激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設計

1、畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設文（設 計）計） 題 目： 激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設計激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設計 （英文）： system design of a laser-scanned diameter gauge 院 別： 機電學院 專 業(yè)： 機械電子工程 姓 名： 學 號： 指導教師： 日 期： 2010 年 6 月 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設計激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設計 摘要摘要 激光掃描測徑儀系統(tǒng)是一種基于光學技術、現(xiàn)代激光、電子學、計算機、精密機 械等多學科技術于一體在線檢測系統(tǒng)。它是用可見激光作為光源，把被測對象的幾何 尺寸經過掃描光學系統(tǒng)和光電變換系統(tǒng)轉變成電信號，再由計算機進行實時數(shù)據(jù)處理

2、， 給出測量結果，并數(shù)字顯示。論文論述了激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)的工作原理， 并對這類系統(tǒng)進行了總體設計,最后探討了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度的基本因素及解決方 法。本設計具有檢測速度快、精度高、非接觸檢測、閉環(huán)控制等特點,完全適用于回轉 體直徑尺寸的在線檢測和控制，尤其是熱的、軟的和運動的被測對象。 關鍵字關鍵字：測徑儀；激光掃描；測量精度；精密結構；單片機 system design of a laser-scanned diameter gauge abstract laser scanning caliper gauge is an on-line detection system, wh

3、ich integrates many modern technologies such as laser, electronics, computer, precision machinery technology etc. in the system, visible laser is used as the light source. the informations of the geometric dimension of the tested object are obtained through a scanning optical system and transformed

4、into electrical signals by a photoelectric transformation system. the electrical signals are real- time processed by a computer and the measurement results are displayed through a digital display in the end. in the paper, firstly the working principle of laser scanning caliper gauge was discussed, t

5、hen an intact system of a laser-scanned diameter gauge was designed and the basic factors which influences the accuracy and stability of the system is discussed and the solving methods were put forward. this system has characteristics of detection speed, high precision, non-contact detection, the cl

6、osed-loop control etc. it is completely suitable for on- line detection of the diameter size of a rotary parts especially for hot, soft and movement tested objects. key words : laser scanning; measurement accuracy; precise structure; single chip processor 目錄目錄 1.緒論.1 1.1 前言.1 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 系統(tǒng)工作原

7、理及總體結構.3 1.3.1 系統(tǒng)工作原理.3 1.3.2 系統(tǒng)總體結構.3 1.4 基本功能和主要技術指標.4 1.4.1 測徑儀的基本功能.4 1.4.2 測徑儀的主要技術指標.4 2.高性能掃描光學系統(tǒng).5 2.1 光學系統(tǒng)分析.5 2.1.1 激光掃描法.5 2.1.2 激光掃描法必須滿足兩個條件 .6 2.1.3 激光源的選擇 .7 2.2 透鏡的設計 .9 2.2.1 普通透鏡和 透鏡的區(qū)別 .9 2.2.2 透鏡參數(shù)的選擇 .10 2.2.3 設計要求.11 2.3 掃描接收光學系統(tǒng)設計 .12 2.4 多面體反射鏡 .12 2.4.1 掃描器件的選擇 .12 2.4.2 多面體

8、反射鏡技術規(guī)格和公差 .14 2.4.3 多面體反射鏡設計計算 .15 2.5 光學元件的尺寸及掃描速度計算.17 3.機械結構設計.18 3.1 主體精密機械系統(tǒng).18 3.2 反射鏡系統(tǒng)設計.19 3.3 透鏡系統(tǒng)設計 .20 3.4 工件支架設計 .20 3.5 步進電機支架及轉鏡支撐件設計.21 3.6 步進電機的選擇.21 3.7 多面體轉鏡的工藝設計.22 4.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).23 4.1 硬件系統(tǒng)設計.23 4.1.1 結構設計及原理.23 4.1.2 信號接收元件選用.26 4.1.3 硬件電路的設計.27 4.1.3 主控器的選擇.30 4.1.4 總電路圖.31 4

9、.1.5 系統(tǒng)抗干擾設計.32 4.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn).33 4.2.1 主程序.33 4.2.2 計數(shù)子程序.33 4.2.3 計算直徑子程序.33 4.2.4 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序.34 4.2.5 形成控制步進電機脈沖子程序.34 5.激光掃描檢測系統(tǒng)的精度分析.35 5.1 基本參數(shù)對測量精度的影響 .35 5.2 掃描速度對檢測精度的影響誤差分析.36 5.3 提高儀器檢測精度的途徑.38 總結展望.39 參考文獻.40 致謝.42 1.緒論緒論 1.1 前言前言 目前，高新技術產業(yè)逐漸向技術密集型轉軌，測試技術面臨著越來越多的復雜問 題，不但要有較高的測量速度及可靠性,而且還要向自動

10、化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。 這勢必將使原有的靜態(tài)、接觸測量轉向動態(tài)、非接觸、在線測量。激光掃描尺寸檢測 技術作為一種非常有效的非接觸檢測方法在國外被廣泛地應用于工件尺寸的在線檢測， 激光掃描測徑儀采用激光掃描方式，對生產線上回轉體被測對象實現(xiàn)高速度、高精度、 非接觸測量。由于非接觸的特點，對被測對象無任何干擾，因此非常適合熱的、軟的 和運動的被測對象。 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀國內外發(fā)展現(xiàn)狀 光電檢測技術是一門實現(xiàn)非接觸式測量的高新技術，是建立在現(xiàn)代光、機、電、 計算機等技術基礎上的綜合技術，所涉及的工程技術內容十分廣泛，激光測徑儀在國 內外的發(fā)展情況的差距正在逐步縮小。 國際上一些發(fā)達的工業(yè)

11、國家起步早，自六十年代就陸續(xù)出現(xiàn)一些光電技術檢測的 成果。在單向激光掃描方面，日本 kenyence 公司生產的產品，掃描式 ls-7000 系 列其測量范圍為 0.3-30mm，測量精度為0.003mm，外型尺寸為 325.59138mm，取樣速度為 2400 次/s，當測量范圍為 0.04-6mm 時，測量精度 達0.0005mm，重復性精度為0.00006mm，美國 betalasermike 公司設計的型號 510-195 激光掃描測徑儀，其測量范圍為 0.38-50mm，重復性精度 0.o005mm。日本 三豐 lsm-500s 測量范圍 0.005-2mm，最小解析值 0.0000

