非接觸式激光平面檢測系統

摘 要:傳統的接觸式平面檢測精度低、穩定性差及對對象物檢測條件要求苛刻，已逐漸被現代非接觸式平面檢測所替代。非接觸式激光平面檢測系統以其高精度、高分辨率及不受對象物材質、顏色或傾斜度的影響等優點，可對任何對象物進行平面檢測。介紹系統結構和激光位移傳感器的工作機理，并進行平面定性檢測和定量檢測試驗，用OpenGL繪制及擬合三維曲面。試驗結果表明，該系統平面檢測結果較好地反映出對象物平面起伏情況，并且達到系統的精度要求。

關鍵詞:激光位移傳感器;非接觸式平面檢測;平移臺控制;OpenGL;三維擬合曲面

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-134-03

Non-contact Laser Flatness Measurement System

LI Xuebao，XU Jun，DENG Linhua，SONG Tengfei

(Yunnan Observatory，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming，650011，China)

Abstract:The traditional contact flatness measurement with low accuracy，poor stability and harsh condition of the measured target，which has been increasingly substituted by the modern non-contact flatness measurement.The non-contact laser flatness measurement system can measure the surface flatness of any target without being affected by the material，color or angle of the target，which holds the merits of high accuracy and excellent resolution.The overall structure of the system and the working principle of the laser displacement sensor are presented.The qualitative test and the quantitative test of flatness measurement have been carried on，and 3-D fitting curved surface has been drawn in OpenGL.It is proved that the results of the test reflect the surface undulation situation and reach the precision.

Keywords:laser displacement sensor;non-contact flatness measurement;control of X-Y stage;OpenGL;3-D fitting curved surface

收稿日期:2009-07-28

0 引 言

隨著科學技術的迅猛發展，具有非接觸、高精度、穩定性好、可自動化及易于與計算機相結合等特點的激光位移檢測技術在自動檢測、機器人視覺、計算機輔助設計與制造等領域得到了廣泛的應用，已將逐漸取代傳統的接觸式檢測技術，成為現代檢測技術最重要的手段和方法[1]。

非接觸式激光平面檢測系統主要利用激光位移傳感器與平臺運動控制系統來檢測對象物平面平整度。位移傳感器用來測量目標物體的距離，按與對象物的接觸類型它分為兩類:主要有使用差動電壓等形式的接觸式與使用磁場、超聲波、激光等形式的非接觸式。由于非接觸式激光位移傳感器具有高精度表面掃描的特點，系統選擇基恩士公司的LT-9001 Series型激光位移傳感器，該激光位移傳感器可以對任何對象物進行高精密度的位移測定，例如可以對微細工件、粗面工件的高度進行測定，還可以測量電路板上的焊錫以及測定透明體的表面和厚度[2]。平臺運動控制系統選擇丹納赫公司的ULTIMAC-G型控制器和二維電動平移臺。云南麗江天文工作站2.4 m天文望遠鏡終端的拼接CCD相機為了得到更清晰的天體圖像，將采用該非接觸式激光平面檢測系統，對拼接CCD相機平面平整度進行檢測。

1 系統結構與激光位移傳感器工作機理

1.1 系統結構

系統的整體結構如圖1所示。從圖1可以看出，整個系統由上位機、激光位移傳感器和平臺運動控制系統三部分組成。激光位移傳感器由激光位移控制器、感測頭和監視器組成。平臺運動控制系統主要由平移臺運動控制器、驅動器、電源和二維電動平移臺組成。系統的部分設備如圖2所示。圖2列出了激光位移傳感器感測頭和二維電動平移臺。圖3為激光位移傳感器感測頭測量對象物原理。參考距離根據被測對象物的變化可測量范圍為2 mm，基準距離為30 mm，激光位移傳感器顯示解析度為0.3 μm，線性度達到滿量程的0.3%，即精度達到6 μm。

