基于激光位移传感器的光电非接触圆度测量
基于激光位移传感器的光电非接触圆度测量
作者:刘琪芳
圆度测量是机械制造和仪器仪表工业中常见的检测项目。 目前,大多数工厂企业都在通过人工利用量具进行接触式测量,其测量精度低,速度慢,易受人为因素的影响,且不适合应用于在线检测。 本文针对以上缺点,提出了一种利用激光测距传感器测距原理来实现圆度的光电非接触测量方法,该方法能够实现快速高精度测量,适合应用在在线自动化检测中。
1 测量系统原理及设计
本测量系统在充分考虑构成测量系统的一般规律的基础上,采用精确激光测量技术与自动控制技术完成测量系统的设计。 系统由机械本体、运动控制系统、数据采集系统、主控系统 4 部分组成。运动控制系统主要控制两种状态的运动轨迹,其回转台水平工作台在电机的控制下沿 Z 轴旋转,燕尾导轨、激光位移传感器和测量加紧装置沿 Z 轴方向升降,由 PC 机、直线导轨、步进电机、电机驱动器、运动控制卡 5 部分构成。 数据采集系统用来对多路模拟信号进行数字化,从而对获得的大量数据进行分析与处理,主要由数据采集卡和激光位移传感器两部分组成。
基本过程是:在步进电机的带动下,被测工件分别做上升运动。 利用激光传感器发射及反射接收信息的相关性,获取垂直于被测物体轴线的被测横截面上任意一点距离传感器的位置信号,获得测量参数。 系统可以通过调节垂直升降台确定传感器的位置,从而确定不同截面的圆度参数,并最终得到测量工件的圆度误差。
2 圆度测量
2.1 圆度的定义
按照形状与位置公差国家标准中的规定,圆度误差是指被测实际圆对理想圆的变动量。 采用最小二乘法评定,就是在确定最小二乘圆(理想圆)时,应使被测实际圆上的各点到理想圆偏差的平方和最小。 从最小二乘圆的圆心算起,被测实际圆的最大半径与最小半径之差, 就是被测实际圆的圆度误差。
2.2 求取采样点的空间位置
由于激光位移传感器只能测量以传感器激光发射面到激光反射面的距离,因此必须将测量值换算转化为各个实际尺寸值。
2.3 系统误差修正
系统参数测试之前,首先要校正由于转台基准面不够绝对水平引起的系统误差。 由于该误差的存在,将导致转台与水平面不是严格垂直, 有一微小夹角 α, 使测量系统产生误差。 为了消除该误差,先对转台上的基准圆进行测量。
2.4 利用最小二乘圆评定法求圆度误差
令各点坐标拟合的最小二乘圆的圆心为 o(a,b),半径为R,且到基准坐标 o1 的距离为 e。
3 对圆度测量方法的仿真分析及结果
对圆度误差的分析是基于所给模型, 先求解各截面的最小二乘圆,然后取界面上各测量点到圆心的距离,最后取测点到最小二乘圆的最大误差为该截面的圆度误差。 最终测量物体的圆度误差可以由各截面的误差中的最大值与最小值的差值确定。
在不同的系统误差角度下, 圆度误差值与修正后的值进行比较,以确定测量修正方法的可行性;同时对被测物的测量点数据上叠加具有一定标准偏差值 σn(称为噪声水平)的随机噪声,用以考察不同测量误差对圆度测量的影响。
看到系统中的倾斜误差角度对圆度误差的影响很大,经过修正可以很好的满足系统的要求。
4 结 论
本文设计了一种用于圆度测量的非接触光电测量系统,它将激光扫描测距系统和伺服控制系统有机的结合起来,实现了自动化测量的要求。 仿真分析结果验证了测量中存在的系统误差修正方法的正确性, 获得随机误差系数在对圆度误差测量影响的数学表达式, 为研制计算机系统控制的圆度误差测量仪和在线测量系统提供了理论依据。
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