12、1m，重現(xiàn)性 0.00003m，在 20直線性 0.0003mm，位置誤差 0.0004mm，掃描頻率 3200 回/秒。 我國激光測徑技術的研究起步比較晚，但發(fā)展迅速。從八十年代末、九十年代初 國內一些單位開始研究激光擔描直徑測量技術，到目前為止，國內有許多企業(yè)均采用 激光掃描法研制出測量直徑的設備。特別是近年來取得了一系列的研究成果。如鄭州 明銳電子科技有限公司研制的 ldm 系列激光測徑儀、上海傾技儀器科技有限公司研制 的 etd-05a 激光掃描測徑儀、上海科旗自動化儀表有限公司研制的手持式激光測徑儀、 河北激光研究所研制的 jcj-1 激光測徑儀、長春理工大學采用激光掃描技術研制的

13、jsy 系列激光掃描多功能檢測儀、雙光路型和反射型三大系列十余種型號產品。測量范圍 在 0.01mm 至 236mm 不等，分辮率為0.01mm、0.001mm 和 0.00001mm 不等，測 量精度已達0.001mm。 圖 1-1 ldm25/ldm50 激光測徑儀 圖 1-2 ldm60xy 激光雙向測徑 儀 圖 1-3 激光透明管測徑儀 ldm25t 測量范圍 0.1-25mm 精度 0.002mm 分辨率 0.001mm 圖 1-4 手持式激光測徑儀 ldm-01h 型 號量 程精 度重復性誤差分辨力 ldm-01ha0.010001mm0.5m0.2m0.00001mm ldm-0

14、1hb0.010001mm1.0m0.5m0.00001mm ldm-02ha0.010002.5mm0.5m0.2m0.00001mm ldm-02hb0.010002.5mm1.0m0.5m0.00001mm 1.3 系統(tǒng)工作原理及總體結構系統(tǒng)工作原理及總體結構 1.3.11.3.1 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)采用半導體激光器為光源，激光器光束通過多面體掃描轉鏡和掃描光學系統(tǒng) 后，形成與光軸平行的連續(xù)高速掃描光束，對被置于測量區(qū)域的工件進行高速掃描， 并由放在工件對面的光電接收器接收，投射到光電接收器上的光線在光束掃描工件時 被遮斷，所以光電接收器輸出的是一個方波脈沖，寬度與工件直徑成

15、正比。若掃描速 度為 v，掃描時間為 t，則被測工件的尺寸 d 為 d=vt (1-1) 由于掃描速度由系統(tǒng)參數(shù)確定為，那么工件尺寸就是掃描時間 t 的函數(shù)，式中 t 可通過對時鐘脈沖計數(shù)器來準確求得。 原理構圖如下 圖 1-5 激光測徑儀原理圖 1.3.21.3.2 系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)總體結構 根據(jù)激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)設計原理要求，以及測量數(shù)據(jù)處理和控制的要 求，系統(tǒng)主要有以下幾部分組成: 1）由光學機械掃描器的掃描光學系統(tǒng)構成的激光掃描發(fā)射器； 2）由接收光學系統(tǒng)與光電變換電子學系統(tǒng)構成的激光掃描接收器； 3）數(shù)據(jù)處理的核心單片機系統(tǒng)； 4）d/a 轉換、數(shù)字顯示、反饋、通訊等接口電路

16、； 5）上位計算機(pc 機)、打印機、顯示器 crt。 整個系統(tǒng)是一個光學技術、現(xiàn)代激光技術、電子學技術、計算機技術、精密機械 技術等多學科綜合技術的自動檢測系統(tǒng)?？傮w結構框圖如下： 圖 1-6 系統(tǒng)總體結構框圖 1.4 基本功能和主要技術指標基本功能和主要技術指標 1.4.11.4.1 測徑儀的基本功能測徑儀的基本功能 我們研究的測徑儀應該具備以下功能: 1）尺寸測量 可以對工件直徑進行非接觸的測量，這也是本儀器目的所在。 2）誤差修正 系統(tǒng)誤差可以利用標準件進行修正。 3）輸出多樣化 測量結果可以直接數(shù)字顯示或接 pc 機顯示、打印。 4）報警功能 根據(jù)公差帶設置上、下限，超差時可以提供

17、聲光報警。 5）閉環(huán)控制 采用閉環(huán)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度。 1.4.21.4.2 測徑儀的主要技術指標測徑儀的主要技術指標 1）測量范圍: 0.5mm-30mm 2）分辮率:0.01mm 3）重復性精度:0.002mm。 2.高性能掃描光學系統(tǒng)高性能掃描光學系統(tǒng) 2.1 光學系統(tǒng)分析光學系統(tǒng)分析 2.1.12.1.1 激光掃描法激光掃描法 圖 2-1 激光掃描法原理圖 從圖 2.1 中可以看出激光掃描法的測量原理，由于工件被激光掃描而產生光強 調制作用，這個光強調制信號攜帶有被測信息，經光電轉換與數(shù)據(jù)處理，即可得到測 量值。通常用此原理測量被測工件的直徑 d，此時被測工件直徑值 d 可由

18、(2-1)式給 出: d=v（）=vt (2-1) 21 tt 式中，v 為掃描速度； t 為有效信號時間。 在 v 一定時，只要測出工件遮擋掃描光束的時間 t，便可得到工件直徑尺寸 d，而 t 可通過時鐘脈沖計數(shù)準確地測得。 從(2-1)式看來，系統(tǒng)的測量原理似乎很簡單，只涉及 v 和 t 兩個參量，實際上， 激光掃描光學系統(tǒng)是一動態(tài)光學系統(tǒng)，其動態(tài)特性主要取決于掃描速度特性，要想實 現(xiàn)高精度測量，就必須特殊設計具有良好動態(tài)特性的掃描光學系統(tǒng)，下面對它進行討 論。 系統(tǒng)工作的理論掃描速度 v 為 v=2 式中 掃描轉鏡角速度;f 為掃描光學系統(tǒng)焦距。 當 、 確定后，v 為常數(shù);但是由于光學

