非接触式激光平面检测系统

龙源期刊网非接触式激光平面探测系统作者：李雪豹、徐军、邓、宋腾飞资料来源：2010年03号现代电子技术摘要：传统的接触平面检测因其精度低、稳定性差以及对物体检测条件的严格要求而逐渐被现代非接触平面检测所取代。本发明具有高精度、高分辨率、不受物体材料、颜色或倾斜度影响的优点，可以对任何物体进行平面检测。介绍了该系统的结构和激光位移传感器的工作原理，并进行了平面定性检测和定量检测试验。OpenGL用于绘制和拟合三维曲面。测试结果表明，系统的平面检测结果反映了物体平面的波动，满足系统的精度要求。关键词：激光位移传感器；非接触平面检测：平移表控制；OpenGL三维拟合曲面图中分类号：TP29文件标识码：A文章编号33361004-373x (2010) 03-134-03非接触式激光平面度测量系统李雪豹、徐俊、邓华林、宋腾飞(中国科学院国家天文台云南天文台，昆明，650011，中国)传统的接触式平面度测量精度低、稳定性差、被测对象条件恶劣，已日益被现代非接触式平面度测量所取代。非接触式激光平面度测量系统可以测量任意目标的表面平面度，不受目标材料、颜色或角度的影响，具有精度高、分辨率好的优点。介绍了系统的总体结构和激光位移传感器的工作原理。对平面度测量进行了定性测试和定量测试，并在OpenGL中绘制了三维拟合曲面。实践证明，测试结果反映了表面起伏情况，达到了精度要求。关键字：激光位移传感器；非接触平面度测量；X-Y阶段的控制；OpenGL三维拟合曲面接收日期：09-07-280简介随着科学技术的飞速发展，激光位移检测技术以其非接触、精度高、稳定性好、自动化程度高、易于与计算机结合等特点，已经广泛应用于自动检测、机器人视觉、计算机辅助设计和制造等领域。它将逐步取代传统的接触检测技术，成为现代检测技术最重要的手段和方法1。非接触式激光平面检测系统主要利用激光位移传感器和平台运动控制系统来检测物体平面的平面度。位移传感器用于测量目标物体的距离。根据与目标物体接触的类型，它们可以分为两种类型，主要以差分电压的形式，以及非接触式磁场、超声波和激光的形式。由于非接触式激光位移传感器具有高精度表面扫描的特点，本系统选用卡恩斯公司的LT-9001系列激光位移传感器。激光位移传感器可以高精度测量任何物体的位移，如精细工件和粗糙表面工件的高度、电路板上的焊料以及透明体的表面和厚度2。平台运动控制系统选用丹纳赫公司的ULTIMAC-G-G控制器和二维电动平移平台。云南丽江天文工作站2.4 m天文望远镜终端拼接CCD相机将采用非接触式激光平面探测系统来探测拼接CCD相机的平面平面度，以获得更清晰的天体图像。1激光位移传感器的系统结构和工作机理1.1系统结构系统的整体结构如图1所示。从图1可以看出，整个系统由上位机、激光位移传感器和平台运动控制系统组成。激光位移传感器由激光位移控制器、传感头和监视器组成。平台运动控制系统主要由平移台运动控制器、驱动器、电源和二维电动平移台组成。系统的一些设备如图2所示。图2列出了激光位移传感器的传感头和二维电动平移台。图3是通过激光位移传感器的传感头测量物体的原理。基准距离为2 mm，基准距离为30 mm，激光位移传感器的显示分辨率为0.3微米，线性度为满量程的0.3%，即精度为6 m图1是非接触式平面检测系统的整体结构图图2设备图片图3激光位移传感器传感头测量对象原理图1.2激光位移传感器的工作机理在激光位移传感器中，激光束通过调节音叉以高速上下移动的物镜聚集到待测物体上的焦点，同时，反射光也聚集到针孔位置的点，使得光接收元件接收光。通过测量物镜的特定位置，物体与参考位置的距离被精确地测量，并且不受材料、颜色或倾斜度的影响。图4示出了当传感头的焦点分别与物体对准和不对准时的情况2。图4的焦点分别是对准和未对准物体的情况上位机通过RS 232串口与激光位移传感器中的控制器通信。串行端口信号格式为：COM1端口，波特率9，600，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位。激光位移传感器中的控制器也可以由手柄控制来收集数据3。二维电动平移台采用步进电机，脉冲信号占空比为50%，运动控制器采用开环控制电动平移台的运动。由于平台运动控制系统是精密加工的，系统不需要编码器反馈4。上位机和平台运动控制器可以通过平面检测系统选择的RS 232串口或以太网连接。非接触式激光平面检测系统的软件界面如图5 5，6所示。图5非接触式激光平面探测系统软件界面2平面测试和结果2.1定性检测该系统以10元人民币的盲文为目标进行定性检测实验。二维电动平移台的水平面的两个运动轴的方向设置为x轴和y轴，垂直于水平面的方向设置为z轴。表1收集16个处理后的数据，x轴和y轴间隔为1.5 mm，z轴方向单位为 m。