（机械电子工程专业论文）大尺寸热态环件激光测量技术研究.pdf

大尺寸热态环件激光测量技术研究摘要大型环件毛坯在高温下轧制成形，为控制环件毛坯的形状、尺寸，需对环件进行在线测量，由于被测工件温度和环境温度高，难以用传统的接触式测量方法进行测量，故采用激光非接触式测量方式。本文的任务是研究大型环件激光非接触式测量技术，主要研究工作和成果如下：1 综述了接触式与非接触式测量方法，对非接触式测量的特点作了较详细的论述，阐述了激光三角位移测量法的国内外研究现状及发展趋势；2 综述了激光位移传感器的组成和工作原理，重点分析了激光测厚原理和测径原理，对激光测厚所采用的两种方法进行了比较；3 环件在线测量装置的设计，包括回转台和传感器位置的调整机构的设计；4 分析了影响测量精度的主要因素，重点分析了环件本身温度以及环境温度对测量的影响，最后提出了提高测量精度的主要措施；5 设计了测量数据处理程序，利用最小二乘法算出其最小二乘圆心坐标和圆度误差；测出工件一周若干点的厚度值，经数据处理得出工件的平均厚度值、最大厚度和最小厚度。关键词：大型环件；激光；非接触式测量；高温；数据处理b i gs i z eh o tr i n gl a s e rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c ha b s t r a c tl a r g er i n gab l a n ku n d e rh i g ht e m p e r a t u r er o l l i n gf o r m i n g ，f o rc o n t r o lr i n gab l a n ks h a p e ，s i z e ，n e e dt ob eo n eo ft h er i n go n l i n em e a s u r e m e n t ，b e i n gm e a s u r e dt h et e m p e r a t u r ea n dh i g he n v i r o n m e n t ，i ti sd i f f i c u l tt ou s et h et r a d i t i o n a lc o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o df o rt h em e a s u r e m e n t ，t h el a s e rn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d ；t h i st a s ki st os t u d yal a r g er i n gl a s e rn o n 。c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nm e a s u r e m e n ti st h ek e yf a c t o r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：1 t h i sp a p e rr e v i e w sw i t hn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o dc o n t a c t ，t ot h ea d v a n t a g eo fn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n te x p l a i n e d ，t h a tt h el a s e rd i s p l a c e m e n tm e t h o do ft h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d 2 t h i sp a p e rr e v i e w st h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n da n a l y s e st h el a s e rt h i c k n e s sp r i n c i p l ea n dc a l i p e rp r i n c i p l e 3 t or i n gao n l i n em e a s u r e m e n td e v i c ed e s i g n ，i n c l u d i n gr o t a r yt a b l e sa n ds e n s o rp o s i t i o na d j u s t m e n ti n s t i t u t i o n s 4 a n a l y z e st h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h er i n gr o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h ee n v i r o n m e n ti t s e l ft h ei n f l u e n c eo fm e a s u r e m e n t ，a n df i n a l l yp u t sf o r w a r dt h