19、系統(tǒng)本身的固有特性，實際掃描速度 v 并不是常數(shù)，而是激光束光斑沿光學系統(tǒng)主面移動的速度，也就是像高h 隨時間 的變化率。由光學原理可推導出其掃描速度特性方程 v 為 fr 2 )2(cos 1 2 )2(cos)cos( coscoscos)2cos()(sin)(sinsin v 22 2 (2-2) 掃描速度； r掃描轉鏡的內切圓半徑； 掃描轉鏡的角速度； 掃描光學系統(tǒng)的焦距； 掃描轉鏡上激光束的入射角； 掃描轉鏡的角位移。 從式(2-1)中可以看出，激光掃描檢測系統(tǒng)的直徑測量原理只涉及 v 和 t 兩個 參數(shù)，而式(2-2)又表明實際掃描速度 v 并不等于理論掃描速度 2，而是隨著 的

20、變化而變化的，并與 、r、 有關，當 v0 時，就會引起測量誤差；而且 掃描時間也和系統(tǒng)的時鐘頻率、電機轉速等有關?？梢姡?v 和 t 都不是絕對獨立的 參數(shù)。 到此為止我們對激光掃描法作了深刻的剖析，通過采用激光掃描技術，能夠把空 間尺寸測量轉換為脈沖時間間隔測量，從而明顯地提高測量精度和抗干擾性能，它適 用于在線測量。 2 2. .1 1. .2 2 激激光光掃掃描描法法必必須須滿滿足足兩兩個個條條件件 1）掃描速度應是均勻的 ; 2）掃描光束應和光軸保持平行。 根據(jù)光學系統(tǒng)的光學行為特性，一般光學系統(tǒng)滿足不了這兩個要求。由式 (2-2)可 知在系統(tǒng)結構參數(shù)確定后，掃描速度是 的函數(shù)，及掃

21、描速度 v 隨 角的變化而變 化，并且不是常數(shù)。 另一方面，由于采用多面體轉鏡，掃描光束在轉鏡上的反射點、回轉中心和光學 系統(tǒng)的焦點三者不重合，從而產生離焦現(xiàn)象，在光軸方向的離焦量由下式給出 : （2- cos cos-1 krf 3） 其中，k=，這就意味著掃描光束不是從掃描透鏡的焦點射出的掃描 22 sincos 光束，不和光軸平行，因而存在準直誤差。并且由式 (2-3)可以看出，準直誤差也是 轉角 的函數(shù)，所以激光掃描檢測系統(tǒng)也是一種動態(tài)光學系統(tǒng)，其動態(tài)特性主要取 決于速度特性和準直特性。要想獲得微米級的測量精度，就必須設計出具有良好動態(tài) 特性的特殊光學系統(tǒng)。我們設計了一種 透鏡，其成像

22、特性可由下式給出 : h= (2-4) 式中:h像高； 焦距； 入射光與光軸的夾角 (rad)。 2 2. .1 1. .3 3 激激光光源源的的選選擇擇 激光光源與普通光源比較，具體亮度高、方向性、單色性和相干性好等優(yōu)點，是 高精度測量的理想光源。早期的激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)，均采用氦氖 (he-ni)激光器做 光源。氦氖激光器屬于氣體激光器，工作物質是氦氣和氖氣，激光管用硬質玻璃制成， 管子電極間施加幾千伏電壓，使氣體放電。在適當放電條件下，氦氖氣體成為激活介 質，如果管子軸線上安裝高反射比的反射鏡作為反射腔，可獲得激光輸出。這種激光 單色性好，發(fā)散角小于 2mrad，光束直徑 0.2-lmm，

23、可以直接用于激光掃描檢測 系統(tǒng)。但是氦氖激光采用玻璃管和高壓電源，極易產生慢漏氣、放電管內元件放電、 陰極濺射、工作氣體吸附和滲透等情況，影響激光器壽命，激光器壽命只有 20005000 小時，國產激光器壽命更短。另外由于使用高壓電源，激光器正極極易與 附近導體產生放電現(xiàn)象，從而使激光器損壞。所以成為激光掃描檢測系統(tǒng)故障率最高 的器件。 近年來，隨著半導體激光器的不斷成熟，人們更多使用半導體激光器。半導體激 光器工作物質是半導體材料。最常用的材料是砷化稼，其結構原理與二極管十分相似。 半導體激光器除具有超小型、高功率、響應快等優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點 : 1）啟動電壓低:半導體激光器只需要 2-

24、6v 的電源電壓，而 he-ni 激光器則需 要 1500v 的高壓才能啟動。 2）電能轉換效率高:半導體激光器的轉換效率與 he-ni 激光器的轉換效率相比 高得多。 3）壽命長:使用壽命約為 10000 小時。正由于半導體激光器具有上述特點，所 以在本系統(tǒng)中我們選擇半導體激光器作為光源。另外，由衍射光斑直徑公式 d=1.22/na 可知，只有光源的波長 較短，才能獲得足夠小的光斑，因此我們選 擇波長為 =635nm 的半導體激光器，它能使光學系統(tǒng)的體積和整體外形尺寸大大減 小，利于移動、安裝、調試。 本系統(tǒng)采用揚州聯(lián)創(chuàng)光電有限責任公司生產的 dlm1854-18.4as 半導體激光器，其

25、主要技術參數(shù)如下： 主要技術參數(shù)： 波 長：635nm 出瞳功率：140mw 工作電壓：dc 3v5v 運轉方式：連續(xù)式 調制頻率：01mhz 使用壽命：1 萬 小時 接口電平：ttl 電平光斑直徑：最小光斑直徑1mm 光束發(fā)散度：0.11.5mrad 光學系統(tǒng)：光學鍍膜玻璃透鏡 工作溫度：-10+60 存儲溫度：-40+80 圖 2-2 半導體激光器 2 2. .2 2 透透鏡鏡的的設設計計 激光掃描檢測系統(tǒng)是一個動態(tài)光學系統(tǒng)，想要獲得微米級的測量的精度，就必須 采用具有良好動態(tài)特性光學系統(tǒng)，一般采用 透鏡作為掃描發(fā)射光學系統(tǒng)，能夠 很好的解決這一問題。 2 2. .2 2. .1 1 普普

