激光扫描测径仪的系统设计

毕毕 业业 论论 文（设文（设 计）计）题 目： 激光扫描测径仪的系统设计激光扫描测径仪的系统设计（英文）： System design of a laser-scanned diameter gauge 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2010 年 6 月 广东技术师范学院本科毕业设计激光扫描测径仪系统的设计激光扫描测径仪系统的设计摘要摘要激光扫描测径仪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。论文论述了激光扫描测径仪在线检测系统的工作原理，并对这类系统进行了总体设计,最后探讨了影响系统稳定性和精度的基本因素及解决方法。本设计具有检测速度快、精度高、非接触检测、闭环控制等特点,完全适用于回转体直径尺寸的在线检测和控制，尤其是热的、软的和运动的被测对象。关键字关键字：测径仪；激光扫描；测量精度；精密结构；单片机 System design of a laser-scanned diameter gaugeABSTRACTLaser scanning caliper gauge is an on-line detection system, which 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 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, then 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 closed-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激光扫描测径仪系统的设计1目录目录1.绪论.11.1 前言.11.2 国内外发展现状.11.3 系统工作原理及总体结构.31.3.1 系统工作原理.31.3.2 系统总体结构.31.4 基本功能和主要技术指标.41.4.1 测径仪的基本功能.41.4.2 测径仪的主要技术指标.42.高性能扫描光学系统.52.1 光学系统分析.52.1.1 激光扫描法.52.1.2 激光扫描法必须满足两个条件 .62.1.3 激光源的选择 .72.2 透镜的设计 .92.2.1 普通透镜和 透镜的区别 .92.2.2 透镜参数的选择 .102.2.3 设计要求.112.3 扫描接收光学系统设计 .122.4 多面体反射镜 .122.4.1 扫描器件的选择 .122.4.2 多面体反射镜技术规格和公差 .142.4.3 多面体反射镜设计计算 .152.5 光学元件的尺寸及扫描速度计算.173.机械结构设计.183.1 主体精密机械系统.183.2 反射镜系统设计.193.3 透镜系统设计 .203.4 工件支架设计 .203.5 步进电机支架及转镜支撑件设计.213.6 步进电机的选择.213.7 多面体转镜的工艺设计.224.信号接收与数据处理系统.234.1 硬件系统设计.234.1.1 结构设计及原理.234.1.2 信号接收元件选用.264.1.3 硬件电路的设计.274.1.3 主控器的选择.30广东技术师范学院本科毕业设计24.1.4 总电路图.314.1.5 系统抗干扰设计.324.2 软件系统的实现.334.2.1 主程序.334.2.2 计数子程序.334.2.3 计算直径子程序.334.2.4 显示数据刷新子程序.344.2.5 形成控制步进电机脉冲子程序.345.激光扫描检测系统的精度分析.355.1 基本参数对测量精度的影响 .355.2 扫描速度对检测精度的影响误差分析.365.3 提高仪器检测精度的途径.38总结展望.39参考文献.40致谢.42激光扫描测径仪系统的设计11.绪论绪论1.1 前言前言目前，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。