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，測(cè)量作為重要的檢測(cè)技術(shù)[1-3]，常對(duì)各種零部件的表面輪廓進(jìn)行檢測(cè)。一般情況下，這類檢測(cè)多采用接觸式傳感器進(jìn)行。但在某些特殊場(chǎng)合，接觸式檢測(cè)難以實(shí)施，需采用以激光位移傳感器[4-5]為代表的非接觸式檢測(cè)裝置，但此方法易受工件表面銹斑、油污、粉塵、粗糙度、法向角等因素的影響，因而在實(shí)際應(yīng)用過程中受到限制[6]。對(duì)具有曲面形狀工件的輪廓度檢測(cè)，除采取一定措施控制銹斑、油污、粉塵的影響外，還要解決測(cè)點(diǎn)表面的法向角變動(dòng)的影響。

1 激光測(cè)量原理

激光位移傳感器的基本工作原理是光學(xué)三角法，即利用光學(xué)的散射特性和成像特性，通過對(duì)傳感器中光學(xué)探測(cè)器成像光斑的光能質(zhì)心的變化來推測(cè)被測(cè)對(duì)象的位移變化。如圖1所示的是激光位移傳感器的三角測(cè)量法的原理圖[7-8]，主要包括：半導(dǎo)體激光器、會(huì)聚透鏡、接受透鏡，被測(cè)對(duì)象，探測(cè)器和后續(xù)信號(hào)處理電路。當(dāng)被測(cè)表面位于M位置時(shí)，傳感器的成像光斑為N點(diǎn)；當(dāng)將被測(cè)物向上移動(dòng)Δ1到M1時(shí)，引起光斑像點(diǎn)在光電探測(cè)器上的位移為Δ2，此時(shí)Δ2=NN1。計(jì)算可得位移

圖1 激光三角法測(cè)量原理圖

(1)

其中,θ0為入射光線與接收透鏡光軸的夾角；θ1為兩條反射光線的夾角；θ2為光電探測(cè)器的接收面與接收透鏡光軸的夾角；l為接收透鏡物鏡；l′為接收透鏡的像距。被測(cè)物面相對(duì)于參考平面M上移時(shí)，取正號(hào)，下移時(shí)取負(fù)號(hào)。

為了保證被測(cè)對(duì)象可清晰地聚焦在光電探測(cè)器上，該激光光束應(yīng)該滿Scheimp-flug條件[8]：像平面、物平面、透鏡平面相交于一條直線，即滿足tanθ0=βtanθ2，其中β為探測(cè)器橫向放大率。此時(shí)當(dāng)物體發(fā)生一定程度的移動(dòng)時(shí)，傳感器的光電探測(cè)器上都有散射光形成的成像光斑，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 表面傾角誤差分析

2.1 傾斜誤差產(chǎn)生

激光三角法無誤差的前提是發(fā)射光線與被測(cè)物體表面法線的夾角始終為零。當(dāng)被測(cè)表面上入射光點(diǎn)處的法線與入射光方向不重合時(shí)，即被測(cè)表面發(fā)生了傾斜，其夾角稱為法向角。入射光點(diǎn)所產(chǎn)生的散射光空間分布將發(fā)生變化，將造成在光電接收器上的像光斑的光能質(zhì)心相對(duì)于其幾何中心發(fā)生偏移，這樣實(shí)際測(cè)量結(jié)果與三角法測(cè)量原理公式的理論計(jì)算結(jié)果有一定偏差量，為此我們建立了相應(yīng)的圓柱截面輪廓傾斜誤差[9-11]的數(shù)學(xué)模型。

2.2 可信區(qū)段和臨界值的劃分

文中利用垂直傳感器對(duì)不同半徑(主要有29.97 mm，39.95 mm和49.74 mm)下的圓柱型工件部分輪廓截面進(jìn)行測(cè)量分析，以確定每一個(gè)半徑下所對(duì)應(yīng)的可信區(qū)段，下面以29.97 mm半徑的圓柱為例。