em a i nm e a s u r e st oi m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c y 5 f i n a l l yo nm e a s u r i n gd a t ap r o c e s s i n g ，b yt h el e a s ts q u a r em e t h o dt oc a l c u l a t et h el e a s ts q u a r er o u n dr a d i u sa n dr o u n d n e s se r r o r ；m e a s u r et h et h i c k n e s so ft h ev a l u eo fo n ew e e k ，t h ed a t ap r o c e s s i n gc o n c l u d e dt h a tt h ea v e r a g et h i c k n e s sv a l u e ，m a x i m u mt h i c k n e s sa n dm i n i m u mt h i c k n e s s k e y w o r d s ：b i gr i n g ；l a s e r ；n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ；h i g ht e m p e r a t u r e ；d a t ap r o c e s s i n g致谢三年的研究生生活即将结束，在毕业论文定稿之际，谨在此向两年多来关心、支持和帮助过我的人表示真诚的谢意。本论文是在导师桂贵生教授的悉心指导下完成的。我攻读硕士学位期间，在生活上和学习上都得到了桂老师的关怀和帮助，为我提供了良好的学习机会。在学习上，桂老师从我培养计划的拟定、研究课题的落实、开题报告的选定及毕业学位论文的撰写、定稿等各个环节给予了悉心的指导和教诲。桂老师渊博的学识，开阔的视野、严谨的治学态度，将使我终身受益，并激励我在以后的工作中和学习中严格要求自己，不断开拓进取。可以说，在这三年中，我所取得的所有成绩和进步都包含有桂老师的心血，在此向桂老师表示崇高的敬意和由衷的感谢。衷心的感谢课题合作单位提供的各种技术资料，感谢高雷师兄在课题研究过程中给予的无私帮助。感谢我的同窗刘开红硕士、钱正旺硕士、杨竹君硕士、陈立群硕士等人三年来在生活和学习上对我的支持和帮助，在和他们的交流中，使我得到了不断的进步和提高，同时感谢张漾硕士、耿乾坤硕士和冯霄硕士等对我的帮助。感谢我的室友郑立平硕士和成焕波硕士，感谢他们三年来在生活上给予我的支持和鼓励! 感谢我的家人、亲戚们给予我的支持，正是他们的默默支持给了我强大的精神动力，使我顺利的完成学业。最后，向百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢!作者：杜家胜2 0 1 2 年4 月2 0 日插图清单图2 1 光学传感器内部结构7图2 2 直射式光路图9图2 3 斜射式光路图1 0图2 4 激光测径原理图1 2图3 1 环件1 5图3 2 测量机构整体示意图1 6图3 3 激光传感器水平位置调整机构1 7图3 4 激光传感器垂直位置调整机构1 7图3 5 回转台18图4 1 粗糙面对激光的散射示意图2 1图4 2 热态工件附近温度分布图2 2图4 3 热工件附近空气折射率分布图一2 3图4 4 热态工件附近光线弯曲2 3图4 5 光线弯曲导致的成像偏差2 4图4 6 双光路激光测量原理图2 5图4 7 激光传感器冷却系统布置示意图一2 6图4 8 激光传感器冷却水套部件示意图一2 7图5 1 圆度数据程序处理界面3 l图5 2 厚度数据程序处理界面31表格清单表2 1 技术参数1 4表4 - 1 物体表面颜色和吸收光颜色的对应关系2 0第一章绪论1 1 论文研究的目的和意义环件在欧美等发达国家已有一百多年的发展历史，1 8 5 5 年，在德国a l f r e dk r u p p 制造了第一台轧制环件的机器，用于生产火车轮箍；1 8 4 2 年，英国人b o d m e 设计并制造了世界上第一台环件辗扩的轧制机，用于生产简单的无缝环件。环件辗扩机随后在美国、俄罗斯、巴西、日本等国家逐步得到了推广和应用2 | 。二十世纪七十年代后，环件轧制技术已得到较为广泛的应用，辗扩环件的重量、几何形状和尺寸范围都比较宽，环件辗扩技术有冷辗扩和热辗扩两种，冷辗扩主要用于小型环件的加工，热辗主要用于大型环件的加工，其中以热辗技术为主流【3 j 。环件广泛应用于火车轮箍、国防军工、回转支承、工程机械和气轮机等产品领域中。在国内环件的研究和应用中，中信重型机械公司、济南铸锻研究所等单位在对环件辗扩技术研究中，采取了引进、消化再吸收的方式，自主研究开发并生产应用，我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件辗扩加工工艺，用于生产轴承套圈，该机械设备是仿前苏联制造的，虽然国内些企业对该设备进行了改进，但辗扩技术总体水平还是比较低下的1 4 1 - 5j 。本课题研究的环件是大型环件，其尺寸范围为：外径8 5 0 4 0 0 0 m m ，壁厚4 0 3 0 0 m m ，高度7 0 - - 一4 0 0 m m ，大型环件经热扎成形，切削加工制成成品。