这势必将使原有的静态、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检测方法在国外被广泛地应用于工件尺寸的在线检测，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。1.2 国内外发展现状国内外发展现状光电检测技术是一门实现非接触式测量的高新技术，是建立在现代光、机、电、计算机等技术基础上的综合技术，所涉及的工程技术内容十分广泛，激光测径仪在国内外的发展情况的差距正在逐步缩小。国际上一些发达的工业国家起步早，自六十年代就陆续出现一些光电技术检测的成果。在单向激光扫描方面，日本 Kenyence 公司生产的产品，扫描式 LS-7000 系列其测量范围为 0.3-30mm，测量精度为0.003mm，外型尺寸为325.59138mm，取样速度为 2400 次/s，当测量范围为 0.04-6mm 时，测量精度达0.0005mm，重复性精度为0.00006mm，美国 BetaLaserMike 公司设计的型号510-195 激光扫描测径仪，其测量范围为 0.38-50mm，重复性精度 0.O005mm。日本三丰 LSM-500S 测量范围 0.005-2mm，最小解析值 0.00001m，重现性 0.00003m，在20直线性 0.0003mm，位置误差 0.0004mm，扫描频率 3200 回/秒。我国激光测径技术的研究起步比较晚，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光担描直径测量技术，到目前为止，国内有许多企业均采用激光扫描法研制出测量直径的设备。特别是近年来取得了一系列的研究成果。如郑州明锐电子科技有限公司研制的 LDM 系列激光测径仪、上海倾技仪器科技有限公司研制的 ETD-05A 激光扫描测径仪、上海科旗自动化仪表有限公司研制的手持式激光测径仪、河北激光研究所研制的 JCJ-1 激光测径仪、长春理工大学采用激光扫描技术研制的 JSY广东技术师范学院本科毕业设计2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。测量范围在 0.01mm 至 236mm 不等，分辫率为0.01mm、0.001mm 和 0.00001mm 不等，测量精度已达0.001mm。 图 1-1 LDM25/LDM50 激光测径仪 图 1-2 LDM60XY 激光双向测径仪 图 1-3 激光透明管测径仪 LDM25T 测量范围 0.1-25mm 精度 0.002mm 分辨率 0.001mm 图 1-4 手持式激光测径仪 LDM-01H型 号量 程精 度重复性误差分辨力LDM-01HA0.010001mm0.5m0.2m0.00001mmLDM-01HB0.010001mm1.0m0.5m0.00001mmLDM-02HA0.010002.5mm0.5m0.2m0.00001mmLDM-02HB0.010002.5mm1.0m0.5m0.00001mm激光扫描测径仪系统的设计31.3 系统工作原理及总体结构系统工作原理及总体结构1.3.11.3.1 系统工作原理系统工作原理系统采用半导体激光器为光源，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电接收器接收，投射到光电接收器上的光线在光束扫描工件时被遮断，所以光电接收器输出的是一个方波脉冲，宽度与工件直径成正比。若扫描速度为 V，扫描时间为 t，则被测工件的尺寸 D 为D=vt (1-1)由于扫描速度由系统参数确定为，那么工件尺寸就是扫描时间 t 的函数，式中 t可通过对时钟脉冲计数器来准确求得。