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1、目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状与发展趋势11.3 研究的内容21.4 研究的目的与意义22 系统总体结构及工作原理42.1 系统总体设计42.2 系统工作原理52.3 测径仪的基本功能与主要技术指标53 高性能扫描光学系统63.1 光学系统原理分析63.2 f透镜103.3扫描接收光学系统123.4多面体反射镜124 光电检测系统154.1 激光扫描测径仪结构154.2 检测及控制系统184.3 系统的抗干扰设计225 系统误差分析245.1 基本参数对测量精度的影响245.2 误差分析255.3 提高仪器检测精度的途径296 结 论30致 谢3
2、1参考文献3232激光扫描测径系统研究摘 要随着机械 、电子、光学产业的迅速发展，对工件参数的精度要求也越来越高，传统的测量方法不能够实现各个方面的需要。激光扫描测径仪采用激光扫描方式，对生产线上回转体被测对象实现高速度、高精度、非接触测量。由于非接触的特点，对被测对象无任何干扰，因此非常适合热的、软的和运动的被测对象。激光扫描测径系统是一种基于光学技术、现代激光、电子学、计算机、精密机械等多学科技术于一体的在线检测系统。它是用可见激光作为光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果，并数字显示。本文完成了对测径仪的总体方案的研
3、究学习，并对系统的工作原理和总体结构进行了论述。由透镜构成的特殊光学系统的确定，光电变换及微机控制与数据处理系统的确定，最后对激光在线扫描检测系统的精度进行了综合分析。关键字：激光扫描；在线测量；测量精度；自动测量The Research of Laser Scanned Measuring System for Diameter AbstractWith the rapid development of mechanics electronics and optics industries, the precision requirement of work pieces parameter
4、s is increased. The traditional inspect instruments cant achieve some new requirement. Laser-scanned Measuring for the Diameter can measure circular objects on production line in high speed, high precision, and this measurement is untouched. Because of un-touching, there is no interference with the
5、objects being measured. So it is fit for the moving or vibrating objects that may be hot or soft. Laser scanned Measuring for the Diameter system involved optics, laser, electronics, computer and mechanics etc, In the system, a visible laser is taken a sit slight source, the geometric parameter of t
6、he measured object is transformed into the electrical signals by a scanning optical system and an opto-electronic transformation system, the measured result is given and displayed by the computer real time data processing. In the paper we expound the total structure design of the diameter measuremen
7、t. The working principle and overall structure of the diameter measurement are introduced, the choose of optics principle, the special optical system which consist f- lens, and the choose of light to current inversion as well as computer control and data processing system. At last, the accurate of l
8、aser beam on line measuring instrument has been analyzed.Key words: Laser-scanned, on-line inspection, measuring accuracy, automatic measurement1 绪 论1.1 引言随着机械 、电子、光学产业的迅速发展，对工件参数的精度要求也越来越高，传统的测量方法不能够实现各个方面的需要。激光扫描测径仪采用激光扫描方式，对生产线上回转体被测对象实现高速度、高精度、非接触测量。由于非接触的特点，对被测对象无任何干扰，因此非常适合热的、软的和运动的被测对象。激光扫描测径