为了减少废品，必须控制环件毛坯尺寸，对热态环件进行在线测量；热态环件测量本质上就是位移测量，但不同于常温下的位移测量。环件在线测量是在热态下进行的，工件本身温度高达8 0 0 - - 一1 1 0 0 ，环境温度约为3 0 0 4 0 0 ，这些条件给热态环件在线测量带来很多困难，因此研究热态环件高温环境下非接触式激光测量技术，有着十分重要的理论意义和经济价值。1 2 大型零件尺寸非接触式测量研究现状1 2 1 接触式测量常用的工件测量方法大多数是采用通用测量工具或专用测量工具，对工件表面进行接触式测量，包括对工件尺寸，表面形貌以及形位公差等各个要素的检测。在尺寸测量中一般选择用游标卡尺、百分表、千分尺( 螺旋测微计) 和三坐标测量机等工具直接测量。三坐标测量机是一种经常用的接触式三维测量工具，它采集测头与被测物体表面接触体的信息，测头可在三个垂直的方向上进行移动，不仅可以对长度进行测量，还可以对曲线、曲面以及复杂物体表面轮廓进行测量。上述这些接触式测量方式适用于小批量生产、对测量速度要求不高的情况1 6 h 9 j ；接触式测量普遍存在的缺点是：测量效率低下，不能满足快速、大批量工件的测量要求；对测量工具磨损较大，长期使用会使工具的测量精度下降；容易对被测物体表面造成损伤，尤其是表面粗糙度值很低的工件不宜用接触式测量；此外，由于采用人工测量，会造成一定程度的人为误差；采用三坐标测量机进行测量，体积太大，测量头接触物体表面会造成探头的磨损和物体表面的划伤，无法测量一些较软的材料，受探头的限制和约束，不能测量一些微细表面；此外对高温工件的测量时，接触式测量法就受到了极大的限制1 9 h 1 2j 。由于接触式测量方法存在以上诸多不足，限制了其应用范围，非接触式测量应运而生并得到快速发展。非接触测量方法以其高效率、无损、非接触、高精度、自动化，测量范围广等众多优点，成为测量领域重点研究内容和发展方向。1 2 2 非接触式测量目前，较常用的非接触式工件测量有工业c t 测量法、光栅测量法、电磁测量法、声波测量法、激光三角测量法1 1 3 j 。( 1 ) 工业c t 测量法工业c t 技术是计算机断层扫面技术的简称，利用x射线成像技术，得到物体的断层图像以及空间立体图像，可以准确、清晰、直观的检测出物体的结构、形状、材料等信息，是一种先进的无损检测技术0 4j 。( 2 ) 光栅测量法光栅测量法是采集被测物体的三维信息，测量物体表面轮廓和三维尺寸。光源通过光学透镜、指示光栅后，投射到被测物体的平面或者曲面上，进而得到相应的直线条纹或者曲线条纹。当从反方向上观察和指示光栅相叠的标尺光栅时侯，光栅上还可以观察到与被测物体表面形状变化相应的变形条纹或者变形光栅像。这些变形条纹或者变形光栅像，即是莫尔条纹。在变形光栅像或变形条纹中，包括了被测物体表面凸凹变化的信息，通过对相位解调获得相位因子，再运用这些因子进行三维建模，进而求得目标点在系统坐标系下的三维坐标值1 1 5j 。这种方法可以很快地测量被测物体表面轮廓和三维尺寸等信息，缺点就是测量精度不高。( 3 ) 电磁测量法该法采用电磁感应的原理对工件进行测量。被测物体放在工作台上，将工作台置于磁场空间中，通过手动控制杆对被测物体表面进行扫描，利用杆内的扫描场传感器，检测出测杆在电磁场空间中的方向和位置，然后将这些数据处理后，得到曲面上点的坐标1 1 6 j 。这种系统既可进行单点的测量，也可以以一定的速度连续扫描测量，还可用来测量精确、复杂的曲面。但该方法只能用来检测非金属材料物体，另外由于该方法主要靠手动测量，精度不高。环件是金属材料，此外热态环件温度和周围环境温度高，高温极容易因电涡流传感器里面的金属导线的电阻值的变化而影响测量精度，电磁测量法不适用于热态环件测量1 1 7 j 。( 4 ) 声波测量法该方法是采用声波计算被测点相对于基准点的位置，通过对比得到被测物体的信息。测量时，将被测物体放在工作台上，工作台四周安2装四个麦克风。用测杆跟踪被测物体表面，当测杆发出超声脉冲，同时四个表开始计时，当脉冲被麦克风检测到时，就使相应的表停止计时。根据超声脉冲到达每个麦克风的时间，可算出当前测点的空间坐标j i g j 。这种方法的优点是可测量包括金属在内的各种材料制成的物体；缺点是不可以进行不问断测量扫描，此外，工厂车间脏乱吵闹的环境，都会给测量带来影响，影响其测量精度。( 5 ) 激光三角位移测量法激光三角测量法采用激光光斑作为探头，由于测量速度快，外加计算机在测量中的应用，使得激光三角位移传感器在物体的三维尺度测量得到广泛运用。动态扫描测量是把激光扩束成多线光投射到被测物体表面上，用光电位置探测器接收物体表面的漫反射光，然后转变成电信号输入计算机，利用三角几何量之间的关系，得出物体表面的三维坐标，实现对被测面的测量。由于在测量时不直接接触被测物体，并且测量速度快，可以相当密集地对物体表面进行测量，形成所谓的“点云”数据u9 i ，因此非接触式激光三角测量己成为自由曲面测量的一个发展方向。目前，非接触式测量的传递介质主要有声波、激光和电磁场等，其中，最常见的是以激光为媒介的激光三角测量法。对于非接触测量的评价，主要从测量的可靠性、准确度和范围三个方面来评价的，其中测量范围和准确度是一对矛盾体，需要在两者之间作一个平衡选择。当前，国内外对非接触式测量的研究大部分都集中在激光三角测量方法和激光位移传感器的研发与创新上。