基于激光測(cè)厚系統(tǒng)的精度補(bǔ)償技術(shù)

郭國(guó)，趙慧，王稱，何禮慶

天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 天津 300350

1 序言

某特殊用途大型機(jī)械鋁合金網(wǎng)格壁板，其長(zhǎng)寬尺寸為5000mm×2500mm，網(wǎng)格壁板厚度范圍為2～20mm。因板材需要較高的強(qiáng)度，且需要控制自身質(zhì)量，所以設(shè)計(jì)人員對(duì)其厚度精度提出了較高的要求，厚度公差為±0.1mm。但由于板材尺寸較大，測(cè)量任務(wù)繁重，且精度要求較高，所以對(duì)傳統(tǒng)人工手持超聲測(cè)厚儀檢測(cè)方法提出了較大的挑戰(zhàn)。針對(duì)壁板厚度測(cè)量問(wèn)題，引入雙側(cè)激光測(cè)厚技術(shù)，通過(guò)在壁板的兩側(cè)對(duì)稱布置激光測(cè)距傳感器，兩傳感器距離值分別與兩傳感器測(cè)距值求差，即可得到壁板的厚度值[1]。激光測(cè)量模塊配合運(yùn)動(dòng)控制裝置，可自動(dòng)測(cè)量壁板的厚度。

激光測(cè)厚系統(tǒng)的核心部分是激光測(cè)量模塊（見圖1），該模塊由一對(duì)激光線輪廓掃描傳感器組成。因產(chǎn)品精度要求較高，所以設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度提出了較高的要求，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差（測(cè)量模塊與壁板相對(duì)靜止時(shí)的測(cè)量誤差）應(yīng)控制在±0.02mm以內(nèi)。

圖1 激光測(cè)量模塊

該系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，但精度要求較高，在調(diào)試系統(tǒng)精度的過(guò)程中，存在如下問(wèn)題：①系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性差，即從傳感器通電開始，隨著時(shí)間的推移，測(cè)量結(jié)果也隨之變化（漂移），需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間，傳感器才能提供穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。②傳感器存在明顯的線性誤差，導(dǎo)致檢測(cè)不同厚度的壁板時(shí)，測(cè)量精度差別較大。針對(duì)上述問(wèn)題，需要對(duì)傳感器進(jìn)行修正補(bǔ)償，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，以滿足設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)測(cè)厚原理

系統(tǒng)所使用的傳感器為某進(jìn)口激光線輪廓掃描傳感器，傳感器的工作原理是基于激光三角測(cè)距法[2]，光路如圖2所示。

圖2 激光三角測(cè)距法光路

該傳感器的組成主要包括激光源、會(huì)聚透鏡、接收透鏡、探測(cè)器（主要是PSD或CCD）及信號(hào)處理控制器等。由激光光源發(fā)出的激光經(jīng)會(huì)聚透鏡到達(dá)被測(cè)產(chǎn)品的表面，其漫反射光經(jīng)接收透鏡形成光斑，并成像在光電檢測(cè)器件（PSD）上。該散射光斑的中心位置由傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離決定。被測(cè)物體表面的位移改變會(huì)使光敏元件上成像光點(diǎn)發(fā)生位移，而光電檢測(cè)器件輸出的電信號(hào)與光斑的中心位置有關(guān)，通過(guò)對(duì)光電檢測(cè)器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，就可獲得傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離信息[3]。假設(shè)當(dāng)物體位于參考面D時(shí)，光斑成像于PSD中心位置F處，被測(cè)面與參考面相距S時(shí)，光斑像點(diǎn)在PSD上的位移為△S，其中△S=FF'。則S為

該傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量與被測(cè)物體表面之間的距離。本系統(tǒng)所使用的激光線輪廓掃描傳感器如圖3所示。Z方向?yàn)閭鞲衅鞯臏y(cè)距方向，量程為80～120mm，即傳感器與被測(cè)產(chǎn)品之間的距離應(yīng)控制在Z方向量程內(nèi)。X方向量程為50mm，即傳感器在X方向掃描測(cè)量范圍為50mm的線。

圖3 激光線輪廓掃描傳感器

在被測(cè)壁板兩側(cè)同時(shí)安裝該傳感器，使壁板處于兩傳感器Z方向工作量程內(nèi)，預(yù)先標(biāo)定兩傳感器的距離L，L與兩傳感器的測(cè)距值求差值，即可實(shí)現(xiàn)壁板厚度的測(cè)量。