26、通通透透鏡鏡和和 透透鏡鏡的的區(qū)區(qū)別別 如圖 2-3 所示，設透鏡焦距為 掃描角度為 ，普通透鏡如圖校正了畸變，其 像 高為: （2-tanh f 8） 將此式兩邊對時間 t 求導，那么有: （2- dt d sec dt dh 2 f 9） 圖 2-3 通透成像情況 由此可見，對以等角速度偏轉的入射光束在焦平面上的掃描速度不是一定的。 對 透鏡而言，為得到一定的掃描速度，像高必須為 : (2-10) fh 這樣，對時間 t 微分的結果為 (2-11) ff2 dt d dt dh 其中 是掃描元件恒定的角速度，這樣要求 透鏡要故意產生正畸變，當掃描角 度 增大時，實際像高比幾何光學確定的理想

27、像高要小，是它的/tan 倍，其 線畸變?yōu)? (2-12)tan(tanhfff 其相對畸變量為: (2-13)%100 tan tan dr 具有式(2-13)所給出的畸變像差量的透鏡，當入射光以等角速度偏轉入射時， 在焦面上的掃描速度就是等速的，由于此透鏡的像高等于，故常簡稱為 透 鏡。 透鏡與普通透鏡的區(qū)別見圖 2-4 所示，圖 2-4 中比較 透鏡與普通透鏡 的 h 與 之間的關系，隨著 的增大，兩者之間的差別越來越明顯，在線性地保 持掃描角度和掃描位置關系方面， 透鏡起到了重要的作用。 圖 2-4 透鏡與普通透鏡的區(qū)別 2 2. .2 2. .2 2 透透鏡鏡參參數(shù)數(shù)的的選選擇擇 1

28、）f 數(shù) 由于使用高亮度激光光源，所以不必象普通透鏡那樣根據(jù)光源亮度決定f 數(shù)， 只是根據(jù)所必需的光點尺寸決定 f 數(shù)，即使由于透鏡 f 數(shù)弱也可以用，因為這有利 于像差校正。 2） 和 在掃描范圍一定的情況下，盡可能用大的 角小的 ,這種選擇能使透鏡的尺寸 和反射器的尺寸減小，從而使 反射鏡表面的不均勻、反射角不準確以及掃描器不穩(wěn)定 等造成的誤差減小，使由于棱鏡表面角度不均勻和掃描器軸承不穩(wěn)造成的不利影響較 小。由于入射光瞳即位于掃描器上，又處于透鏡前焦面上，所以選取較小的焦距 可以使掃描器與物鏡之間的距離減小， 使結構緊湊。但是大的 角也會給物鏡設計 帶來困難，而且 受掃描器性能限制。實際

29、上， 如果 較小，則像方工作距相應也 小，不便操作，因此應充分利用掃描器轉角 ，同時滿足掃描器范圍的要求，由此確 定 。 在 f 數(shù)較小時， 和 都不可能大，特別是為了獲得均勻大小的光點尺寸，常 ?？紤]遠心光學系統(tǒng)，若此時掃描角與焦距都較大，則透鏡也大，制造也有困難。 透鏡的通光口徑要根據(jù)測量范圍、被測件的振動幅度以及中心位置的可能移動范 圍選取定。同時為了形成較好的平行光掃描，希望光學系統(tǒng)的相對孔徑d/ 盡可能 小，但是焦距太大會使測頭的體積增大，所以一般相對孔徑d/ 取 1/41/6。 2.2.32.2.3 設計要求設計要求 1）結構類型 透鏡多屬小孔徑、大視場并具有遠心光路的光學系統(tǒng)，該

30、系統(tǒng)具有正光焦度。 一般光源為單色光，光學系統(tǒng)不需要消色差，軸上軸外均達到或接近衍射極限的像質 要求。為控制高級本征衍射像差，通常不使用易產生高級像差的膠合面，即由多片分 離的單透鏡構成。一般透鏡片數(shù)越多，所能達到的精度指標也越高。本設計選用兩個 透鏡組成的負-正型結構，如圖 2-5 所示。它可使像方工作距較長，物方工作距短，從 而使結構緊湊且又易于操作。 圖 2-5 兩個透鏡組成的負-正型結構 2）光焦度分配及像差校正 從降低高級像差考慮，正透鏡宜采用高折射率低色散玻璃，負透鏡應采用低折射 率 玻璃。光焦度分配應注意兩點：首先應滿足總光焦度要求，其次是平像場。 2 2. .3 3 掃掃描描接

31、接收收光光學學系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計 在回轉體直徑測量系統(tǒng)中，設計聚焦透鏡作為掃描接收光學系統(tǒng)，光電接收器放 置在掃描接收光學系統(tǒng)的后焦面上。根據(jù)透鏡的性質知道，平行光經過透鏡后的會聚 點并不是一個理想點，而是一個衍射斑，其直徑d=1.22f/d，式中，f為會聚透 鏡焦距； 為激光波長;d 為激光束直徑。由上式可以看出 :f越小，d就越小。因 此要設計焦距短的會聚透鏡作為掃描接收光學系統(tǒng)。 2 2. .4 4 多多面面體體反反射射鏡鏡 2 2. .4 4. .1 1 掃掃描描器器件件的的選選擇擇 激光掃描無論是哪種方式都需要有光學掃描器。實現(xiàn)此功能的有振鏡掃描、聲光 掃描、電光掃描和多面體轉鏡掃描。

