0 引 言
目前,高新技术产业逐渐向技术密集型转轨,测试技术面临着越来越多的复杂问题,不但要有较高的测量速度及可靠性,而且还要向自动化、数字化、智能化方向发展。这势必将使原有的静态、接触测量转向动态、非接触、在线测量。激光扫描尺寸检测技术作为一种非常有效的非接触检测方法在国外被广泛地应用于工件尺寸的在线检测,激光扫描测径仪采用激光扫描方式,对生产线上回转体被测对象实现高速度、高精度、非接触测量。由于非接触的特点,对被测对象无任何干扰,因此非常适合热的、软的和运动的被测对象。
1 工作原理
系统的工作原理如图1所示,系统采用半导体激光器为光源,激光器光束通过多面体扫描转镜和扫描光学系统后,形成与光轴平行的连续高速扫描光束,对被置于测量区域的工件进行高速扫描,并由放在工件对面的光电接收器接收,投射到光电接收器上的光线在光束扫描工件时被遮断,所以光电接收器输出的是一个方波脉冲,宽度与工件直径成正比。若扫描速度为v,扫描时间为t,则被测工件的尺寸D为[1]
由于扫描速度由系统参数确定,那么工件尺寸就是扫描时间t的函数,式中t可通过对时钟脉冲计数器来准确求得。
2 系统的总体结构设计
激光扫描测径仪系统是一种基于光学技术、现代激光、电子学、计算机、精密机械等多学科技术于一体的在线检测系统,根据系统设计原理要求,以及测量数据处理和控制的要求,系统总体结构布局如图2所示[2]。
2·1 高性能扫描光学系统
对激光扫描检测系统来说,扫描速度应是平稳均匀的,且扫描光速应和光轴平行,如图3所示。但是由于光学系统本身的固有特性,实际扫描速度V并不是常数,而是激光束光斑沿光学系统主面移动的速度,也就是像高H随时间的变化率。由光学原理可推导出其扫描速度特征方程V为
式中
k1———cosθ;
k2———sinθ;
V———扫描速度;
R———扫描转镜的内切圆半径;
ω———扫描转镜的角速度;
f———扫描光学系统的焦距;
θ———扫描转镜上激光束的入射角;
φ———扫描转镜的角位移。
由(2)式可知在系统结构参数确定后,扫描速度是φ的函数,即扫描速度V随φ变化,而不是常数。
另一方面,由于采用多面体棱镜,扫描光束在转镜上的反射点、回转中心和光学系统的焦点三者不重合,从而产生离焦现象,这就意味着扫描光束不是从扫描透镜的焦点射出的扫描光束,不和光轴平行,因而存在准直误差。所以激光扫描检测系统也是一种动态光学系统,其动态特性主要取决于速度特性和准直特性。要想获得高精度测量,就必须设计出具有良好动态特性的特殊光学系统。
2·2 上位计算机PC
现代工业生产具有自动化程度高,生产节拍快,测量参数多,信息量大,数据处理繁重,控制实时性要求高等特点。因此运算速度快,处理数据能力强,控制功能多的计算机已成为现代生产系统中的控制中枢。仪器在工作中,检测系统将不断对加工过程中的高温状态下的高速运动中的工件进行高速采样测量,并捕捉到大量的尺寸信息,主控制器采集到这些信息之后,立即进行初步的数据处理,并经通讯网络传输给上位计算机, PC机可以很好地完成这种高速系统的实时数据处理要求。
计算机不仅可以进行高速数据处理,而且还可以对测量误差进行自动校正。由于激光扫描测径仪在线检测系统的发射光学系统是一个动态光学系统,速度扫描是非均匀等速的,并存在准直误差。这样原始采集的数据不能够真实反映被测工件的实际尺寸,必须把数据进行修正。
计算机具有非常强的实时控制能力,由于激光扫描测径仪在线检测系统是对加工中高速运动的工件进行高速检测,因此要求检测系统必须是高速的、实时的。当生产系统需要对加工过程进行反馈控制时,计算机可以根据检测数据进行计算、判断和决策,最后输出偏差的模拟反馈信号,调节生产设备的有关参数,实现生产过程的闭环控制。提高产品质量节约原材料。
2·3 精密机械系统
本精密机械系统最重要的作用是保证光学系统性能参数的准确性和稳定性。温度变化、应力、变形、振动、加工误差等都会对光学系统的像质产生很大的影响;因此,对关键件的公差和材料给予了严格的要求,以确保整个系统的工作性能。
箱体采用铸件结构,分箱盖和箱底两部分。考虑到环境条件,本仪器采用了箱式全封闭结构,箱盖和箱底之间加密封物质,用紧固件连接。又由于要保证光学系统光轴在一个平面内,因此对光学机械部件的机械设计,对整体机械结构设计,要求较高。箱体内铸有不同高度的凸台,以满足固定不同光学部件的要求。各光学元件之间的相互位置关系,仅靠机械加工无法满足这方面的要求,机械定位部分应留有一定的调整空间,用手工调整来检测系统的各光学系统总体参数。
3 进一步提高系统性能的讨论
进一步提高系统的稳定性,精度以及检测速度以适应更广泛的检测对象,采用如下措施:
(1)电路采用同步供电的方式,选用10MHz的晶体振荡器作为基频,利用晶体振荡源经分频器分频到50Hz,用以控制步进电机转速。这样即使基频有若干改变,仍能使计数器数值变化和电机转速的变化两者保持一定的同步性,这样有利于消除测量误差,提高测量精度和分辨力。
(2)为了获得优良的速度特性和准直特性,必须设计特殊的光学系统。
(3)光学、机械加工和装校误差,这是系统的主要误差源,其中系统误差可由计算机软件修正而其它误差应尽量减小。
(4)根据系统调试后的实际测量结果,标定时分几个测量范围,对实际误差测量值的计算关系式进行修正,以减小光学系统不同视场的像差所引入的测量误差。
4 结 论
激光扫描测径仪实现了对回转体直径尺寸的高精度、高速度、非接触在线检测。测量结果数字显示,超差灯光报警,并根据预置的标称值输出偏差的模拟信号,调节生产设备的有关参数,实现生产线的闭环控制,提高产品质量,节约原材料,因此具有广泛的应用前景。
参考文献:
[ 1 ] 张国玉等.激光扫描光纤尺寸在线检测系统研究[J].光学技术, 1997, (1): 35-38.
[ 2 ] 宋路等.智能化激光扫描检测系统的研究[J].长春光学精密机械学院学报, 1997, 20 (4): 36-40.
本文作者：王颖淑 李振辉 于晓雯