原理构图如下图 1-5 激光测径仪原理图1.3.21.3.2 系统总体结构系统总体结构根据激光扫描测径仪在线检测系统设计原理要求，以及测量数据处理和控制的要求，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）数据处理的核心单片机系统；4）D/A 转换、数字显示、反馈、通讯等接口电路；广东技术师范学院本科毕业设计45）上位计算机(PC 机)、打印机、显示器 CRT。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技术的自动检测系统。总体结构框图如下：图 1-6 系统总体结构框图1.4 基本功能和主要技术指标基本功能和主要技术指标1.4.11.4.1 测径仪的基本功能测径仪的基本功能我们研究的测径仪应该具备以下功能:1）尺寸测量 可以对工件直径进行非接触的测量，这也是本仪器目的所在。2）误差修正 系统误差可以利用标准件进行修正。3）输出多样化 测量结果可以直接数字显示或接 PC 机显示、打印。4）报警功能 根据公差带设置上、下限，超差时可以提供声光报警。5）闭环控制 采用闭环控制提高系统稳定性和测量精度。1.4.21.4.2 测径仪的主要技术指标测径仪的主要技术指标激光扫描测径仪系统的设计51）测量范围: 0.5mm-30mm2）分辫率:0.01mm3）重复性精度:0.002mm。2.高性能扫描光学系统高性能扫描光学系统2.1 光学系统分析光学系统分析2.1.12.1.1 激光扫描法激光扫描法 图 2-1 激光扫描法原理图从图 2.1 中可以看出激光扫描法的测量原理，由于工件被激光扫描而产生光强调制作用，这个光强调制信号携带有被测信息，经光电转换与数据处理，即可得到测量值。通常用此原理测量被测工件的直径 D，此时被测工件直径值 D 可由(2-1)式给出:D=v（）=vt (2-1)21tt 式中，v 为扫描速度；t 为有效信号时间。在 v 一定时，只要测出工件遮挡扫描光束的时间 t，便可得到工件直径尺寸D，而 t 可通过时钟脉冲计数准确地测得。从(2-1)式看来，系统的测量原理似乎很简单，只涉及 v 和 t 两个参量，实际上，激光扫描光学系统是一动态光学系统，其动态特性主要取决于扫描速度特性，要想实现高精度测量，就必须特殊设计具有良好动态特性的扫描光学系统，下面对它进行讨论。系统工作的理论扫描速度 v 为广东技术师范学院本科毕业设计6v=2式中 扫描转镜角速度;f 为扫描光学系统焦距。当 、 确定后，v 为常数;但是由于光学系统本身的固有特性，实际扫描速度v 并不是常数，而是激光束光斑沿光学系统主面移动的速度，也就是像高H 随时间的变化率。由光学原理可推导出其扫描速度特性方程 v 为fR2)2(cos12)2(cos)cos(coscoscos)2cos()(sin)(sinsinv222(2-2)扫描速度；R扫描转镜的内切圆半径；扫描转镜的角速度；扫描光学系统的焦距；扫描转镜上激光束的入射角；扫描转镜的角位移。从式(2-1)中可以看出，激光扫描检测系统的直径测量原理只涉及 v 和 t 两个参数，而式(2-2)又表明实际扫描速度 v 并不等于理论扫描速度 2，而是随着 的变化而变化的，并与 、R、 有关，当 v0 时，就会引起测量误差；而且扫描时间也和系统的时钟频率、电机转速等有关。可见， v 和 t 都不是绝对独立的参数。到此为止我们对激光扫描法作了深刻的剖析，通过采用激光扫描技术，能够把空间尺寸测量转换为脉冲时间间隔测量，从而明显地提高测量精度和抗干扰性能，它适用于在线测量。2 2. .1 1. .2 2 激激光光扫扫描描法法必必须须满满足足两两个个条条件件1）扫描速度应是均匀的 ;2）扫描光束应和光轴保持平行。激光扫描测径仪系统的设计7根据光学系统的光学行为特性，一般光学系统满足不了这两个要求。由式 (2-2)可知在系统结构参数确定后，扫描速度是 的函数，及扫描速度 v 随 角的变化而变化，并且不是常数。