32、目前以旋轉多面體掃描應用最廣泛。 圖 2-6 轉鏡的基本種類 多面體轉鏡掃描的缺點： 1)多面體的加工精度要求高； 2)掃描電機的均勻性要求嚴格； 3)與多面體相關的光學部分調整復雜，精度要求高。 在掃描過程中，多面體的各小平面反射面繞多面體中心 o 旋轉， 如圖 2-7 所 示， 盡管轉鏡以勻速旋轉，反射光的掃描軌跡嚴格說不是勻角速度，掃描軌跡必然 產生非線性誤差。這誤差是由多面體反射面與其外接圓矢高r 所引起的。 （2-14）2/cos1 rr）（ 圖 2-7 非線性誤差示意圖 但它也有以下優(yōu)點： 1)掃描角度大，通常可大于 30； 2)在較長的掃描寬度上具有高的分辮率； 3)反射面上鍍全

33、反射膜，反射率高、光能損失?。?4)實現(xiàn)掃描機構簡單。 多面體反射鏡之所以如此廣泛地被使用，是與目前的精密加工技術的發(fā)展分不開 的。決定激光光束掃描用的多面體反射鏡的結構參數(shù)是面數(shù)，每個面面積的大小和材 料是通過對掃描分辮率、掃描速度、激光束的利用率，反射鏡的旋轉速度和機械強度 之間的關系，以及加工精度等進行綜合考慮而確定的。 本儀器采用旋轉多面體反射鏡掃描方式，通過多面體反射鏡的高速旋轉完成掃描 任務，所以多面體反射鏡本身的精度及其回轉精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精度。影響 旋轉多面體反射鏡掃描質量的誤差來源主要有多面掃描反射鏡各反射面的面形誤差、 各反射面間的分度誤差、反射面的塔差及轉軸晃動引

34、起的掃描點位置誤差等。多面體 反射面的面形誤差將造成掃描系統(tǒng)在主掃描方向上掃描位置偏離理想位置，所以必須 對掃描轉鏡的形位公差予以嚴格的限制。 2 2. .4 4. .2 2 多多面面體體反反射射鏡鏡技技術術規(guī)規(guī)格格和和公公差差 從上面的分析中我們知道旋轉多面體反射鏡的制造精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精 度，為此，旋轉多面體必須滿足一定的規(guī)格和公差要求。其技術規(guī)格和公差有以下一 些項目，如圖 2-8 所示： 1、機械特性： 1）面數(shù) n 及各面的面形誤差； 2）反射面到中心的距離 a 和公差；3）反射面 寬度 b 和公差；4）反射面與反射面的角度 c 及公差；5）裝配孔的直徑 d 和公差； 如圖

35、2-8 圖 2-8 棱鏡尺寸規(guī)格圖 2 2、光光學學特特性性： 1）反射面的平面度； 2）表面反射率；3）表面質量；4）基體材料：a、一般 情況下選用銘與銘合金； b、高速時選用不銹鋼或被合金； c、特殊低速時選用石英、 硼硅玻璃和可切削的陶瓷。 3 3、物物理理特特性性： 1)基體材料選擇；2)運轉速度；3)工作溫度；4)工作和存放溫度范圍。 有關各項的允許值主要由對像質的要求來決定，例如 :激光仿真用的 16 面多棱 反射鏡，其各面的分度誤差以及各面對轉軸的傾斜公差在2以內，各面對中心軸 的偏離為 0.003mm，平面度在 /10 以下。 對于多面體反射鏡的臨界轉速 v，其確定方法如下：

36、(2-15) e2 v 其中 密度 屈服極限 e材料的彈性模數(shù)。 2 2. .4 4. .3 3 多多面面體體反反射射鏡鏡設設計計計計算算 我們采用高慣性局部照明的旋轉多面體作為掃描偏轉元件。如圖 5 所示利用反射 光進行掃描。當多面鏡發(fā)生 角位移時，反射光發(fā)生 2 的角位移。當入射光照 射到多面鏡棱角 時，反射光被分裂為兩部分，一部分繼續(xù)完成掃描，另一部分開始新 的掃描。這時掃描光的強度是變化的。實際上照明光束遇到多面鏡棱角 這段時間形成 掃描空程。所以，這種掃描是間斷的。多面鏡的面數(shù)與掃描角有關。為減小掃 描空程， 應加大每一反射面的線度，即加大多面體的半徑，使尺寸加大，但又受到掃描電機及

37、 轉速的限制，因此，合理設計多面鏡就必須弄清掃描角，光斑尺寸，掃描空程，多面 體半徑及多面鏡數(shù)等之間的相互關系。 設光斑尺寸為 2。 旋轉多面體半徑為 r， 面數(shù)為 n， 一次掃描多面鏡的角位移 0 為 ( 等于反射光掃描角的一半) 為 n/360/45cos)/180(cos/45cos)/180cos(cos . 0 1 0 1 rnosrn （2-16） 空程角 為 =n/360 = （2-/45cos)/180(c cos/45cos)/180cos(cos 0 1 0 1 rnosrn 17） 我們定義為掃描效率，則 360/nn/360/）（ n= （2-/360 18） 令 x=

38、 / )1 (cos)/360cos(n y= 45cos)2/cos(45cos)/180cos(n 則 r= （2- 2/1222 0 )1(2/) 1(21 yxxyx 19） 根據(jù)給定的掃描角 2( 相應的 =) 和多面體掃描效率 就可以根據(jù)上面的公 式求出旋轉多面體的半徑 r 和多面體的面數(shù) n。因為是局部照明掃描， 所以多面體的 厚度應大于光束的尺寸 2。在給定掃描的情況下， 在設計多面鏡時， 掃描效率多 0 大才合理呢?以 =18為例看一下多面鏡半徑 r 和面數(shù) n 如何隨掃描效率 變化。 當 =18，=3.037mm 。r - 曲線如圖 2-9 所示， 由圖可見，當 0.7 后

39、， r 0 隨 增大而迅速增大。當 l 時，r 。多面體半徑太大，面數(shù)多，這給加工和 安裝調試帶來很大困難，所以我們認為在上面給定的條件下。掃描效率在 0.40.6 之 間比較合理。 圖 2-9 r- 曲線 本系統(tǒng)掃描寬度約 100 mm，轉鏡掃描 2 =22.7，給出一些余量，2 取 30， 所以 =15，掃描效率 =50，面數(shù) n=12，/360 15/5 . 0360 x=cos15=0.9659/ )1 (cos)/360cos(n y=cos15cos45=0.6830 45cos)2/cos(45cos)/180cos(n r=9.227 2/1222 0 )1(2/) 1(21