3 傳感器時(shí)間穩(wěn)定性（漂移）補(bǔ)償

3.1 問(wèn)題分析

傳感器的時(shí)間穩(wěn)定性較差，即從傳感器通電開始，不同時(shí)間對(duì)同一產(chǎn)品的同一位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果存在較大差異。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)為恒溫、無(wú)振動(dòng)環(huán)境，排除了外界環(huán)境的影響。為了獲得傳感器示值隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。

因傳感器Z方向工作量程為80～120mm，需要研究傳感器在全量程內(nèi)的示值變化規(guī)律。從傳感器通電開始，持續(xù)跟蹤觀測(cè)傳感器Z方向80mm和120mm兩個(gè)靜態(tài)目標(biāo)，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為7200s，分別得到兩組示值變化曲線。以傳感器1為例，所得數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 傳感器1示值變化曲線

從圖4中可獲得三點(diǎn)信息：①傳感器從開機(jī)通電至6000s，傳感器示值變化量＞0.05mm，若不增加補(bǔ)償措施，此時(shí)間段傳感器難以滿足使用要求。②6000s后，兩組數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定，最終數(shù)值穩(wěn)定在±0.001mm以內(nèi)，可以滿足使用要求。③兩組數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致，傳感器在量程范圍內(nèi)的一致性較好，且穩(wěn)定狀態(tài)下（6000s后），兩組數(shù)據(jù)的差值為0.0024mm，有利于對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

綜上所述，傳感器開機(jī)通電后，需要等待6000s才能使用，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。需要通過(guò)增加補(bǔ)償措施，縮短傳感器從通電到穩(wěn)定狀態(tài)所需等待的時(shí)長(zhǎng)，減小漂移量，提高傳感器的時(shí)間穩(wěn)定性，使傳感器盡快進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3.2 時(shí)間穩(wěn)定性（漂移）補(bǔ)償

針對(duì)傳感器時(shí)間穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)硬件和軟件算法相結(jié)合的方法進(jìn)行補(bǔ)償。

（1）補(bǔ)償原理 以傳感器1為例，在傳感器Z方向量程下限位置安裝一個(gè)高精度的補(bǔ)償板，傳感器與補(bǔ)償板之間的距離記為Zmin，如圖5所示。該補(bǔ)償板為100mm×50mm的矩形薄板，薄板中間部分均勻去掉90mm×40mm的矩形，保證傳感器工作時(shí)，激光線中間40mm可以透過(guò)補(bǔ)償板投射到被測(cè)產(chǎn)品上，用于測(cè)量距離。兩側(cè)5mm激光線被補(bǔ)償板阻擋，用于補(bǔ)償[4]。

圖5 補(bǔ)償示意

在傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后（傳感器通電6000s之后），讀取Zmin處補(bǔ)償板的距離值，記為Zref，Zref為Zmin處的參考值。從傳感器開機(jī)通電開始，在任意時(shí)刻讀取補(bǔ)償板的值為Zcomp，Zmin處該時(shí)刻的實(shí)時(shí)補(bǔ)償值記為△fmin，則

需要注意，在傳感器量程下限Zmin和上限Zmax處，穩(wěn)定后二者示值存在0.0024mm的偏差量，Zmin處的實(shí)時(shí)補(bǔ)償值△fmin不能直接用于補(bǔ)償全量程范圍內(nèi)的誤差值，需要增加補(bǔ)償修正值。為了方便獲得量程內(nèi)的修正值，此處采用了簡(jiǎn)化求法，將0.0024mm在全量程內(nèi)進(jìn)行線性化分布處理，作為任意位置的修正值，記為△fmod。用Zobj表示傳感器在任意時(shí)刻獲取的壁板測(cè)量值，則△fmod為

結(jié)合式（2）和式（3），可推算出被測(cè)目標(biāo)在傳感器進(jìn)行時(shí)間穩(wěn)定性（漂移）補(bǔ)償后的數(shù)值Ztime

（2）方案實(shí)施 傳感器1和2在Z方向量程下限處增加補(bǔ)償板，如圖6所示。并將式（2）、式（3）和式（4）加入到算法中進(jìn)行補(bǔ)償，用于改善系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性（漂移）。

圖6 傳感器增加補(bǔ)償板

（3）補(bǔ)償結(jié)果 對(duì)補(bǔ)償后的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從傳感器1和傳感器2開機(jī)通電開始，持續(xù)跟蹤觀察某一靜態(tài)目標(biāo)至7000s，兩傳感器的示值變化情況分別如圖7和圖8所示。

圖7 傳感器1示值變化情況

圖8 傳感器2示值變化情況

由圖7和8可知，兩傳感器均在開機(jī)通電1200s后進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)波動(dòng)量在±0.001mm范圍內(nèi)。與加入補(bǔ)償之前相比，系統(tǒng)提前了4800s進(jìn)入穩(wěn)定階段，取得了不錯(cuò)的效果。

