基于光三角测量原理的螺纹检测系统

基于光三角测量原理的螺纹检测系统

左卫

海军装备部驻上海地区第六军事代表室，上海，200000

摘要：本文拟采用基于光三角测量原理的激光位移计对螺纹截面进行位移测量，同时采用光栅尺对轴向进行位移测量，对螺纹的剖面轮廓和测试数据实时检测、存储、分析，从而实现快速、高精度、无磨损测量。本文不仅介绍了光电式螺纹检测系统组成，详细阐述系统工作原理，同时还对影响测量精度的诸多因素进行认真分析。

关键词：激光位移计，光栅尺，螺纹，光三角测量

1引言

在许多特殊的行业和应用，常常需要对螺纹的螺距、齿高、牙型角、导程、锥度、中径等几何参数进行精密测量。目前广泛使用的测量方法主要有机械接触法（如万能量具、塞规等）和光学非接触测量法（如测量显微镜、三坐标测量机等）。

国内、外都在探索螺纹的有效非接触测量方法。其中，利用电容式位移传感器进行螺纹测量虽然可以获得很高的测量精度，但是测量范围较小，比较适用于微位移测量[1]；光纤位移传感器可以获得比较高的动态范围和测量精度，但是需要将反射镜贴于被测表面，测量应用存在局限性；电磁测量法具有测量范围大，不受油污等介质的影响，但是易受表面材料和裂纹等因素影响且灵敏度不是很高、检测精度较低等缺点；由线阵CCD和半导体激光器组成的、基于光三角测量原理的激光位移计对螺纹测量具有使用方便、测量精度较高、测量范围较广等优点。本文就是利用此激光位移计作为核心器件实现工件内外螺纹精确测量系统。

2系统组成

图1光三角螺纹测量系统框图

光三角螺纹测量系统组成框图如图1所示。它由激光位移计传感器、轴向电控

精密位移平台、光栅尺、被测工件二维精密定位平台和检测系统控制箱组成。其中激光位移计控制器、步进电机伺服控制和光栅尺电子学系统、系统电源和微机接口都集成在控制机箱中。

轴向电控精密位移平台驱动采用带10细分驱动的五项步进电机[2]，采用滚珠螺杆和线性轴承导轨，使其具有定位精度高、晃动、偏摆和空回小等特点；另外，还采用光栅尺对位移进行反馈测量，从而提高轴向伺服精度到2～5微米量级，满足系统检测要求；二维手动精密调整平台用于固定被测工件，并且使被测工件和位移计间在高度和距离能精确调整，从而可以减小测量误差。

图2激光位移检测分系统框图

激光位移检测分系统是螺纹检测的核心部分，其系统组成框图如图2所示，主要包括传感探头、控制单元和数据采集单元。传感探头仅将半导体激光器、光束整形镜组、线阵CCD器件、成像镜组及驱动单元进行集成，从而减小探头的体积和重量，增加其应用领域；而激光位移检测控制单元包括激光器脉宽调功电路、线阵CCD时序产生和视频信号处理单元、DSP实时位移解算单元和高速、高精密D/A转换等单元，最终实现与测量位移成正比的模拟电压信号输出；数据采集单元包括控制CUP/高精度A/D转换、光栅尺接口、RS485标准数据传输等单元组成。主控计算机同时接收激光位移检测分系统数据和光栅尺轴向位移信息，便能对螺纹的各项性能指标进行分析和处理。

半导体激光器的波长为670nm，此波长是可见光波段与CCD灵敏度光谱相应峰值匹配较好的波长，同时背景光功率相对较小；半导体功率选择为1mW，满足低反射率条件下CCD信噪比要求，同时由对人眼相对安全；经过光学整形后将矩形光斑整形为小发散角的圆光斑，使其在有效的作用距离内光斑直径小于0.25mm,其中作用中距处的光斑仅为10um量级，可以使目标物表面轮廓得以精确测量，由此可见，为了减小测量误差，最好将被测螺纹的中径与传感器的测量中距一致；在激光接收单元前端，放置中心波长为670nm的窄带滤光片，这可以减小环境背景光对于检测精度的影响，从而提高信号强度和信造比，提高检测精度；激光光斑检测单元采用线阵CCD，CCD不仅能检测出每一个像素的光功率分布，而且能进行亚像元细分，从而提高检测精度[3]；CCD的时序驱动采用表面贴封，超大规模集成芯片实现，从而实现小体积和低功耗等特点，将其与CCD器件集成在激光位移传感器头部，减小信号干扰，提高检测精度；位置解算单元采用32位超高速处理器，此处理器能对原始数字数据进行预处理，包括线性补偿、滤波和数据转换，然后输入到高精度D/A转换器，从而输出与检测位移成正比关系的模拟电压信号，实现2～5um的解析度和0.1％的线性度。