40、yxxyx 0 而=3.037mm，所以掃描用旋轉多面體半徑 r=28.02mm，而多面體厚度 h 應大于 0 2=6.074mm，因此，取 h=8mm。旋轉多面體材料用鋁合金。 0 至此，我們所采用的掃描器參數(shù)為：掃描范圍：l =2=2(15/180 ) 220=115.13 mm；掃描角 2=30；掃描光點直徑=0.01 mm；分辨率 0 d 1=100poin/mm;掃描頻率 2000hz；電機轉速 600 轉min；多面體面數(shù) n= l2；多 0 d 面體厚度 h=8mm；多面體小平面反射率85；多面體小平面平面度小于 10=670nm/10=67nm ；多面體外接圓半徑 r= 30

41、mm。 2.5 光學元件的尺寸及掃描速度計算光學元件的尺寸及掃描速度計算 設晶體的振蕩頻率為 =10mhz，電機轉速為 n=600 轉/min，多面體的面數(shù)為 n=12， 透鏡焦距為=220mm，則電機轉動的角速度f =2 3.14 10=62.8rad/s （2-20） 2 n 反射光速轉動的角速度 =125.6rad/s （2-2 21） 檢測區(qū)內光束平行移動的速度(即掃描速度) =125.60.220 =27.632m/s （2-v2f 22） 一個時鐘脈沖所代表的距離 =27.632/102.76 （2-23/n4fm ） 是激光掃描尺寸檢測系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)，參數(shù)表征系統(tǒng)的分辨率。

42、越小， 系統(tǒng)分辨率越高。 本系統(tǒng)中半導體激光器發(fā)射出的激光=635nm，輸出功率=3mw，發(fā)散角 2mrad，經平面鏡和十二面體轉鏡（轉速 n=600 轉/min）反射后，通過透鏡（f 220mm，=55mm）在掃描場中間得到平行掃描細光線，并經接受會聚透鏡（ 1 f 120mm，=55mm)聚焦到探測器上，進而轉換為電信號。 2 f 設十二面體反射面位于透鏡焦面處，標準規(guī)(64mm)在透鏡處，則十二面ff 體反射面對光闌的張角為 2=30，設光線 a 經 b 點反射到光闌上邊緣時，十二面體 反射點法線(見圖 2-10)，入射角為，由于十二面體的轉動，在光線 a 經反射到光 1 n 闌下邊緣時

43、，十二面體法線變?yōu)榉较?，則=1/2 張角=15，意為十二面體在 2 n 12 n bn 一次掃描中，掃描光闌八面體僅轉動=15，因為是十二面體，每轉可掃描十二次， 故: 掃描速率=掃描次數(shù)/秒=600/60 12=120 次/s 因此，相鄰掃描時間間隔為 t=8.33ms 而掃描光闌時間間隔= （2-ms78 . 2 45/15tt 24） 光線掃速為： v=64mm/2.78ms23.02m/s （2- 6/ dt 25） 圖 2-10 光束掃描示意圖 3.3.機械結構設計機械結構設計 3.13.1 主體精密機械系統(tǒng)主體精密機械系統(tǒng) 本精密機械系統(tǒng)最重要的作用是保證光學系統(tǒng)性能參數(shù)的準確性和

44、穩(wěn)定性。溫度 變化、應力、變形、振動、加工誤差等都會對光學系統(tǒng)的像質產生很大的影響;因此， 對關健件的公差和材料給予了嚴格的要求，以確保整個系統(tǒng)的工作性能。 箱體采用鑄件結構，分箱蓋和箱底兩部分。考慮到環(huán)境條件，本儀器采用了箱式 全封閉結構，箱蓋和箱底之間加密封物質，用緊固件連接。又由于要保證光學系統(tǒng)光 軸在一個平面內，因此對光學機械部件的機械設計，對整體機械結構設計，要求較高。 箱體內鑄有不同高度的凸臺，以滿足固定不同光學部件的要求。各光學元件之間的相 互位置關系，僅靠機械加工無法滿足這方面的要求，機械定位部分應留有一定的調整 空間，手工調整來檢測系統(tǒng)的各光學系統(tǒng)總體參數(shù)的要求。光學窗口采取

45、密封結構。 此外，還需要考慮光學機械部件的干涉、材料的選擇、溫度的影響、受力的變形、精 密調整、裝配和加工等一系列因素。設計的主體精密機械系統(tǒng)如圖 3-1 所示。 圖 3-1 精密機械系統(tǒng)立體結構圖 3.23.2 反射鏡系統(tǒng)設計反射鏡系統(tǒng)設計 反射鏡在光學系統(tǒng)中的作用是改變光路以使整個儀器的 結構緊湊小巧，而反射鏡的安裝如果出現(xiàn)偏差，入射光的入 射點就不能成像到焦點處，經過的掃描光線將不是平行光。但 是在機械加工過程中又不可避免出現(xiàn)加工誤差，并且在安裝 過程中也會存在裝校偏差，這樣就進一步加大了理論設計和 實際生產的偏差。為此，反 射鏡要有相應的調節(jié)機構，如 圖 3-2 圖 3-2 反射鏡系統(tǒng)

46、結構圖 3.33.3 透鏡系統(tǒng)設計透鏡系統(tǒng)設計 透鏡裝夾機構、會聚透鏡裝夾機構、傳感器裝夾機f 構都采用統(tǒng)一基本模型，保持一致的高度寬度以利于光信號 的準確傳播?；灸Ｐ蛥⒁娂訄D 3-3 圖 3-3 透鏡及其裝夾機構f 3.43.4 工件支架設計工件支架設計 工件支架考慮對稱受力支撐部分設計成左右 兩個 120v 形支撐架，兩個 v 形支架之間間隙 保證足夠寬敞，以利于光信號順利通過?？紤]到 工件直徑的大小，為保持工件都穿過系統(tǒng)光路的 中心，本設計采用墊板來抬高或降低工件支架的 高度。工件支架及墊板見圖 3-4 支架采用 ht150 鑄造，灰口鑄鐵抗壓強度一 般在 500-650mpa 之間，