圖1 非接觸式平面檢測系統的整體結構圖

圖2 設備圖片

圖3 激光位移傳感器感測頭測量對象物原理圖

1.2 激光位移傳感器工作機理

在激光位移傳感器中，激光束通過調整音叉透過高速上下移動的物鏡，在受測對象物上聚集為一焦點，同時反射光也會在針孔位置集合為一點，并使受光元件受光，通過測定物鏡的具體位置，從而準確地測定目標物離參考位置的距離，并不受材質、顏色或傾斜度的影響。圖4為感測頭的焦點分別為對準和沒有對準對象物時的情況[2]。

圖4 焦點分別為對準和沒有對準對象物的情況

上位機與激光位移傳感器中的控制器之間通過RS 232串行口進行通信，串口信號格式為:COM1口、波特率9 600、無奇偶校驗、8位數據位、1位停止位，也可以通過手柄控制激光位移傳感器中的控制器采集數據[3]。

二維電動平移臺使用的是步進電機，脈沖信號占空比為50%，運動控制器使用開環控制電動平移臺運動。由于平臺運動控制系統機械加工精密，該系統無需編碼器反饋[4]。上位機與平臺運動控制器可以通過RS 232串行口或以太網進行連接，本平面檢測系統選擇后者。非接觸式激光平面檢測系統軟件界面如圖5所示[5，6]。

圖5 非接觸式激光平面檢測系統軟件界面

2 平面檢測試驗及結果

2.1 定性檢測

系統采用10元人民幣的盲文作為目標物進行定性檢測實驗。二維電動平移臺水平面兩運動軸方向設為X，Y軸，與水平面垂直方向設為Z軸。表1為采集X，Y軸間隔為1.5 mm的16個進行處理過的、Z軸方向單位為μm的數據。圖6中的白色折線與X軸、Y軸圍成正方形區域，為平面檢測范圍。

表1 10元紙幣平面檢測數據

Y軸X軸

0123

0-0.230.8132.5831.45

11.520.0431.7930.5

231.8832.9031.4331.63

332.5131.7532.0631.38

圖6 紙幣平面檢測區域

采集和處理數據的主要操作步驟是:

(1) 將紙幣放置在平臺上，調整感測頭與紙幣的距離大約在30 mm左右，直至焦點對準紙幣且監視器中顯示可變化的讀數;

(2) 按下人機界面中的Start按鈕，平臺將以設置好的速度、相鄰數據點物理間隔和時間間隔進行移動，直到數據采集完為止;

(3) 保存步驟(2)中所采集到的數據，取下紙幣，對平臺進行復位;

(4) 重復步驟(2)操作，采集到的為平臺表面離基準線間的距離，為了減小平臺表面起伏對紙幣表面檢測的影響，將步驟(2)中采集到的數據減去步驟(4)中的數據;

(5) 將最終所得到的數據進行處理和保存，并利用OpenGL擬合三維圖形。

數據均值(mean)，曲面峰值(PV):mean=1N∑3i=0xi∑3j=0yi，N為數據總個數，PV=max{xi，yi}-min{xi，yi}，i=0，1，2，3。經過計算，表1檢測數據均值為23.99 μm，PV值為33.13 μm。10元被檢測區域三維擬合曲面如圖7所示。藍色的點為16個控制點。圖7給出運用OpenGL中非均勻有理B樣條NURBS曲面擬合的三維曲面圖。從中可以看出，該擬合曲面圖較好地反映出對象物實際檢測區域平面凹凸起伏的情況。

圖7 10元被檢測區域三維擬合曲面

2.2 定量檢測

系統的儀器定量檢測試驗方法與定量檢測的類似，用CCD相機代替紙幣，已知CCD相機的平面度為10 μm。表2為采集X，Y軸間隔為508 μm的16個進行處理過的、Z軸方向單位為μm的數據。