1 3 激光三角位移测量的国内外研究现状及发展趋势1 3 1 激光三角位移测量特点高性能激光三角位移传感器在工件的测量方面具有很多优点，和其它非接触式测量方法相比，具有较大的测量范围和偏置距离，对被测表面特性要求不高，激光三角法还具有以下特点：测量容易实现，测量仪器体积较小，光功率高，测量稳定性好，精度高，测量范围广、受环境影响小、便于自动化在线检测等。1 3 2 激光三角测量的国内外研究现状及发展趋势近年来随着各种类型激光光源的出现，光电子技术的快速更新，微电子技术、计算机控制和数据处理技术的不断进步及位置敏感探测器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e t o r ) 、四象限位移探测器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 等光电探测器件的完善和发展，使得激光三角法在非接触测量领域得到了较快的发展和广泛的应用，测量技术也越来越成熟。目前，基于激光三角法的测量仪器和位移传感器应用领域非常广泛，在工业设各维护、流程控制、机械工件的检测、机械自动化生产以及产品研发等方面，激光位移传感器在提高测量精度和测量实用性等方面起到了积极而重要的作用。在汽车制造行业中采用激光位移传感器测量大量的几何数据，如在新车型的研发中需要对模型轮廓进行反复检测和修正完善；对车身轮廓进行快速扫描完成质量检测；对传动机构中的大量齿轮参数进行测量；检测汽车发动机轴瓦厚度，预测其使用寿命等。目前，国内外对激光位移传感器的研究，主要集中在以下几个方面：如何利用激光位移传感器解决传统测量无法解决的问题，如薄膜的厚度测量、工件的表面缺陷检测、机械振动的幅度以及高温工件的测量等；分析测量环境和被测物体表面特性对位移传感器测量精度的影响规律，如何减少测量环境因素的影响、被测物体的表面特性等因素对传感器测量精度的影响；提高位移传感器测量工件尺寸的精度以及测量的可靠性。国内外许多研究者从测量环境、激光光源的性能、被测物体表面、以及测量系统的光路和光学成像系统、光电传感器的性能和信号处理等方面做了很多的研究。国内的北京交通大学光学系、哈尔滨工业大学机器人研究所、天津大学精密仪器系及其相关课题组、中科院合肥智能机械研究所、华中科大光电技术研究所等研究机构在理论和实验方面做了很多研究。北京交通大学的冯其波教授在光电检测这一领域做了很多工作，尤其在非接触测量方面，通过使用激光和各种光学探测器测量工件的几何形貌等方面取得了很多创新和成果，如利用单个激光位移传感器和两个激光位移传感器动态测量列车车轮直径，除此之外还对常用的光电位置探测器( 如p s d 、四象限探测器) 、激光位移传感器的各种性能、误差影响因素及改进方法通过各种实验做了广泛的研究。天津大学的黄战华教授从理论和实践应用两个方面出发，分析了激光三角法测量系统的误差产生机理，重点研究了如何减少由各种因素对传感器带来的误差，其研究表明通过插值法和三维拟合标定法、可以减小或消除光学放大率随测量点位置变化的影响；对位移传感器光路系统采用双光路方案或标准点标定方法有效减少光线路径受周围环境湿度、温度以及工件本身温度变化所带来的影响；采用高性能的激光光源和利用峰值定位的方法求光束光斑中心，可以消除激光束光强分布不均，测量物体表面粗糙度和光泽、传感器信号处理电路、感光元件接收光斑情况等带来的误差。燕山大学的周坤认为测量物体表面特性的差异是激光位移传感器产生测量误差的主要因素，分别在对表面粗糙度、表面颜色、表面倾斜角等做了对比性实验的基础上，找出了影响传感器测量精度的规律及提高精度的方法：对于不同颜色所造成的测量误差通过其重复特性采用数据标定的方法进行改进可以提高精度；由于被测物体表面光泽和粗糙度不同引起的误差，在传感器光路适当位置安装偏置片，可以有效消除物体表面的镜面反射光对散射光的影响；被测表面倾斜带来的误差可以通过双光路的方法降低和不同倾斜角标定曲线进行误差补偿。天津大学的庄葆华教授，对三角法测量中激光的光能分布规律、散射光斑强度、光敏元件接收光斑的原理等做了详细分析，对被测物体表面倾斜产生的误差及规律进行了理论研究，根据光散射的基本原理，研究分析了光电位置探测器接收面上光斑的光能质心偏移、倾斜角和位移量之间的关系，并通过计算机模拟及实验，4讨论了减少或消除被测表面倾斜影响测量精度的方法1 2 卟1 2 1 | 。国内对激光三角位移传感器的研究大都还停留在实验和应用阶段，主要对激光位移传感器的性能和使用范围进行研究，特别是在一些复杂工件的测量方面如何实现以及提高测量的可靠性和精度。天津大学在三角测量系统的结构设计方面有一定的基础，在三角测量方法的实现和实验方面做了很多工作，其研究重点在于提高三角测量系统的稳定性以及如何提高测量精度 2 2 】。国外的公司对激光三角测量系统的研究比较成熟，很多公司都有了商品化的研究成果，产品质量可靠而且类型比较多，其中，采用直射式光路结构的产品有美国m t i公司的m i c r o t r a k 系列和德国m i c r o e p s i f o n 公司研发的o p t o n c d t 系列等多种型号；斜射式激光位移传感器有日本k e y e n c e 生产的l b 系列、l c 系列和l d 系列等多种型号，德国k l i p p l e 公司，美国的m t i 公司的l t c 系列等 2 3 】。