47、則支架能承載最大工件重 量 m=a=120550mpa=66kn。v 行面 壓 2 mm 精加工后采用適當?shù)谋砻嫣幚恚ＷC與工件的接 觸精度、強度、壽命。 圖 3-4 工件支架及墊板 3.53.5 步進電機支架及轉鏡支撐件設計步進電機支架及轉鏡支撐件設計 支撐轉鏡的轉鏡軸如圖 3-5 示，軸與轉鏡采用鍵連接。聯(lián)軸器如圖 3-6 示，聯(lián)軸 器與軸采用緊固螺釘連接。電機支架如圖 3-7 示。軸與支架接觸采用外徑軸承 6801zz，轉鏡兩面與電機支架間有內徑 15mm 厚度 2.5mm 的墊圈。 圖 3-5 轉鏡軸 圖 3-6 聯(lián)軸器 圖 3-7 轉鏡系統(tǒng)裝配圖 3.63.6 步進電機的選擇步進電機

48、的選擇 步進電機有反應式、永磁式和混合式。一般定子繞組有 2，3，4，5 相之分(有特 殊例外)。工作時，各繞組按一定次序、時間，把適當?shù)碾妷?、電流加到各個繞組。完 成這一功能的就是步進電機的驅動器。 驅動器可由通用集成電路和分立元器件搭成，也有專用集成電路。 本系統(tǒng)設計中采用北京斯達特機電科技發(fā)展有限公司生產的 17hs101 型步進電機， 步進電機驅動器采用與其相配套的 sh-2h042mb 步進電機驅動器 ，步進電機轉速的均 勻性對測量精度有一定的影響，而決定其轉速的又是驅動器的頻率，因此選好驅動器 對其運行的平穩(wěn)性有極好的保證。 17hs101 型步進電機參數(shù)如下： 相數(shù):2;步距角

49、1.8;相電流 1.7a;驅動電壓 dc24v;最大靜轉矩 0.35nm;相電阻 2.3;相電感 2.88mh;重量 0.24kg;配套驅動器 sh-2h042ma(b);環(huán)境溫度-10+40;絕 緣強度 500vdc 100m;絕緣強度:b;混合式方形電機,相同扭矩的電機其長度是 byg 系 列圓形電機的一半。 3.73.7 多面體轉鏡的工藝設計多面體轉鏡的工藝設計 多面體邊轉鏡加工方法不止一種，一般的加工工藝過程如下： 1）注模 注模是根據(jù)設計用溶液（金屬溶液、玻璃溶液等）繞鑄法，預先形成坯料。此 法可以大大降低成本。光學玻璃加工用的是注模法。 2）裝夾鏡坯 多面體轉鏡的關鍵部分是鏡面本身

50、，由于轉鏡制造較復雜，特別是大直徑的轉鏡 價值昂貴，所以，鏡面與鏡體往往分別加工，然后用環(huán)氧樹脂膠合在一起，形成一個 完整的轉鏡，裝夾鏡坯時，將一塊塊平面坯料一次裝夾在金屬撐架上，每塊平面鏡可 以是玻璃毛坯，也可以是金屬，用環(huán)氧樹脂粘結并用螺釘緊固在撐架上，由于棱鏡高 速旋轉時會產生極大的離心力，緊固工作一定要十分仔細，否則離心力可能使平面鏡 表面變形，甚至使鏡體松動。 3）金剛石切削 鏡面切削加工時在金剛石切削機床上完成的，切削刀具實際是一顆金剛石，加工 方式是車削和銑削。切削機床本身精度極高，它的心軸使用了超高精度的氣動軸承支 撐這樣就能完成光學表面的成形和精細加工由于金剛石切削機床能夠直

51、接在鏡坯上加 工出光學表面，這種方法值得提倡，最常用的多面鏡的坯料是鋁合金，當然也可以用 其他材料，如鎳合金，裸露在空氣中的鋁鏡比較嬌嫩，加工后最好鍍上一層介質膜保 護。 用肉眼觀察，金剛石切削后的表面近似于光學鏡面，但如果用顯微鏡放大，可以 觀察到加工后的鏡面就像一塊很密的光柵，光束照射其上，短波段光波（如紫外光） 的鏡面反射效率不高。 4）拋光 經過切削加工的鏡面還需拋光。這里所談的拋光與通常的玻璃透鏡或棱鏡拋光一 樣，都使用瀝青研磨，瀝青是一種極精細的研磨劑。不銹鋼，鍍鉻板、鈹或者其他類 似于玻璃的材料，如石英和硼硅酸玻璃做成的鏡面都能用瀝青拋光。 拋光時，把待拋光的多面鏡固定在拋光機上

52、，用瀝青和樹脂膠作拋光劑，同時添 加鋁氧粉和水的混合液作為潤滑劑。 鋁合金上化學鍍鎳是一種最常見的多邊棱鏡材料，鋁鍍鎳后再拋光，不但光潔度 高而且經久耐用。 4.4.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 4.14.1 硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)設計 4.1.14.1.1 結構設計及原理結構設計及原理 1 1、結構設計、結構設計 激光測徑儀數(shù)據(jù)處理部分結構為圖 4-1 所示,包含光電信號放大、整形、變換及計 數(shù)電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路。 圖 4-1 數(shù)據(jù)處理部分結構圖 圖 4-2 波形圖 2 2、數(shù)據(jù)處理原理、數(shù)據(jù)處理原理 圖 4-2 是光電管的輸出波形圖。當工件沒有置于掃描區(qū)時，光電管之輸