9、系统是一种基于光学技术、现代激光、电子学、计算机、精密机械等多学科技术于一体的在线检测系统，它是用可见激光作为光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果，并数字显示。1.2 国内外研究现状与发展趋势目前，高新技术产业逐渐向技术密集型转轨，测试技术面临着越来越多的复杂问题，不但要有较高的测量速度及可靠性，而且还要向自动化、数字化、智能化方向发展。这必将使原有的静态、接触测量转向动态、非接触、在线测量。激光扫描尺寸检测技术作为一种非常有效的非接触测量方法，在国内外被广泛的应用于工件尺寸的在线检测。在单向激光扫描方面，日本Keyen
10、ce公司生产的产品，扫描式Ls-7000系列其测量范围为0.330mm，测量精度为3m，外形尺寸为325.5*91*38mm，取样速度为2400次/S，当测量范围为0.046mm时，测量精度达0.5m，重复性精度为0.06m。美国Beta Laser Mike公司为了满足不同客户的使用要求，设计了不同测量范围和测量精度的单向激光扫描产品，如型号510-195，其测量范围为0.3850mm，重复性精度0.0005mm。美国TSI公司研制了一种新的检测仪表SA5050，其测量范围为1.048.0mm，测量速度达1167次/秒/轴，重复性精度为0.76m，线性度达到0.01%。在双向激光扫描方面，美
11、国Beta Laser Mike公司的直径测量仪器达到了当今激光扫描的最高水平之一，测量范围为025mm时，测量精度为1m，外形尺寸为380*360*80mm.。美国TSI公司现在制造了名叫holix量具的双直径激光扫描器，其所采用的全息激光扫描检测技术处于世界领先水平，使这种仪器成为世界上最好的直径测量量具，而不受已存在技术的限制，这种量具能达到每轴每秒2833次测量，采用这种专利技术，holix量具可以在每次扫描时提供如今所能达到的最高精度。而其他量具必须在平均多次测量之后才能得出一个精确的量值。我国在光电检测技术研究方面起步较晚，但发展迅速，从八十年代末、九十年代初国内一些单位开始研究激
12、光扫描直径测量技术，到目前为止，北京、上海、南京等地的一些单位均采用激光扫描法研制出测量直径的设备。如河北激光研究所研制的JCJ-1激光测径仪，其测量范围为255mm，测量精度为0.01mm。长春理工大学采用激光扫描技术研制的JSY系列激光扫描多功能检测仪、双光路型和反射型三大系列十余种型号产品。其测量范围为0.3mm236mm，分辨率为0.01mm 和0.001mm，重复性测量精度为0.02mm和0.002mm，主要用于回转体类零件径向尺寸和形位误差的测量。可广泛用于机械制造、汽车制造，船舶制造、飞机制造、电线电缆、光纤光缆和石英管生产等各种制造业中，具有广阔的应用前景。我国对一些关键技术已
13、取得进展，并研制了多种激光、光电检测仪器和设备【1】。1.3 研究的内容本论文是对“激光扫描测径仪”研究的总体方案进行研究学习，主要完成以下几项任务（1） 阅读大量的文献资料，了解激光扫描测径系统在国内外的发展状况；（2） 学习研究激光扫描测径仪各部分的基本功能和工作原理，得到系统总体设计方案；（3） 研究激光扫描检测系统的光学原理及由透镜构成的特殊光学系统的确定；（4） 研究学习与扫描光学系统相配套的光电检测及控制系统原理，并提出抗干扰设计；（5） 对影响激光扫描测径系统精度的各项误差因素进行分析，提出进一步改善系统精度的方法。1.4 研究的目的与意义光电检测技术是一种实现非接触测量的高新技
14、术，是建立在现代光、机、电、计算机等科技成果之上的综合技术，所涉及的基础理论和工程技术内容十分广泛。它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测对象信息的光辐射进行检测，而实现对光学量及大量非光学量参数进行测量，是计量检测技术的一个重要发展方向。光电检测技术作为现代测量技术的一种最具代表性的高新技术，它具有某些其它检测设备无法比拟的特点，具体表现在以下几个方面(1) 可实现非接触测量，即可在不改变被测物体性质的条件下进行检测，能达到最小程度地影响被测对象的整体外形的目的。(2) 可通过图像信息显示出被测对象的大量信息。这是其它任何方法都无法比拟的。(3) 具有多学科的综合高技术化
15、特点。它以光电传感技术为核心，对被测对象实现信息获取、转换、处理与显示等功能，便于实现数字化、智能化和自动化。2 系统总体结构及工作原理2.1 系统总体设计根据激光扫描测径仪在线检测系统设计要求，以及测量数据处理和控制的要求，该系统主要有以下几部分组成1 由光学机械扫描器的扫描光学系统构成的激光扫描发射器；2 由接收光学系统与光电变换电子学系统构成的激光扫描接收器 ；3 单片机控制电路；4 与外设相匹配的高分辨率16位D/A转换接口；5 采用先进的RS-232电平转换芯片构成的串行通讯接口电路；6 上位计算机(PC机)；7 打印输出设备。图2-1 系统总体结构框图由图2-1可见，整个系统是一个光学技术、现代激光技术、电子学技术、计算机技术、精密机械技术等多学科综合的自动检测系统。2.2 系统工作原理系统采用半导体激光器作为光源，激光器光束通过多面体扫描转镜和扫描光学系统后，形成与光轴平行的连续高速扫描光束，对被置于测量区域的工件进行高速扫描，并由放在工件对面的光接收器接收，投射到光接收器上的光线在光束扫描工件时被遮