从国外的激光三角位移传感器发展动态来看，德国和日本等传统的机械制造强国在这方面的产品占有统治地位，其传感器的线性度好，测量范围广，分辨率高。德国m i c r o e p s i l o n 公司的o p t o n c d t 部分系列传感器采用了r t s c ( 表面实时补光技术) 能够选择性的对不同表面进行测量。日本k e y e n c el c系列传感器的a b l e 系统模块可以调整光源以适应不同的测量，对激光功率、激光发射时间以及c c d 敏感元件的放大系数进行智能控制，不仅测量稳定性大大提高而且测量范围也增大。德国的产品在性能方面尤其是测量精度相对比较高，在使用方面占据着一定的优势1 23 | 。当前，高精度激光位移传感器的应用有以下4 个方面：( 1 ) 位移、噪声、厚度、振荡、径向振摆、缝隙；( 2 ) 弯曲、平整度、斜度、变形；( 3 ) 尺寸形貌、外表轮廓、物体形变、工件挑选；( 4 ) 在线测量和过程质量控制。利用激光位移传感器对工件非接触测量，实现高精度、自动化、智能化测量以及提高复杂工件的测量可靠性具有十分重要的意义。未来，激光位移传感器将向着高效率、高精度、多参数、多功能、小尺寸的方向发展，在自动加工、复杂形貌测量、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学，尤其在空间三维测量领域，具有重要的意义和广阔的应用前景。1 3 3 热轧环件测量方案的选择热轧高温环件的厚度、直径测量本质上是位移测量，但由于高温以及其自身的特点，又不是普通的位移测量。它不仅要求能在高温环境下进行在线检测，而且对其检测的精度有较高的要求，这对高温环件在线测量提出了更高要求。由于环件经热轧成形，本身温度高，达到8 0 01 1 0 0 ，周围环境温度也达到3 0 0 - - 4 0 0 ，不能采用接触式测量，只能采用非接触式测量。非接触式测量主要方法中除了激光三角测量法受温度等因素影响较小外，其余非接触式测量方法都因温度、环境、噪声等影响较大，故选用激光三角法对热轧环件进行在线检测。1 4 本文研究的主要内容及内容安排本课题是产学研项目“大尺寸热态环件激光测量技术研究”的预研课题。1 4 1 主要内容本文研究的是基于激光技术的非接触式测量方式，通过高精度激光位移传感器高速检测环件，针对环件经过热轧成形，本身温度高、周围环境复杂等因素，提出了改进措施，进而提高测量精度。主要内容：( 1 ) 研究激光位移传感器三角法测厚原理和激光位移传感器测径原理，分析激光位移传感器的构成、三角法测量的类型、区别，通过比较，选择适合热轧环件在线测量的三角法测量方式；( 2 ) 设计热态环件在线测量装置，包括回转台和传感器位置的调整机构的设计；( 3 ) 研究激光位移传感器在测量过程中，影响测量精度的因素，特别是高温环境下( 被测工件温度8 0 0 1 1 0 0 。c ，环境温度3 0 0 , 、, 4 0 0 。c ) ，高温测量技术的关键问题；( 4 ) 设计测量数据的处理程序。1 4 2 关键技术的分析( 1 ) 生产节拍要求环件在线测量，即在热态下进行测量，工件本身温度为8 0 0 1 1 0 0 。c ，环境温度为3 0 0 4 0 0 c 之间，高温位移传感器的性能和传感器的冷却是本研究的关键问题之一；( 2 ) 环件不下线，在原环件轧制输送线上增设测量工位，环件中心在输送滚道上的实际位置难准确确定；( 3 ) 测量机械装置的刚度和运动精度由制造精度和安装精度保证，制造精度和安装精度要求高。1 5 本章小结本章主要论述了接触式和非接触式测量方法，分析了它们各自的优缺点，最终选择了激光三角法这种非接触式测量方式对热轧环件进行在线检测；对激光三角法测量技术的国内外研究现状、发展趋势作了综述，说明了本课题来源、研究的意义及主要内容，并对本文研究的关键技术作了分析。6第二章激光位移传感器与激光测量原理2 1 激光位移传感器简介激光三角位移传感器是一种高精度，非接触式位移测量仪器，其采用激光三角法测量原理对物体进行精密测量，测量精度可达微米级，可精确测量物体的位置、位移变化，广泛应用于工业生产线上的工件尺寸的检测，在测量范围及工作距离内，对被测物体的位移精密测量，如物体的厚度、位移、振动、三维尺寸等。激光位移传感器内部结构主要由激光发射器、光电位置接收器及测量电路组成，光路按照三角法的原理设计组成：激光发射器将激光束聚集后射向被测物体表面，形成一个亮的光斑，当被测物体移动时，其表面上光斑的位置相对成像物镜发生改变，光电位置探测器上的光斑位置也相应地发生改变。经过折射的激光被线阵敏感面上c c d 所接收，根据c c d 的特性和数字电路处理，通过微处理器分析，产生探测其光斑位置的标准电信号数据1 25 | ，如图2 1所示。点鬻裹匿：、。、：鼍嘎洲，n i - lh ! i rll 镊!图2 1 光学传感器内部结构测量之前，首先必须得到位移传感器的输出电信号大小和传感器到测量物体距离之间的函数关系，然后根据电信号的大小通过反求的方式计算出被测物体的位移。目前有很多激光传感器，如激光测速仪、激光测振仪、激光测厚仪、激光测距仪，它们的测量原理大多采用激光三角测量法，激光三角测量法是最常见的位移测量方法。基于激光三角测量法的激光位移传感器应用最多的领域是距离、厚度、液位、孔深等位移量的检测。当物体的位移发生变化时，激光在光电位置探测器光敏元件上的像点也相应的产生位移，根据像点的位移利用物象之间的三角几何关系计算出物体位移或距离变化量。