激光位移傳感器測量目標三維形貌的實驗裝置

王進峰， 范孝良， 商 正

(華北電力大學 機械工程系， 河北 保定 071003)

0 引 言

表面缺陷是影響零件加工質量的重要因素，利用傳統的表面粗糙度計能夠從二維角度獲得零件表面缺陷數據。為了能夠較為形象地獲得零件表面的三維形貌數據，則需要利用三維形貌儀等高端儀器[1-2]。激光位移傳感器由于較高的測量精度和較小的尺寸，在許多場合的質量測量中應用廣泛[3]。洪波等[4]針對箱梁焊接結構自動化生產中工件偏移問題，提出了一種基于激光位移傳感器的角焊縫位姿檢測方法。彭希鋒等[5]利用激光位移傳感器搭建了面角度非接觸測量裝置。邱林等[6]設計了一種基于激光位移傳感器的錐齒輪綜合測量裝置。馮冬冬等[7]開發了一種新型的基于激光位移傳感器的帶鋸條分齒在線檢測系統。周愿愿等[8]利用激光位移傳感器測量圓柱誤差。李兵利等[9]用激光位移傳感器實現了自由曲面測量。劉賓等[10]開發了基于激光位移傳感器的分布孔徑缸套形廓尺寸測量系統。本文嘗試利用激光位移傳感器獲得被測對象的Z向數據，然后利用Matlab軟件將獲得Z向數據擬合成被測對象的三維形貌數據[9-10]。

1 實驗裝置

實驗裝置主要包括：十字滑臺、步進電動機和驅動器、可編程控制器、激光位移傳感器和實驗臺。傳感器采用HL-G103-S-J多功能小型激光位移傳感器，其測量范圍為-4 mm ～ +4 mm，分辨率為0.5 μm。滑臺采用的是十字滑臺PG750-R24AG，不銹鋼材質，平臺滑動量為50 mm，滾珠絲杠直徑6 mm，導程1 mm，滑臺臺面尺寸為70 mm×110 mm。步進電動機為東方PMM33BH2-C59-1的步進電動機，其額定功率為2 W，級數為2級。步進電動機驅動器選用型號為RKD-507-A驅動器，該驅動器是基于PI電流控制算法的細分型驅動器，具有低噪音、低振動、低發熱等特點。可編程控制器選擇FX1N-20MT，該控制器有20個I/O地址，12個輸入，8個輸出，能夠控制兩臺五相步進驅動器。利用上述元器件搭建的實驗臺如圖1所示。

圖1 實驗臺

2 測量和形貌擬合原理

使用的激光位移傳感器是基于三角測量的小型激光位移傳感器，其原理為：用一束激光聚焦在被測工件表面，從其他角度對工件表面上的激光光束進行成像，工件表面激光照射點不同，所接收反射光線的角度也是不同的，用位置探測器測出光斑的位置，根據角度及激光和接收激光裝置之間的距離，通過信號處理就可以計算出傳感器和被測工件兩者之間的距離[11-12]，其工作原理如圖2所示。

圖2 激光位移傳感器原理圖

將被測對象放置在工作臺上，激光傳感器置于一側使激光束能照射在工件表面。通過控制工作臺的X,Y,Z軸之間配合移動，激光位移傳感器的接收器會接受到工件不同位置的反射激光束，然后將接受到的信號發送到處理器模塊進行處理，即可測得對象的表面形狀數據。獲得對象表面的輪廓數據后，可通過多種軟件進行曲面擬合，獲得對象的表面形貌，譬如Matlab、LabVIEW、UG等[13-15]。本文使用Matlab進行曲面初步生成。

3 實驗過程及三維形貌生成

利用激光位移傳感器測量目標表面Z向數據，為此需要控制十字滑臺沿X、Y軸的移動距離和激光位移傳感器的采樣周期。本文以車刀刀片為例，說明利用激光位移傳感器獲得刀片三維形貌的實驗方案和實驗過程。

第1組實驗，設定十字滑臺沿Y軸單次移動距離為30 mm，測量的點數為300點，沿X軸單次移動1 mm，移動14次，即在30 mm×14 mm的區域內，共獲得4 200個Z向數據。利用Matlab的CFTOOL工具箱對4 200個Z向數據擬合，測量過程和擬合結果如圖3所示。

從圖3可看出，擬合出的形貌基本能反映出車刀1的外輪廓形狀，但是擬合精度非常差，為了解決這個問題，決定增加采點數量。

第2組實驗，設定十字滑臺沿Y軸單次移動距離為20 mm，測量的點數為200點，沿X軸單次移動1 mm，移動32次，即在20 mm×32 mm的區域內，共獲得6 400個Z向數據。測量過程和擬合結果如圖4所示。

從圖4可以看出，由于采點數量的增加，擬合出的刀具三維形貌輪廓形狀較為清晰，為此，更換被測刀片，進行了第3組和第4組實驗。第3、4組實驗采用第2組相同的設置，測量過程和擬合結果如圖5、6所示。

從圖4～6可以看出，擬合的刀片形貌較為逼真，甚至可以看出刀片部分區域較為明顯磨損。為了進一步提高擬合精度，研究被測對象細節部分的擬合精度。修改了第1組的實驗方案，具體實驗方案如下。

第5組實驗，設定十字滑臺沿Y軸單次移動距離為30 mm，測量的點數為300點，沿X軸單次移動0.5 mm，移動28次，在30 mm×14 mm的區域內，共獲得8 400個Z向數據，被測刀片如圖7所示，測量結果如圖8所示。

圖7 被測刀片

(a) 第1組實驗(b) 第5組實驗

圖8 刀片擬合形貌

在測量對象相同的條件下，第5組實驗方案與第1組實驗方案相比，不同之處在于沿X軸的單次移動距離由1 mm變為0.5 mm，意味著在相同的測量區域30 mm×14 mm內，點數由4 200個點增加到了8 400個點，數據密度增加，理論上擬合后的對象形貌更加接近實際值。從圖8(b)可以看出，由于測量密度增加，被測刀片的擬合形貌更加接近于刀片的實際形狀。

4 結 語

利用激光位移傳感器、十字滑臺、步進電動機和驅動器、可編程控制器等，設計了一種測量目標Z向位移數據的實驗臺。通過該實驗臺能夠獲得目標對象表面的輪廓數據，為了形象地表示零件表面的三維輪廓，通過Matlab軟件，將目標對象表面的輪廓數據擬合成零件的三維形貌。最后，進行了4次測量實驗，實驗表明該裝置和方法的有效性。但是該方法對曲面擬合的精度不高，而且不能夠從擬合的曲面讀出不同位置的高差，因此，后續還有較多工作需要深入展開研究。