3工作原理描述

由于激光位移计仅能对一维位移进行精密测量，为了能对螺纹剖面进行轮廓检测和参数测量，需要在平行于轴线方向进行精密位移扫描，本检测系统的核心部件是由半导体激光和线阵CCD等器件组成的激光位移传感器，它完成径向尺寸的精密测量；此传感器沿被测件工件的轴线方向做匀速直线运动，轴向位移伺服采用经过细分的步进电机驱动、采用经过电子细分的光栅尺进行闭环检测，位移平台每前进一定微小距离，光栅尺检测系统输出一个控制脉冲。此脉冲控制激光位移计去进行数据采集。这样在整个测试过程中，计算机通过接收采集的数据量，便能确知轴向位移；通过每点的采样值，能个知道被测目标扫描线中各个测量点的相对位移，进而建立直角坐标系，然后利用系统软件，为形成轮廓图型和数据分析奠定基础。

4测量精度分析

影响系统测量精度的主要因素：（1）激光位移计产生的纵向位移误差：激光位移计产生的纵向误差包括光三角测量原理引入误差、CCD成像光斑信造比不够引入的光斑位置细分误差、光斑远离动态范围中央引起的线性误差、模拟信号干扰误差和A/D转换器引入的量化误差。（2）光栅尺产生的轴向位移误差：光栅尺的测量误差主要取决于光栅尺的栅距和电子细分能力。本系统中的轴向位移误差为2.5um左右。通常对于螺纹的牙型角和齿距这两个参数，光栅尺引入的误差比激光位移计权值大，所以为了减小测量误差，需要重视轴向伺服精度；（3）机械定位引起的平移误差、倾角误差、随机振动误差：其中，平移误差是指激光位移计的激光束没有垂直入射界面，而是垂直入射平面或；倾角测量误差是指激光位移计没有水平放置，使被测光束于被测工件不是垂直入射，这两种状况都将对牙顶角和齿高这两个参数引入系统误差，将使牙顶角片小、齿高整体偏大；随机振动误差是指测试平台存在振动，或步进电机伺服过程引起扰动，都将改变检测光斑的位置，进而引起测量误差；（4）被测物体表面光滑度和被测角度引起的线性误差：如果被测物体表面不是良好的漫反射体，入射信号绝大多数按镜面发射，而被CCD接收的信号功率比较微弱，引起系统粗大误差；另外被测物体的倾角也会引入测量误差，倾角越大，误差越大，数据处理过程中需要线性补偿；（5）软件算法误差：对于齿高、齿距、牙型角这些参数，需要对被测数据中寻找被测数据中的特征点，进而进行分析和计算，由于数值分析和算法的多样性，这将不同程度的引入测量误差。

5提高测量精度的注意事项

为了提高测量精度，除了提高位移传感器本身的精度以外，在工程中还需要在以下几个方面进行考虑：其一就是测量速度要慢，因为传感器的采样速率最高为1KHz，所以系统对内螺纹进行测量，就是对内表面进行离散取样，系统伺服速度越低，单位位移内采用点越密集，空间位移的分辨率就越高，测量精度就越高。如果系统测量时间允许，最好每个螺距进行800次采样；其二：注意测量系统标校，应该使位移平台的前进方向与被测螺管的轴心平行；其三：注意振动隔离和强背景光干扰影响。

参考文献

[1]范志刚,光电测试技术[M].第1版.电子工业出版,2004

[2]原立家,祝连庆,董明利;高精度的步进电机控制系统设计[J].北京机械工业学院学报.2006年01期

[3]刘云清,佟首峰,刘鹏,王士峰,孟凡斌;螺纹综合尺寸非接触光电测试系统[J].化工自动化及仪表.2005年02期