2 2 激光三角法原理激光三角位移测量法的基本原理是由激光源发出一束激光照射在被测物体表面上，通过反射最后成像在检测器件上，当物体表面的位置发生改变时，其7反射光束所生成的像点在检测器件上的位置也会发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移就可以通过对像移的检测和计算得到。由于入射光和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为激光三角测量法。2 2 1 激光三角法的类型及区别( 1 ) 激光三角法光路按检测方式可分为反射型与透射型；通过激光在被测对象的表面发生反射，接收到被测信息。而对于一些特殊材料的工件，如透明物质，由于其表面非常光滑，用反射型会对测量产生一定的影响，则可以采用透射式激光三角法，通过激光器发出的光线透过被测工件再投射在光敏面上而获取测量信息。( 2 ) 按入射光的形状可分为片光和单光；采用单光照射，光点小、光强高、但是光范围不够，若片光照射，则要组成一个由面阵探测器和激光透射光条结构，经由光切法，即光图像法，最终一次获取一条扫描线上的数据参数。( 3 ) 按入射光线与工件外表法线的位置可分为斜射式和直射式。直射式的入射光线垂直照射到被测工件表面，运用漫反射光进行度量，当物体垂直方向上发生移动时，测量的是同一个点；斜射式的入射光线与待测工件表面成一定度数的角度1 25 i 。2 2 2 激光三角法测量原理在激光三角法检测中，光源种类很多，这里采用激光作为光源，传感器的中心线、接收透镜、光电位置探测器，三者处于同一平面内，将一个理想的光斑投射在被测表面上。该光斑将随其投射点位置的深( 高) 度坐标变化，沿着激光器的轴向作同样距离的位移。光斑同时又通过接收透镜成像在光电探测器上，且成像位置与光斑的深度，位置有唯一的对应关系。测出光电探测器上所成实像的位置，即可求出光斑的高度坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数。( 1 ) 直射式测量原理直射式三角法测量等效光路如图2 2 所示，激光器1 发出的光线，经会聚透镜聚焦2 后垂直入射到基准平面6 和被测环件表面3 上，物体移动或表面变化导致入射光斑h 沿入射光轴移动，接收透镜4 接收来自入射光斑处的反射光，并将其成像在光电位置探测器5 ( 如位置敏感器件p s d 、电耦合元件c c d ) 敏感面上 2 5 - 1 2 6 ；06l - 激光器2 一会聚透镜3 一被测环件4 一接收透镜5 一光电位置探测器6 基准平面图2 2 直射式光路图图中h o 为入射光线，光线经过会聚透镜2 照射到基准平面上，反射之后，经过接收透镜4 成像在光电位置检测器上p 点；入射光h o 与反射光o q 夹角为0 ( 接收角) ，反射光线与光电检测器所在平面夹角为a ( 成像角) ；h 点成像于光电检测器平面中的n 点，0 点成像于光电检测器平面中的p 点，由图可知，高度不同的点成像在光电检测器上位置是不同的。在常温下，激光束几乎不受温度影响，光线h o 上的点与光电检测器平面上的投影点是一一对应的关系。根据h 点和o 点在成像平面上的投影关系以及三角相似原理，即r h r qc - ) n m q ，列出以下三角关系式：hrrqnmmq日兀册s i n 0o q h o c o s 0l i l j一= 一p n xs i n aq p + p nx c o s o j 肋：塑兰型兰兰! 呈竺( 2 1 )p p xs i n 0 + p n s i n ( 0 + 仅)式中：h o 一物点的厚度；p n h 点在成像面上的成像点与成像基准点p 点的偏移量；o q o 点的成像物距；q p o 点的成像像距。( 2 ) 斜射式测量原理斜射式三角法是指入射光线与基准平面的法线成一定的夹角，斜入射的光路图，如图2 3 所示 2 5 j 。951 一激光器2 会聚透镜3 被测物体4 一接收透镜5 光电位置探测器图2 - 3 斜射式光路图图中入射光线h o 与o 点所在的基准平面夹角为0 ，o p 与成像平面所成夹角为倪，由三角形相似原理，即a h o q n m q ，可以得到下列关系式：h oo onmm o即日npoq么墨i 坠旦一pn si n 瑾qp4 - pnxc 0sa日彳：! 型兰! ! 呈竺兰望望兰! ! 呈旦qp+pnxcos 仪( 2 2 )式中：h a 一物点的厚度p n h 点在成像面上的成像点与成像基准点p 的偏移量0 q o 点的成像物距q p o 点的成像像距2 2 3 直射式与斜射式比较公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 分别描述直射式和斜射式测量的物体厚度与在成像面上像宽p n 的关系，对公式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 分别求导，推导出垂直入射和斜入射二者的放大率，通过比较得出二者分辨率之间的关系。在检测中，可以根据检测环境、条件等不同，采用不同的入射方法，从而获取精度更高的数据。按公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 对p n 进行求导1 2 7 j ：= 筹= cho 卜c 万意告等黑活可3 ，：叟望兰望! 