53、出信號為 圖中之 a1 所示。當放入被測工件時，光電管信號在光束掃描測件的時間內降為零，如 圖中 a2 所示。從光電管上輸出的信號經過放大整形，削去了前后沿，如圖中之 b1 及 b2 所示。b1 是無測件的情況，b2 是有測件的信號。信號 b2 送到脈沖分離電路中，經 過脈沖分離、整形后輸出被測件脈沖，如圖中 c2 所示。掃描脈沖如圖中 d 所示。顯然 d 這個脈沖與測件是否存在無關。然后把 c2 送到測件計數(shù)器門中，用它來開關從晶體 振蕩器出來的高頻脈沖，只有當測件脈沖出現(xiàn)時，高頻脈沖才能通過門進到測件計數(shù) 器中，如圖中 e 所示。高頻脈沖數(shù)與測件直徑成正比。 同時，從脈沖分離器選擇出來的掃

54、描信號送到掃描計數(shù)器中，在這里累計掃描次 數(shù)。當掃描次數(shù)等于預先給定的某數(shù)時，便產生一個脈沖送到延時電路中，經延時電 路產生兩個復制脈沖(f，g)分別作選通信號和置數(shù)清除信號，執(zhí)行電路的邏輯功能， 實現(xiàn)電路的一次測讀過程。 因此，數(shù)碼管顯示的數(shù)是高頻脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)并不是一次掃描被測件，而是 m 次掃描所對應的脈沖數(shù)之平均值，可以消除被測件振動所造成的讀數(shù)誤差。 另外，電路采用同步供電的方式，它選用 10mhz 的晶體振蕩器作為基頻，利用晶 體振蕩源經分頻器分頻到 50hz，用以控制步進電機轉速。 由式(2-23)可以看出， 決定于電機轉速 n、光學系統(tǒng)焦距 f、晶體振蕩頻率 等三個基本參數(shù)

55、。、n、f、r 四個參數(shù)之間是相互聯(lián)系又相互制約的。系統(tǒng)設計時， 一般來說要首先選定 。 的選擇，一般是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方便性選定。當 選定 后，根據(jù)所選用的電機，n 也是一定的。所以光學系統(tǒng)參數(shù) f 和電學系統(tǒng)參數(shù) 就要 在已確定的咨與 n 的約束情況下，根據(jù)本身的內在因素與系統(tǒng)的要求來確定。在某種 意義上， 是聯(lián)系光學的、機械與電學的參數(shù)的一個關鍵的系統(tǒng)參數(shù)。 設被測件的被測直徑為 d，其對應的信號脈沖寬度為 t，則 t=d/v （4- 1） 將式(2-23)代入式(4-1)整理得 d=4nft (4-2) 假設高頻振蕩器的脈沖周期為，頻率為 ，則在 t 時間內被測件的被測直徑所 0 t 包

56、含的高頻脈沖個數(shù) a 為 （4-3） 0 t t a 由式(4-2)和式(4-3)可得每個高頻脈沖代表的數(shù)值是 (4-4) f n 4 a d 則被測件的被測直徑可由下式給出: (4-5)a n4 d f 當系統(tǒng)確定后，4nf/=常數(shù)，被測尺寸 d 就可由高頻脈沖數(shù) a 確定。 4.1.24.1.2 信號接收元件選用信號接收元件選用 本系統(tǒng)光電轉換元件采用光電二極管。光電二極管和普通 二極管一樣，也是由一 個 pn 結組成的半導體器件，也具有單 方向導電特性。但是， 在電路中不是用它作整流元件，而是 通過它把光信號轉換成 電信號。那么，它是怎樣把光信號轉 換成電信號的呢？大家 知道，普通二極管

57、在反向電壓作用 圖 4-3 光電二極管 在處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使 pn 結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的， 沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十 微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電 流變化，這就可以把光信號轉換成電信號。 光電二扳管的主要參數(shù)有最高工作電壓、暗電流、光電流、光電靈敏度、結電容、 響應時間等。而對于業(yè)余制作來講，最為關切的還是暗電流 、光電流和最高工作電壓。 光電二極管的種類很多。有用 n 型硅單晶制作的 2cu 型硅光電二極

58、管；有用 p 型 硅單晶制作的 2du 型硅光電二極管。2du 型光電二嵌管，卻有三條引線，分別稱前扳、 后極和環(huán)極( 如圖 4-4 中的 2dua、2dub )，前極即光敏區(qū)(n)引線；后級為對底(p)引 線；環(huán)極是為了減少暗電流、提高管子穩(wěn)定而設計的，通常接公共極(地線)。 圖 4-4 光電二極管及其符號 選用光電二扳管時，如果條件允許的話。盡量選用光照窗口面積大的管子，如 2cu1 或 2dub。但 2cu 型管子暗電流隨環(huán)境溫度變化大，所以在穩(wěn)定性要求較高的光電 控制電路上，用 2du 型光電二扳管最適宜。 本系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求很高所以采用 2du 系列硅光電二極管，其參數(shù)如下：型號 2

59、du2 響應度 0.4a/w 反向電壓 50v 暗電流 0.3a 光電流 30100a 上升時間 100ns 峰 值波長 900nm 工作光譜范圍 4001100nm。 4.1.34.1.3 硬件電路的設計硬件電路的設計 硬件電路主要有放大電路、整形電路、晶振電路和單片機電路四大部分： 1 1、放大電路：、放大電路： 光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖 4-5 所示是光電 二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性 工作；而在光導模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。 圖 4-5 光電二級管的工作模式 本系統(tǒng)由于對速度

60、精度要求高，實現(xiàn)高的切換速度是首要任務，所以，設計時采 用光導模式。光電信號放大采用低噪聲寬頻帶運算放大器,以保證光電信號得到無失真 放大。具體電路圖： 圖 4-6 光電轉換前置放大電路 2 2、脈沖分離、整形電路、脈沖分離、整形電路 整形轉換電路采用 d 觸發(fā)器及組合邏輯電路,將已放大的雙脈沖轉換為與光闌寬度 及工件直徑對應的兩個單脈沖 t 及 t。 d 觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)、次態(tài)和輸入信號 d 的關系為=d。 n q 1n q 1n q 圖 4-7 脈沖分離及整形電路 3 3、晶振電路、晶振電路 本電路的晶振選用石英晶體振蕩器，頻率為 10mhz； 1 1 g1 g2 r1 r2 c2 c1 1o