4 傳感器線性誤差補(bǔ)償

4.1 問(wèn)題描述

因被測(cè)壁板的厚度范圍為2～20mm，且壁板存在彎曲變形等問(wèn)題，為了保證系統(tǒng)在上述條件下具有較高的精度，要求傳感器在全量程內(nèi)應(yīng)具有較好的線性度。

在傳感器穩(wěn)定工作狀態(tài)下（開機(jī)通電1200s之后），將被測(cè)樣件置于帶有高精度光柵尺（精度2μm/m，分辨率0.001μm）的移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，通過(guò)對(duì)傳感器1和傳感器2在全量程內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，并與光柵尺示值對(duì)比，分別得到兩傳感器在全量程內(nèi)的線性誤差，如圖9所示，橫坐標(biāo)為光柵尺示值，縱坐標(biāo)為傳感器與光柵示值的偏差值。由圖9可知，兩傳感器在全量程內(nèi)線性誤差較大，難以滿足使用要求，需要對(duì)線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

另外，在全量程內(nèi)對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)，兩傳感器的重復(fù)測(cè)量誤差均＜0.003mm，重復(fù)性較好，有利于對(duì)傳感器進(jìn)行線性誤差補(bǔ)償。

4.2 線性誤差補(bǔ)償

（1）補(bǔ)償原理和方法 通過(guò)對(duì)圖9所示的偏差值數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，得到傳感器示值與線性誤差補(bǔ)償值的分段函數(shù)圖（相鄰兩點(diǎn)之間用直線連接），如圖10所示。圖10橫坐標(biāo)為傳感器示值，縱坐標(biāo)為傳感器對(duì)應(yīng)的線性誤差補(bǔ)償值，記為△flin。在傳感器的量程范圍內(nèi)，對(duì)于任意距離的測(cè)量值，均可通過(guò)圖10函數(shù)曲線得到對(duì)應(yīng)的線性誤差補(bǔ)償值△flin。將其加入到算法中進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到線性誤差補(bǔ)償后的測(cè)量結(jié)果[5]。經(jīng)過(guò)線性誤差補(bǔ)償后的傳感器示值記為Zlin

圖10 傳感器示值與補(bǔ)償值分段函數(shù)曲線

（2）線性誤差補(bǔ)償結(jié)果 對(duì)經(jīng)過(guò)線性誤差補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬟M(jìn)行測(cè)試，與光柵尺示值進(jìn)行對(duì)比，得到兩傳感器在全量程內(nèi)的線性誤差，如圖11所示。由圖11可知，兩傳感器的偏差值均在±0.006mm以內(nèi)。

圖11 補(bǔ)償后傳感器線性誤差

5 測(cè)量結(jié)果評(píng)定

5.1 標(biāo)定兩傳感器的距離值

標(biāo)定兩傳感器的距離值如圖12所示，將標(biāo)準(zhǔn)樣板置于兩傳感器的中間位置，使標(biāo)準(zhǔn)樣板同時(shí)處于兩傳感器Z方向工作量程內(nèi)。將樣板的厚度與兩傳感器的示值進(jìn)行求和，獲得兩傳感器的距離值Lcalib=200.102mm。

圖12 標(biāo)定兩傳感器的距離值

傳感器1和傳感器2經(jīng)過(guò)漂移補(bǔ)償和線性誤差補(bǔ)償后的測(cè)量值分別記為Zlin1和Zlin2，則被測(cè)壁板的厚度h為

5.2 厚度測(cè)量結(jié)果評(píng)定

在靜態(tài)條件下，即傳感器與被測(cè)壁板樣件相對(duì)靜止時(shí)，將樣件置于系統(tǒng)量程內(nèi)，應(yīng)用該測(cè)厚系統(tǒng)檢測(cè)壁板樣件，進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)[6]，如圖13所示。以開機(jī)時(shí)間和壁板樣件厚度為變量，獲取多組測(cè)量數(shù)據(jù)，并與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)見表1，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度[7]。由表1可知，系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量誤差控制在±0.018mm以內(nèi)。

圖13 靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)

表1 厚度測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)開展傳感器時(shí)間穩(wěn)定性（漂移）補(bǔ)償、線性誤差補(bǔ)償及傳感器距離標(biāo)定等試驗(yàn)，縮短了傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)所需時(shí)長(zhǎng)，提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度。通過(guò)開展靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證得測(cè)量誤差在±0.018mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求的±0.02mm，取得了理想的效果，為工程技術(shù)人員解決此類問(wèn)題提供了有效的參考。