兰! ! 里竺兰! ! 呈皇【qp s i n0 + p xsi n ( p + a ) 】2l op 斜= 等= c 日川= (p 斜2 而2 【爿么) 12 【pnxsina ooxsi n0qp+pnxcosad pxop si n 口sin0一_ _ _ _ - 。- 。_ _ _ _ - _ _ _ _ - - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ - _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - _ - _ 。_ _ _ - _ _ - - 。_ 一( q 尸+ p sina ) 2在夹角0 和a 相同的情况下，用公式( 2 4 ) 除以公式( 2 3 ) ，得到：dqxqp sina sin0( 2 4 )2 盟一一( qp + 尸sina ) 2一=-_-二-_-=二-p-一眶直面p 业xs in0 暑p n 羔sn街0协5 ，ip+if+a1l 7q 尸xsin0+pnxsin ( 0堕 2qp+pn sina由于在成像过程中像距q p p n ，所以公式( 2 5 ) 可以简化为：等堕詈篇掣h鼍等)：sjlmllsina沼6 ，u ：一2l l”i l2s口lz - o )p 垂直lq 尸+ p jlq pj。由( 2 - 6 ) 式可以看得出，p斜 1 ，即在夹角0 和仪完全一样的情前提p 垂直下，垂直入射式放大率要大于斜入射式，放大率直接影响像点的清晰度( 分辨率) ，两者成反比关系，所以斜入射式的检测到的像点的清晰度( 分辨率) 要高于垂直入射式，两种方法各有优点。这两种传感器都可以对被测表面进行高精度、高速度的非接触测量，但各有特点【2 8 】：( 1 ) 斜射式可接收来自被测物体的散( 反) 射光，比较适合被测量表面较为平滑的物体；直射式由于其只能接收散射光的特点，不适合测量表面光滑的物体，若测量表面平滑的物体，则可能由于耦合到光探测器的散射光强太弱，甚至为零，使测量无法进行，即无法测量，也即存在测量盲区，故直射式适合于测量表面粗糙的被测物体。( 2 ) 斜射式的测量精度高于直射式，但前者入射光线与接收装置光线夹角太大，对于曲面物体有遮光现象、形面复杂的物体，这个现象可能会导致测量盲区，即无法测量；( 3 ) 直射式光斑比较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光照面上的光斑，可以解决柔软材料以及粗糙工件表面形状位置变化测量问题。斜射式传感器分辨率高于直射式，但他的测量范围较小，体积较大。因此，直射式较为常用。、2 3 激光测径原理用三爪卡盘对环件圆心进行定位，测量原理如下图2 4 所示，激光器1 发出光线到达标准环件2 后又反射回激光器1 ，利用光在待测距离l 上往返传播的时间可以计算出待测距离l ，待测距离三= cf41 - 激光器2 一环件3 一三爪卡盘4 一回转台图2 4 激光测径原理图式中：c 一激光在大气中传播的速度t 一激光在待测距离上的往返时间按照检测时间t 的方法，待测距离l 的测量可分为相位测距和脉冲测距。本文采用脉冲测距法，激光器1 发射一个光脉冲射向工件2 ，经反射，再由激光器1 接收发射脉冲，用电子系统测得这两个脉冲先后的时间差t ，就可以求出待测距离“2 引，由于回转台的中心到激光器的距离是定值，这样可以求出圆心到所测量点的距离。当回转台每转过一定的角度o l 、0 2 、仗，就可以由激光测出一组与之对应的厶、厶、厶，由于激光位移传感器在安装时，他与回转中心之间的距离为定值，所以可以算出一组圆心到所测量点的距离足、r ，、足，若环件外圆面上n 个测量点的坐标为只( 誓、只) ，可以得出：t = 尽c o s o ，y i = r is i n o ,( i = l 、2 、3 n ) ，设圆心坐标为( x o 、y o ) ，则圆的理想方程为 3 0 - 3 1 1 ：( 誓- x o ) 2 + ( 只- y o ) 2 = r 2( 2 7 )该圆称为最小二乘圆，各测点到最小二乘圆的圆周的距离的平方和为最小，即f ( ，y o ，r ) = a r 2 ，i = 1a r 2 ，= ( t 一) 2 + ( 咒- y o ) 2 一r( 2 - 8 )1 2为避免对( 2 墙) 式平方和求导变成非线性方程组，可对( 2 7 ) 式展开整理，得到：t 2 + 咒2 2 x o x , 一2 y o y j + ( x 0 2 + y 0 2 一r 2 ) - - o令c = ( x 0 2 + y 0 2 一r 2 1 ，( 2 - 9 ) 式化简为：x j + y ? 一2 x o x j 一2 y o y f + c = 0根据最小二乘原理，目标函数f ( x o ，y o ，r ) = 由极值条件，即o型二_ ：o ；a yo型二_ ：oaci = lf 薯2 + 咒2 2 x o x ，一2 y o y ，+ c ) 2( 2 9 )( 2 1 0 )( 2 1 1 )解( 2 - 1 1 ) 方程组得到最小二乘圆心坐标( ：c o ，y o ) 和最小二乘圆的半径r 。酗蛳其中s 。=s ：=s 3 =2 =墨2 墨二墨坠跪一墨。蔓2墨2 墨二墨! 墨3跷一s l 。