表1 測(cè)量直徑為29.97mm圓柱的誤差 /mm

首先利用多次測(cè)量確定圓柱型截面的頂點(diǎn)值，保證誤差在允許范圍之內(nèi)，然后在此點(diǎn)的兩側(cè)取兩點(diǎn)開始測(cè)量，保證取得點(diǎn)的誤差<100 μm以內(nèi)，分別以這兩點(diǎn)開始向兩邊以1 mm或2 mm間隔測(cè)量取點(diǎn)，直至超出測(cè)量量程為止。其中靠近頂點(diǎn)兩側(cè)取的兩點(diǎn)可根據(jù)直徑的變大而增加其橫坐標(biāo)。在測(cè)量39.95 mm直徑圓柱時(shí)選取±5；49.74 mm圓柱選取±10。測(cè)量直徑為29.97 mm圓柱數(shù)據(jù)如表1所示。

如表1所示，誤差隨測(cè)點(diǎn)與頂點(diǎn)的水平距離的增大而變大。測(cè)量范圍在-6～9 mm以內(nèi)，誤差均>100 μm，當(dāng)在12.37 mm和-14.91 mm時(shí)，均達(dá)到測(cè)量的最大量程。

同理可分別測(cè)量出關(guān)于39.95 mm和49.74 mm兩個(gè)半徑圓柱截面的誤差范圍。在此文中定義將測(cè)量外圓柱形上凸截面輪廓或內(nèi)圓柱形下凹截面輪廓的頂點(diǎn)或谷點(diǎn)的橫坐標(biāo)定為0，其左右的誤差是在100 μm以內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的橫坐標(biāo)范圍定為可信區(qū)段。為了處理在實(shí)際應(yīng)用中的場(chǎng)合，文中可利用插值擬合出常見未知測(cè)量半徑的圓柱型截面輪廓的可信區(qū)段，如表2所示。

表2 可信區(qū)段劃分

3 類圓弧型截面輪廓誤差實(shí)驗(yàn)

3.1 檢測(cè)裝置系統(tǒng)

如圖2所示，搭建了基于激光位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖，主要有4部分構(gòu)成：待測(cè)工件，激光位移傳感器，光柵尺及PC計(jì)算機(jī)。首先將兩個(gè)激光位移傳感器分別固定于可以調(diào)節(jié)高度的豎直支架上，保持一定夾角，連接上位機(jī)[12-13]和光柵尺，接著調(diào)整激光器與待測(cè)物體間的位置，保證正確測(cè)量數(shù)據(jù)。在測(cè)量中只需替換測(cè)量工件即可。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 類圓弧型截面輪廓測(cè)量

諸多被測(cè)工件的截面是由各種半徑的圓弧銜接構(gòu)成的，為此采用綜合垂直與傾斜兩傳感器可信區(qū)段確定實(shí)際圓弧截面輪廓。

(1)垂直傳感器測(cè)量。從工件一端開始測(cè)量，以1 mm為間隔移動(dòng)光柵尺傳感器，記錄每個(gè)點(diǎn)水平位移(橫坐標(biāo))和垂直高度(縱坐標(biāo))，直到不可測(cè)量點(diǎn)結(jié)束。確定輪廓線上凸頂點(diǎn)或下凹谷點(diǎn)，利用其左右兩個(gè)相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)最小二乘法[14-15]求出擬合圓，確定曲率半徑，利用上文的計(jì)算方法得出相應(yīng)的可信區(qū)段，并根據(jù)此坐標(biāo)與工件截面輪廓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值即得誤差。

垂直激光位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)及相應(yīng)誤差如圖3所示，在-12.63～11.37、20.37～30.37、45.37～51.37、59.37～93.37范圍內(nèi)，是可信區(qū)段，其誤差均<100 μm。同時(shí)也會(huì)存在其他點(diǎn)的誤差<100 μm，因?yàn)榭尚艆^(qū)段是保守估計(jì);

(2)傾斜傳感器測(cè)量。傾斜傳感器利用與垂直傳感器相同的方法進(jìn)行測(cè)量，但因?yàn)樽鴺?biāo)系的不同需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換。

圖3 垂直激光位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)圖示與誤差圖

1)首先將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成與垂直傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)所用的坐標(biāo)系。如圖4所示，l1和l2分別為垂直和傾斜激光位移傳感器測(cè)量讀數(shù)，α為兩個(gè)傳感器入射光線夾角，Δy0和Δx0分別為兩個(gè)傳感器的垂直和水平距離。點(diǎn)A和點(diǎn)B分別為傾斜和垂直傳感器的入射光線形成的點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(x′,y′)和(x,l1)，經(jīng)轉(zhuǎn)化后A點(diǎn)坐標(biāo)為(x-Δx0+l2sinα,l2cosα+Δy0);

