基于單光三角測量原理的光電測量系統(tǒng)設計

基于單光三角測量原理的光電測量系統(tǒng)設計

1非接觸測量的內(nèi)涵尺寸檢測技術(shù)目前，我國對徑直徑長度的測量方法主要是閉合測量。由于測量工具的磨損和人為因素等原因,造成接觸式測量誤差較大,不能滿足內(nèi)徑尺寸的檢測要求。為此采用光學三角測量原理,并結(jié)合半導體激光準直技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、伺服控制技術(shù)和計算機技術(shù)研制了一種非接觸測量內(nèi)徑尺寸的光電測量系統(tǒng),實現(xiàn)了內(nèi)徑尺寸的快速、無損、高精度測量。測量系統(tǒng)還可用于孔錐度、徑向跳動等參數(shù)的測量,具有一定的通用性。2光探針掃描系統(tǒng)基于光學三角測量原理的非接觸測量[7,8,9,10,11,12,13]是借助于測量系統(tǒng)的光探針來掃描被測件內(nèi)徑的。測量方法有兩種:一種為雙光三角測量方法,此方法可以直接測出內(nèi)徑尺寸;另一種為單光三角測量方法。2.1光學機械參數(shù)利用雙光三角測量方法測量內(nèi)徑的原理如圖1所示。半導體激光器1和1′發(fā)出的激光光束分別經(jīng)發(fā)射光學系統(tǒng)2和2′。形成兩束準直光束,經(jīng)光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3和3′及分光棱鏡4后,垂直入射到被測表面上,其漫反射光經(jīng)分光棱鏡4后,被成像系統(tǒng)5和5′接收,成像到光電傳感器6和6′上,根據(jù)兩個像點在光電傳感器上的位置,由信號處理系統(tǒng)7和7′處理后,送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理,可得到兩個位置尺寸h1和h2,且h1和h2分別由下式給出:式中:α1和α2分別為接收光學系統(tǒng)5和5′的光軸與理論基準面的法線之間的夾角;φ1和φ2分別為接收光學系統(tǒng)5和5′的光軸與光電位置傳感器6和6′之間的夾角;L1和L′1分別為接收光學系統(tǒng)5的物距和像距;L2和L′2分別為接收光學系統(tǒng)5′的物距和像距;s1和s2分別為兩個被測點o和o1在光電傳感器6和6′上的像點位置。設計時應取α1=α2,φ1=φ2,L1=L2,L′1=L′2,即兩路系統(tǒng)的光學機械參數(shù)是相同的。設光學探針掃描系統(tǒng)的位置常數(shù)為d,則被測內(nèi)徑D可由下式確定:這種方法的優(yōu)點是可直接測出內(nèi)徑尺寸,缺點是光探針回轉(zhuǎn)中心和被測孔中心位置存在偏離,可能會給測量結(jié)果帶來較大的誤差。2.2截面直徑測量的測量單光三角測量方法的原理如圖2所示。所測量的位置尺寸H可由下式表示:式中:α為接收光學系統(tǒng)5的光軸與理論基準面的法線之間的夾角;φ為接收光學系統(tǒng)5的光軸與光電位置傳感器6之間的夾角;L和L′分別為接收光學系統(tǒng)5的物距和像距;s為被測點o在光電位置傳感器6上的像點位置。設單光三角光學探頭掃描測量系統(tǒng)的位置常數(shù)為A,則被測表面與光探頭回轉(zhuǎn)中心的長度ρ可由下式確定:測量內(nèi)徑時,光學探頭應旋轉(zhuǎn)一周,每隔一定的角度θi(i=1,2,3,…)測量出一個ρi值,由這組數(shù)據(jù)可以得到最大內(nèi)徑和最小內(nèi)徑的平均值。實際測量中,光學探針回轉(zhuǎn)中心與被測內(nèi)孔的實際中心不可能重合,為了消除光學探針的幾何中心位置偏離深孔中心的位置對測量結(jié)果帶來的誤差,可以在同一截面內(nèi)使光學探針回轉(zhuǎn)360°,等間隔的測量多個點,通過用所建立的數(shù)學模型加以消除。為此,以光學探針回轉(zhuǎn)中心為原點,建立如圖3所示的數(shù)學模型。角度的測量采用絕對光電編碼器,并用編碼器的絕對零位對準所建立的坐標系X軸的正向,這樣起始角度θ0可由光電編碼器測出,而此時的ρ0則由光學探針測出。測量點P0的坐標可由下式給出:光學探針逆時針旋轉(zhuǎn)一周,并等間隔(θ角)的測量N個點。設在內(nèi)孔Pi處測出一個ρi(i=1,2,…N),則該點的坐標為該截面所對應的內(nèi)孔實際中心的坐標o0(x′0,y′0)可表示為中心點O0到Pi點的距離就是內(nèi)孔測量點對應的中心半徑ri,則由ri值可得到被測截面半徑的平均值rˉrˉ、最大值rmax和最小值rmin:因此可得到被測內(nèi)孔的截面內(nèi)徑D:在進給伺服系統(tǒng)的帶動下,用同樣的方法可測量其它截面的直徑。這種方法的優(yōu)點是,通過單光三角法回轉(zhuǎn),可消除光學探針與被測內(nèi)孔中心偏離所產(chǎn)生的測量誤差。3系統(tǒng)的控制部分綜上分析,采用單光三角回轉(zhuǎn)法設計的內(nèi)徑非接觸測量系統(tǒng)如圖4所示。這套測量系統(tǒng)主要由光學探針掃描內(nèi)徑測量系統(tǒng)、直線和回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)、主體精密機械系統(tǒng)、計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。光學探針掃描測量系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)的配合下進行回轉(zhuǎn)和直線進給運動,以此來完成對內(nèi)徑尺寸的測量。計算機系統(tǒng)通過對各系統(tǒng)和測量過程的控制,對測量數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)據(jù)處理,并且與外部設備進行通訊和數(shù)據(jù)交換,這樣就可以得到內(nèi)孔中的各個截面的內(nèi)徑尺寸。把由這些尺寸所形成的數(shù)據(jù)文件進行存儲、顯示或打印輸出。4系統(tǒng)測量極限誤差該測量系統(tǒng)分別對φ25.01mm和φ49.98mm的兩個標準孔件進行了實測。測量系統(tǒng)還分別對這兩個標準件的某一截面在X和Y方向各進行5次測量,測量系統(tǒng)的示值分別為Dxi(i=1～5)和Dyj(j=1～5),標準件在X和Y方向上的標定值分別為Dx和Dy。設在X方向第i次測量誤差為δDi,測量誤差的最大值為δDimax;在Y方向第j次測量誤差為δDj,測量誤差的最大值為δDjmax,系統(tǒng)的測量極限誤差為δD,則有表1是內(nèi)徑測量系統(tǒng)分別對φ25.01mm(記為標準件1)和φ49.98mm(記為標準件2)兩個標準孔件在內(nèi)徑某一截面處測量所得到的測量數(shù)據(jù)和測量誤差。實測結(jié)果表明,內(nèi)徑測量系統(tǒng)在Ф24～Ф51mm測量范圍內(nèi),分辨率可達到0.01mm,測量標準偏差σn-1=0.013mm,重復性測量精度為±2σn-1=±0.026mm,測量極限誤差不大于0.03mm