是22 防瓢厂n12 【- 善薯咒一吉( # + x y 2 )i = 1厂一12 藩旷2 吉(是，= 1 厂c = 二l2 x o”l最i = 1月f - lt ) 2 薯咒ih月i = ii = 1jl刀hz x , ( # + 订)i = li = ln- 1”) 2i = 1jnz y , ( # + 卯)i = li = 1n疗h鼍+ 砜咒- zi = 1i = 1i = 1小二( 葺：卅j乘圆的半径r 为：1 3( 2 1 2 )l 一栉一、，#+3ly，l最小二乘圆的半径r 即为被测环件的半径。( 2 1 3 )2 4 激光位移传感器的技术参数及选用针对被测环件温度及周围环境温度高的特点，本测量选用英国真尚有o d s系列( o d s 2 5 0 、o d s 4 5 0 ) 可测高温物体激光位移传感器，这款传感器适用于高温物体、冶金、热轧钢板和热轧工件的测量，可承受被测物体表面温度可达1 2 0 0 的高温，其本身工作温度为0 4 5 。o d s 2 5 0 和o d s 4 5 0 的主要技术参数见表2 1 。由于常用环件的厚度尺寸范围为：9 0 2 7 0 m m ，外径尺寸范围为8 0 0 1 8 0 0 m m ，故环件厚度测量选用o d s 4 5 0 型号的传感器，外径和内径测量选用0 d s 2 5 0 型号的传感器。表2 1 技术参数型号( 黑壳)o d s2 5 0o d s4 5 0量程m m3 0 05 0 0量程范围m m1 0 0 4 0 02 0 0 7 0 0量程中点m m2 6 04 5 0分辨率m mo 0 8o 1重复性m m士0 0 8士0 1线性度m m士0 2士0 32 5 本章小结本章介绍了激光位移传感器内部结构，重点论述了激光三角测量原理和激光测径原理；分析了基于三角法的直射式和斜射式光路、特点及其应用，最后对热态环件在线测量所选传感器的型号及相关参数作了说明。1 4第三章测量机构的设计3 1 测量原理本课题研究的环件是大尺寸环件，大型环件的尺寸范围为：外径为8 0 0 - 4 0 0 0 m m ，壁厚为4 0 3 0 0 m m ，厚度为7 0 , 、- 4 0 0 m m ；针对环件尺寸变化以及高温环境下测量等特点，设计了基于环件测量机构；图3 1 为某一尺寸的环件，外径为1 2 5 0 m m ，内径为1 0 4 8 m m ，厚( 高) 度为l o o m m 。阏一川0 4 8阏一审1 芝5 0一图3 - 1 环件如图3 2 所示，整个测量装置布置在位于转台上方的龙门机架上，龙门机架由四根立柱和横梁组成，立柱上有直线导轨，作为自动升降滑板导向作用，v 字形板和自动升降滑板固定相连，由布置在横梁上的电机、减速器和丝杠螺母机构驱动，实现v 形板升降，v 字形板上安装有三只高温激光位移传感器，由手柄和丝杠螺母机构驱动定位。1 、1 5 - 电机2 、1 4 减速器3 、9 、2 2 、2 3 轴承座4 立柱5 、1 0 一滚珠丝杠6 、2 2 一螺母7 v 形板8 、2 1 - 手柄1 1 夕 径测量传感器1 2 内径测量传感器1 3 一小齿轮1 6 一工作台底座1 7 回转支承1 8 回转工作台1 9 环件2 0 厚度测量传感器图3 - 2 测量机构整体示意图由电机l 通过减速器2 驱动滚珠丝杠5 转动，由于螺母固定，滚珠丝杠5兼作上下移动。由于v 形板7 和滚珠丝杠5 相连，所以实现v 形板升降，v 形板上安装有三只高温激光位移传感器，故传感器随着v 形板实现升降；回转台18 置于底座1 6 上，由电机15 、小齿轮13 和回转支承17 驱动，实现回转，此时回转台上面的环件也做回转运动，这样，工件连续回转3 6 0 。后，每个传感器采集到关于环件的内径、外径和厚度的一组数据。3 2 激光传感器位置调整机构被测环件是大型环件，外径为8 0 0 - - - 4 0 0 0 m m ，壁厚为4 0 一- 3 0 0 m m ，厚度为7 0 4 0 0 m m ，尺寸范围大，因此设计了激光位移传感器的位置调整机构，激光位移传感器的工作位置可随环件尺寸的改变作调整，如图3 3 ( a ) 、( b ) 两图所示。卜手柄2 一自由端轴承3 螺母4 厚度测量激光传感器5 滚珠丝杠6 一固定端轴承( a )l 一固定端轴承2 滚珠丝杠3 螺母4 手柄5 自由端轴承6 夕h 径测量传感器7 内径测量传感器1 6( 6 )图3 3 激光传感器水平位置调整机构示意图激光传感器工作位置调整机构固定在v 形板下方，3 个激光位移传感器工作位置分别通过手柄调整。激光传感器垂直方向上位置的调整机构如图3 4 所示。曹卜一，日f lhi兰臆、1 一謦、s 矗l 、，一 八爹l j曩、玉j f 、3 、，一。一一_、一掣皿卜：i l l-一5i1 一电机2 减速器3 轴承座4 滚珠丝杠5 螺母6 v 形板图3 4 激光传感器垂直位置调整机构示意图激光传感器垂直方向位置调整机构由位于转台上方的龙门机架上电机1 、减速器2 和丝杠4 螺母5 机构组成。电机经过减速器带动滚珠丝杠转动，由于螺母固定，滚珠丝杠兼作上下移动，丝杠与v 形板相连，v 形板和置于其下方的传感器随丝杠实现上下位置的调整。3 3 回转台机构的设计如图3 5 所示，回转台7 通过螺栓与回转支承2 的外圈相连，内圈通过螺栓固定在工作台底座3 上，环件放置在回转台7 上面。1 7么、7j工、。么韪、!栏除1 - 环件