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

2)經(jīng)過上述變換，此時(shí)A點(diǎn)橫坐標(biāo)發(fā)生偏移，為了保證與垂直測(cè)量下對(duì)比，需要進(jìn)行橫坐標(biāo)匹配。由于此時(shí)每間隔的兩點(diǎn)穿插著相對(duì)于的垂直傳感器測(cè)量點(diǎn)，我們利用線性插值法計(jì)算出與垂直傳感器相同的點(diǎn)坐標(biāo)A1;

3)為了準(zhǔn)確劃分傾斜傳感器測(cè)量下的可信區(qū)段，還需要將A1的坐標(biāo)系做旋轉(zhuǎn)α角度的變換，其中α角為傾斜與垂直傳感器出射光線的夾角。假定坐標(biāo)A1(x,y)和A2(x′,y′)分別轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)點(diǎn)，則A2坐標(biāo)為(ysinα+xcosα,ycosα-xsinα)。

繪制A2的曲線輪廓圖，利用垂直測(cè)量下的方法確定可信區(qū)段，隨后再將輪廓圖反旋轉(zhuǎn)-α度，即得數(shù)據(jù)A1的可信區(qū)間，如圖5顯示的是傾斜傳感器下測(cè)量誤差曲線圖，橫坐標(biāo)在-16.63～-1.63、27.37～38.37、39.37～45.37、76.37～95.37范圍內(nèi)，是可信區(qū)段，其誤差均<100 μm，同時(shí)也會(huì)存在其他點(diǎn)的誤差<100 μm。

(3)綜合分析。根據(jù)對(duì)比兩者的測(cè)量結(jié)果，可將傾斜和垂直激光位移傳感器測(cè)量的可信區(qū)段進(jìn)行組合。1)對(duì)于垂直和傾斜傳感器測(cè)量的所有可信區(qū)段，直接保留;2)對(duì)于垂直和傾斜傳感器測(cè)量的所有可信區(qū)段內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均存在的情況，取垂直測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn);3)在非可信區(qū)段取垂直傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5 傾斜激光位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)圖示及誤差圖

根據(jù)上述方法，文中得到了兩激光位移傳感器可信區(qū)拼接后的測(cè)量數(shù)據(jù)輪廓及其相應(yīng)測(cè)量誤差如圖6所示。此方法可測(cè)量大部分區(qū)段，只有少部分不能測(cè)量，獲得連續(xù)輪廓線的可信數(shù)據(jù)點(diǎn)，其測(cè)量誤差不超過0.1 mm。

圖6 兩傳感器可信區(qū)拼接后的測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量誤差圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并搭建了類圓弧截面輪廓測(cè)量裝置，對(duì)因表面傾斜引起的誤差進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，提出了另設(shè)傾斜激光位移傳感器測(cè)量法，根據(jù)不同可信區(qū)段的數(shù)據(jù)拼接實(shí)現(xiàn)對(duì)類圓弧截面輪廓的測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，對(duì)表面曲率半徑>20 mm的圓弧，測(cè)量誤差<100 μm。本研究結(jié)論，對(duì)于擴(kuò)展激光三角法傳感器適用范圍及提高曲面輪廓的測(cè)量精確度，具有一定參考價(jià)值。

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Research on the Surface of Circular arc Workpiece by Laser Displacement Sensor

JIANG Song，ZHANG Renjie，LI Qianqian，LIU Yuchen

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

On the basis of the principle of direct laser triangulation method, analysis detected surface point method and laser projection angle between the changes caused by the error, is proposed in this paper to separate the tilt sensor, specifically for detecting the single sensor measurement inaccurate section, determined channel section, and two sensor confidence section through splicing, to achieve different half arc connection a section line the detection based on the curvature radius. Experimental results show that the radius of curvature of the surface is larger than that of 20 mm, and the measurement error is less than 100 μm.

surface detection; laser displacement sensor; triangulation measurement; trusted section

2016- 04- 13

姜松(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.022

TN294;TP212

A

1007-7820(2017)03-079-04