表2 CCD相機平面檢測數據

Y軸X軸

0123

01.480.581.18-1.22

13.26-0.62-1.82-3.32

2-0.02-0.02-0.920.28

32.08-0.320.58-0.62

經過計算，表2檢測數據均值為-0.001 25 μm，PV值為6.58 μm。與已知CCD相機平面度相比較，系統的實際檢測誤差為3.42 μm，達到激光位移傳感器的理論精度為6 μm范圍內的要求。

CCD相機被檢測區域三維擬合曲面如圖8所示。藍色的點為16個控制點，該圖是運用OpenGL中的非均勻有理B樣條NURBS曲面擬合的三維曲面圖。

2.3 OpenGL擬合三維曲面

在OpenGL中，系統采用非均勻有理B樣條NURBS曲面來擬合三維曲面。u向p階、v向q階的NURBS曲面定義為[7]:

S(u，v)=∑ni=0∑mj=0Ni，p(u)Nj，q(v)ωi，jPi，j∑ni=0∑mj=0Ni，p(u)Nj，q(v)ωi，j， 0≤u，v≤1

式中:{Pi，j}為構成曲面控制點網;{ωi，j}為權因子;{Ni，p(u)，Nj，q(u)}為p階、q階B樣條的基函數，其節點矢量為[8]:

U={0，…，0，up+1，…，ur-p-1，1，…，1}，

V={0，…，0，uq+1，…，us-q-1，1，…，1}

這里r=n+p+1，s=m+q+1。

圖8 CCD相機被檢測區域三維擬合曲面

系統運用NURBS擬合三維曲面的主要步驟為[9，10]:

(1) 創建NURBS對象，定義NURBS對象函數為gluNewNurbsRenderer()。

函數原形:GLUnurbs * gluNewNurbsRenderer(void)。

(2) 設置NURBS對象的屬性，在OpenGL中，設置Nurbs對象的函數為gluNurbsProperty()。

函數原形:void gluNurbsProperty(GLUnurbs * nurb，GLenum property，GLfloat value)。

(3) 利用控制點、節點序列等，生成和擬合三維曲面。定義NURBS曲面函數為gluNurbsSurface()。

函數原形:void gluNurbsSurface(GLUnurbs*nurb，GLint sKnotCount，GLfloat*sKnots，GLint tKnotCount，GLfloat*tKnots，GLint sStride，GLint tStride，GLfloat*control，GLint sOrder，GLint tOrder，GLenum type)。

3 結 語

非接觸式激光平面檢測采用的是集光、機電一體化的測量設備系統，系統中的激光位移傳感器是一種代替傳統接觸式測量的新型位移檢測裝置，具有分辨率高，線性度高和穩定性好等特點，可實現對對象物的高精度、高可靠性的測量。本文中定性檢測試驗較好地反映出對象物平面實際起伏情況，定量檢測試驗結果達到了儀器的理論精度為6 μm范圍內的要求。該系統能滿足現代化生產和科學研究的需要，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]段潔，孫向陽，蔡敬海，等.PSD在激光位移檢測系統中的應用研究[J].紅外與激光工程，2007(36):281-284.

[2]Keyence.High-Accuracy Surface Scanning Method User Manual[Z].2008.

[3]Keyence.Surface Scanning Laser Confocal Displacement Meter LT-9001 Series User Manual[Z].2008.

[4]Galilmc.DMC-21x2/21x3 User Manual[Z].2008.

[5]李長林，高潔.Visual C++串口通信技術與典型實例[M].北京:清華大學出版社，2006.

[6]Galilmc.DMCWin32 Galil Windows API Tool Kit User Manual[Z].2008.

[7]董云風.基于NURBS曲面的逼近及數控加工技術的研究[D].北京:華北電力大學，2006.

[8]賈桂紅.NURBS曲線的直線與圓弧數控逼近算法研究[D].北京:華北電力大學，2004.

[9]陳其，劉國良，曾航.OpenGL三維圖形系統開發與實用技術(基礎編程篇)[M].重慶:重慶大學出版社，2003.

[10]孫波.OpenGL編程實例學習教程[M].北京:北京大學出版社，2000.