另一方面，由于采用多面体转镜，扫描光束在转镜上的反射点、回转中心和光学系统的焦点三者不重合，从而产生离焦现象，在光轴方向的离焦量由下式给出 : （2-coscos-1KRf3）其中，K=，这就意味着扫描光束不是从扫描透镜的焦点射出的扫描22sincos光束，不和光轴平行，因而存在准直误差。并且由式 (2-3)可以看出，准直误差也是转角 的函数，所以激光扫描检测系统也是一种动态光学系统，其动态特性主要取决于速度特性和准直特性。要想获得微米级的测量精度，就必须设计出具有良好动态特性的特殊光学系统。我们设计了一种 透镜，其成像特性可由下式给出 : H= (2-4)式中:H像高；焦距；入射光与光轴的夹角 (rad)。2 2. .1 1. .3 3 激激光光源源的的选选择择激光光源与普通光源比较，具体亮度高、方向性、单色性和相干性好等优点，是高精度测量的理想光源。早期的激光扫描监测系统，均采用氦氖 (He-Ni)激光器做光源。氦氖激光器属于气体激光器，工作物质是氦气和氖气，激光管用硬质玻璃制成，管子电极间施加几千伏电压，使气体放电。在适当放电条件下，氦氖气体成为激活介质，如果管子轴线上安装高反射比的反射镜作为反射腔，可获得激光输出。这种激光单色性好，发散角小于 2mrad，光束直径 0.2-lmm，可以直接用于激光扫描检测系统。但是氦氖激光采用玻璃管和高压电源，极易产生慢漏气、放电管内元件放电、阴极溅射、工作气体吸附和渗透等情况，影响激光器寿命，激光器寿命只有20005000 小时，国产激光器寿命更短。另外由于使用高压电源，激光器正极极易与广东技术师范学院本科毕业设计8附近导体产生放电现象，从而使激光器损坏。所以成为激光扫描检测系统故障率最高的器件。近年来，随着半导体激光器的不断成熟，人们更多使用半导体激光器。半导体激光器工作物质是半导体材料。最常用的材料是砷化稼，其结构原理与二极管十分相似。半导体激光器除具有超小型、高功率、响应快等优点外，还具有以下优点 :1）启动电压低:半导体激光器只需要 2-6V 的电源电压，而 He-Ni 激光器则需要 1500v 的高压才能启动。2）电能转换效率高:半导体激光器的转换效率与 He-Ni 激光器的转换效率相比高得多。3）寿命长:使用寿命约为 10000 小时。正由于半导体激光器具有上述特点，所以在本系统中我们选择半导体激光器作为光源。另外，由衍射光斑直径公式d=1.22/NA 可知，只有光源的波长 较短，才能获得足够小的光斑，因此我们选择波长为 =635nm 的半导体激光器，它能使光学系统的体积和整体外形尺寸大大减小，利于移动、安装、调试。本系统采用扬州联创光电有限责任公司生产的 DLM1854-18.4AS 半导体激光器，其主要技术参数如下：主要技术参数： 波 长：635nm 出瞳功率：140mW工作电压：DC 3V5V 运转方式：连续式调制频率：01MHz 使用寿命：1 万 小时接口电平：TTL 电平光斑直径：最小光斑直径1mm光束发散度：0.11.5mrad 光学系统：光学镀膜玻璃透镜工作温度：-10+60 存储温度：-40+80激光扫描测径仪系统的设计9图 2-2 半导体激光器2 2. .2 2 透透镜镜的的设设计计激光扫描检测系统是一个动态光学系统，想要获得微米级的测量的精度，就必须采用具有良好动态特性光学系统，一般采用 透镜作为扫描发射光学系统，能够很好的解决这一问题。2 2. .2 2. .1 1 普普通通透透镜镜和和 透透镜镜的的区区别别如图 2-3 所示，设透镜焦距为 扫描角度为 ，普通透镜如图校正了畸变，其像高为: （2-tanH f8）将此式两边对时间 t 求导，那么有: （2-dtdsecdtdH2 f9）广东技术师范学院本科毕业设计10图 2-3 通透成像情况由此可见，对以等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。