激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用
激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用
作者:朱万彬
物体形状测量在工业制造领域有强烈的需求, 特别是非接触式的测量方式, 在精密制造、 航空航天、军事等许多领域都具有广泛的应用。对于物体形状的测量可以分为接触式和非接触式的测量方法。 接触式测量是测量头与工件表面直接进行接触测量,沿着工件形状进行扫描运动。目前主要是采用三坐标机进行测量, 其主要缺点是对被测对象表面容易造成不同程度的损伤。 由于激光测量技术的发展,非接触式测量方式逐渐成为主流。对于非接触测量, 国外已经推出二维激光位移传感器产品, 它可以直接实现物体形状的测量, 但是其价格很高。本文介绍了一种采用直线扫描的方式, 使用一维激光测距传感器实现高精度形状的测量方法。
2 激光位移传感器
激光位移传感器是采用三角法实现物体位移的非接触测量, 其原理是: 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面, 然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像, 物体表面激光照射点的位置不同, 所接受散射或反射光线的角度也不同,用CCD或PSD(位敏探测器)测出光斑像的位置, 即可计算出物体表面激光照射点的位置。 当物体沿激光线方向发生移动时, 测量结果就将发生改变, 从而实现用激光测量物体的位移。
2.2 形状测量原理
电位移平台带动激光位移传感器沿导轨移动方向运动, 传感器每前进一步, 激光位移传感器可以得出一个距离值,最终可以扫描出物体的形状。
激光位移传感器沿着X轴移动, 可以测量出建立的坐标系的Y轴坐标,一维电位移平台可以测量出 X 轴坐标,已知物体截面的二维坐标,即可画出截面图。
坐标可以通过激光位移传感器直接给出, 由于采用高精度激光位移传感器, Y 轴坐标具有较高的精度。 X 方向采用一维电位移平台带动激光位移传感器运动, 精度可以通过使用激光位移传感器进行标定, 实验中通过调整速度令步进电机带动位移传感器运动一定距离, 得到 65 536 个测量数据, 通过这种细分方法, 可实现很高精度的 X 坐标值。
3 激光位移传感器形状测量精度估计和实验测量
实验测量形状的装置包括步进电机、 直线导轨、激光位移传感器。步进电机为美国 Kysan Electronics (凯盛)的35BYG002型步进电机, 其径向跳动为0.02 mm,轴向跳动为最大 0.3 mm;激光位移传感器为日本 Keyence 的 LK-G80 型, 其使用距离为 80 mm,测量范围为±15 mm,采样频率为 50 kHz, 测量分辨率为 0.3 μm。步进电机步距通过定标细分,算出步进电机每步移动距离为 1.636 641 μm。
3.1激光位移传感器对工件面的测量
实验中对两个工件的形状进行了测定其一为直角面,另一为柱面。将数据从 Excel 表中导出,测量结果表明,工件1表面光洁度比较好,棱边不是很锋利。工件 2 表面光洁度一般,右边存在凹坑。
3.2 影响测量精度因素分析
影响激光位移传感器测量形状精度的因素包括很多方面。首先是测量所采用的激光位移传感器的精度,它直接影响 Y 轴的测量精度。其次, 工件本身的特性也会影响测量精度, 例如工件的散射特性, 会影响激光位移传感器的测量值的准确度。 如果工件非常光滑, 会导致漫反射光很弱, 探测器接收到的光强很低, 有时导致测量失败。另外, 一维电位移平台的精度也是影响形状测量的一个重要因素。此外, 坐标系的建立误差是影响测量精度的主要因素, 激光位移传感器测量方向与导轨的夹角不是 90°, 导致所建立的坐标系不是直角坐标系, 这一点一定要考虑在内。 为了提高测量的正确性和测量精度, 需要使激光位移传感器的测量方向与导轨垂直。
4、结论
根据被测物体表面情况以及所要求的测量精度, 可以选择不同参数的激光位移传感器实现测量。 由于激光位移传感器具有较高的测量精度, 将其用在测量形状上, 能够实现高精度的测量, 而且成本较低。
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