图6中的白色折线、x轴和y轴形成一个正方形区域，这是一个平面检测范围。表1 10元纸币平面检测数据y轴x轴01230-0.230.8132.5831.4511.520.0431.7930.5231.8832.9031.4331.63332.5131.7532.0631.38图6钞票平面检测区域收集和处理数据的主要操作步骤是：(1)将纸币放在平台上，将感应头与纸币之间的距离调整到30毫米左右，直到焦点对准纸币，显示器上显示可变读数；(2)按下人机界面中的开始按钮，平台将按设定的速度、物理间隔和相邻数据点的时间间隔移动，直到数据采集完成；(3)保存步骤(2)收集的数据，取下纸币，复位平台；(4)重复步骤(2)操作，获取平台表面与基准线之间的距离，并从步骤(2)中获取的数据中减去步骤(4)中的数据，以减少平台表面波动对钞票表面检测的影响；(5)最终数据的处理和保存，用OpenGL拟合三维图形。数据平均值，表面峰值(PV) :平均值=1n 3i=0xi 3j=0yi，n为数据总数，PV=最大值Xi，yi-最小值Xi，yi ，I=0，1，2，3。在计算后，表1中检测数据的平均值为23.99微米，PV值为33.13微米米图7 10元检测区域的三维拟合曲面2.2定量检测该系统的仪器定量检测测试方法类似于定量检测。使用电荷耦合器件照相机代替纸币，电荷耦合器件照相机的平面度已知为10 m。表2是收集16个经处理的数据，x轴和y轴间隔为508微米，z轴方向单位为 m表2 CCD摄像机平面检测数据y轴x轴012301.480.581.18-1.2213.26-0.62-1.82-3.322-0.02-0.02-0.920.2832.08-0.320.58-0.62经计算，表2中检测数据的平均值为-0.00125 m，PV值为6.58 m。与已知的CCD摄像机平面度相比，系统实际检测误差为3.42微米，满足激光位移传感器在6 m范围内的理论精度要求图8中示出了CCD相机的检测区域的三维拟合表面。蓝色的点是16个控制点。该图形是在OpenGL中用非均匀有理B样条NURBS曲面拟合的三维曲面图形。2.3 OpenGL拟合三维曲面在OpenGL中，系统使用非均匀有理B样条NURBS曲面拟合三维曲面。U中P阶和V中Q阶的NURBS曲面定义为7:S(u，v)=ni=0mj=0Ni，p(u)Nj，q(v)i，jPi，jni=0mj=0Ni，p(u)Nj，q(v)i，j，0u，v1其中：，j是形成曲面的控制点网络；i，j是权重因子；Ni，p(u)，Nj，q(u)是p阶和q阶B样条的基函数，的节点向量是8:U=0，0，向上1，ur-p-1，1，1，V=0，0，uq 1，us-q-1，1，1这里r=n p 1，s=m q 1。图8 CCD摄像机检测区域的三维拟合曲面NURBS拟合系统的主要步骤是9，10:(1)创建NURBS对象，并将NURBS对象函数定义为gluNewNurbsRenderer()。功能原型： glunurbs * glunewnurbsenderer(空)。(2)设置Nurbs对象的属性。在OpenGL中，设置NURBS对象的功能是gluNurbsProperty()。功能原型： void glunurbproperty。(3)利用控制点和节点序列生成和拟合三维曲面。将NURBS曲面函数定义为gluNurbsSurface()。功能原型： void Glu NURBS surface(Glu NURBS * nurb，glfloat * knots，glfloat * knots，glfloat * tknots，GL float stride，glfloat * control，GL float sorder，glinttorder，glenttype)。3结论非接触式激光平面检测采用集成光和机电一体化的测量设备系统。系统中的激光位移传感器是取代传统接触测量的一种新型位移检测装置。它具有分辨率高、线性度高、稳定性好的特点，能够实现对物体的高精度、高可靠性测量。本文的定性测试很好地反映了物面的实际波动，定量测试结果在6微米米范围内满足仪器的理论精度要求。该系统能够满足现代生产和科学研究的需要，具有广阔的应用前景。参考段杰，孙向阳，蔡静海，等。PSD在激光位移检测系统中的应用J。红外与激光工程，2007(36):281-284。2Keyence。高精度表面扫描方法用户手册Z.2008 .3Keyence。表面扫描激光共焦位移计LT-9001系列用户手册Z.2008 .4加利勒姆。DMC-21x2/21x3用户手册Z.2008 .5高捷李长林。Visual C串行通信技术及典型实例M。北京：清华大学出版社，2006。6加利勒姆。DMCWin3