对 透镜而言，为得到一定的扫描速度，像高必须为 : (2-10) fH这样，对时间 t 微分的结果为 (2-11)ff2dtddtdH其中 是扫描元件恒定的角速度，这样要求 透镜要故意产生正畸变，当扫描角度 增大时，实际像高比几何光学确定的理想像高要小，是它的/tan 倍，其线畸变为: (2-12)tan(tanHfff其相对畸变量为: (2-13)%100tantanDr具有式(2-13)所给出的畸变像差量的透镜，当入射光以等角速度偏转入射时，在焦面上的扫描速度就是等速的，由于此透镜的像高等于，故常简称为 透镜。 透镜与普通透镜的区别见图 2-4 所示，图 2-4 中比较 透镜与普通透镜的 H 与 之间的关系，随着 的增大，两者之间的差别越来越明显，在线性地保持扫描角度和扫描位置关系方面， 透镜起到了重要的作用。激光扫描测径仪系统的设计11图 2-4 透镜与普通透镜的区别2 2. .2 2. .2 2 透透镜镜参参数数的的选选择择1）F 数由于使用高亮度激光光源，所以不必象普通透镜那样根据光源亮度决定F 数，只是根据所必需的光点尺寸决定 F 数，即使由于透镜 F 数弱也可以用，因为这有利于像差校正。2） 和 在扫描范围一定的情况下，尽可能用大的 角小的 ,这种选择能使透镜的尺寸和反射器的尺寸减小，从而使 反射镜表面的不均匀、反射角不准确以及扫描器不稳定等造成的误差减小，使由于棱镜表面角度不均匀和扫描器轴承不稳造成的不利影响较小。由于入射光瞳即位于扫描器上，又处于透镜前焦面上，所以选取较小的焦距可以使扫描器与物镜之间的距离减小， 使结构紧凑。但是大的 角也会给物镜设计带来困难，而且 受扫描器性能限制。实际上， 如果 较小，则像方工作距相应也小，不便操作，因此应充分利用扫描器转角 ，同时满足扫描器范围的要求，由此确定 。在 F 数较小时， 和 都不可能大，特别是为了获得均匀大小的光点尺寸，常常考虑远心光学系统，若此时扫描角与焦距都较大，则透镜也大，制造也有困难。透镜的通光口径要根据测量范围、被测件的振动幅度以及中心位置的可能移动范围选取定。同时为了形成较好的平行光扫描，希望光学系统的相对孔径D/ 尽可能小，但是焦距太大会使测头的体积增大，所以一般相对孔径D/ 取 1/41/6。广东技术师范学院本科毕业设计122.2.32.2.3 设计要求设计要求 1）结构类型 透镜多属小孔径、大视场并具有远心光路的光学系统，该系统具有正光焦度。一般光源为单色光，光学系统不需要消色差，轴上轴外均达到或接近衍射极限的像质要求。为控制高级本征衍射像差，通常不使用易产生高级像差的胶合面，即由多片分离的单透镜构成。一般透镜片数越多，所能达到的精度指标也越高。本设计选用两个透镜组成的负-正型结构，如图 2-5 所示。它可使像方工作距较长，物方工作距短，从而使结构紧凑且又易于操作。 图 2-5 两个透镜组成的负-正型结构2）光焦度分配及像差校正 从降低高级像差考虑，正透镜宜采用高折射率低色散玻璃，负透镜应采用低折射率 玻璃。光焦度分配应注意两点：首先应满足总光焦度要求，其次是平像场。2 2. .3 3 扫扫描描接接收收光光学学系系统统设设计计在回转体直径测量系统中，设计聚焦透镜作为扫描接收光学系统，光电接收器放置在扫描接收光学系统的后焦面上。根据透镜的性质知道，平行光经过透镜后的会聚点并不是一个理想点，而是一个衍射斑，其直径d=1.22f/D，式中，f为会聚透镜焦距； 为激光波长;D 为激光束直径。由上式可以看出 :f越小，d就越小。因此要设计焦距短的会聚透镜作为扫描接收光学系统。激光扫描测径仪系统的设计132 2. .4 4 多多面面体体反反射射镜镜2 2. .4 4. .1 1 扫扫描描器器件件的的选选择择激光扫描无论是哪种方式都需要有光学扫描器。实现此功能的有振镜扫描、声光扫描、电光扫描和多面体转镜扫描。目前以旋转多面体扫描应用最广泛。图 2-6 转镜的基本种类多面体转镜扫描的缺点：1)多面体的加工精度要求高；2)扫描电机的均匀性要求严格；3)与多面体相关的光学部分调整复杂，精度要求高。在扫描过程中，多面体的各小平面反射面绕多面体中心 O 旋转， 如图 2-7 所示， 尽管转镜以匀速旋转，反射光的扫描轨迹严格说不是匀角速度，扫描轨迹必然产生非线性误差。这误差是由多面体反射面与其外接圆矢高R 所引起的。 （2-14）2/cos1 RR）（广东技术师范学院本科毕业设计14 图 2-7 非线性误差示意图但它也有以下优点：1)扫描角度大，通常可大于 30；2)在较长的扫描宽度上具有高的分辫率； 3)反射面上镀全反射膜，反射率高、光能损失小；4)实现扫描机构简单。多面体反射镜之所以如此广泛地被使用，是与目前的精密加工技术的发展分不开的。决定激光光束扫描用的多面体反射镜的结构参数是面数，每个面面积的大小和材料是通过对扫描分辫率、扫描速度、激光束的利用率，反射镜的旋转速度和机械强度之间的关系，以及加工精度等进行综合考虑而确定的。本仪器采用旋转多面体反射镜扫描方式，通过多面体反射镜的高速旋转完成扫描任务，所以多面体反射镜本身的精度及其回转精度将直接影响扫描系统的精度。影响旋转多面体反射镜扫描质量的误差来源主要有多面扫描反射镜各反射面的面形误差、各反射面间的分度误差、反射面的塔差及转轴晃动引起的扫描点位置误差等。多面体反射面的面形误差将造成扫描系统在主扫描方向上扫描位置偏离理想位置，所以必须对扫描转镜的形位公差予以严格的限制。2 2. .4 4. .2 2 多多面面体体反反射射镜镜技技术术规规格格和和公公差差从上面的分析中我们知道旋转多面体反射镜的制造精度将直接影响扫描系统的精度，为此，旋转多面体必须满足一定的规格和公差要求。其技术规格和公差有以下一些项目，如图 2-8 所示：1、机械特性：1）面数 N 及各面的面形误差； 2）反射面到中心的距离 A 和公差；3）反射面宽度 B 和公差；4）反射面与反射面的角度 C 及公差；5）装配孔的直径 D 和公差；如图 2-8激光扫描测径仪系统的设计15图 2-8 棱镜尺寸规格图2 2、光光学学特特性性：1）反射面的平面度； 2）表面反射率；3）表面质量；4）基体材料：a、一般情况下选用铭与铭合金； b、高速时选用不锈钢或被合金； c、特殊低速时选用石英、硼硅玻璃和可切削的陶瓷。3 3、物物理理特特性性：1)基体材料选择；2)运转速度；3)工作温度；4)工作和存放温度范围。有关各项的允许值主要由对像质的要求来决定，例如 :激光仿真用的 16 面多棱反射镜，其各面的分度误差以及各面对转轴的倾斜公差在2以内，各面对中心轴的偏离为 0.003mm，平面度在 /10 以下。对于多面体反射镜的临界转速 v，其确定方法如下： (2-15)E2v 其中 密度屈服极限E材料的弹性模数。2 2. .4 4. .3 3 多多面面体体反反射射镜镜设设计计计计算算我们采用高惯性局部照明的旋转多面体作为扫描偏转元件。如图 5 所示利用反射光进行扫描。当多面镜发生 角位移时，反射光发生 2 的角位移。当入射光照射到多面镜棱角 时，反射光被分裂为两部分，一部分继续完成扫描，另一部分开始新广东技术师范学院本科毕业设计16的扫描。这时扫描光的强度是变化的。实际上照明光束遇到多面镜棱角 这段时间形成扫描空程。所以，这种扫描是间断的。多面镜的面数与扫描角有关。为减小扫 描空程，应加大每一反射面的线度，即加大多面体的半径，使尺寸加大，但又受到扫描电机及转速的限制，因此，合理设计多面镜就必须弄清扫描角，光斑尺寸，扫描空程，多面体半径及多面镜数等之间的相互关系。 设光斑尺寸为 2。 旋转多面体半径为 R， 面数为 N， 一次扫描多面镜的角位移0为 ( 等于反射光扫描角的一半) 为 N/360/45cos)/180(cos/45cos)/180cos(cos.0101RNosRN（2-16）空程角 为=N/360= （2-/45cos)/180(c cos/45cos)/180cos(cos0101RNosRN17）我们定义为扫描效率，则360/NN/360/）（N= （2-/36018）令 X= / )1 (cos)/360cos(NY=45cos)2/cos(45cos)/180cos(N则 R= （2-2/12220)1(2/) 1(21YXXYX19）根据给定的扫描角 2( 相应的 =) 和多面体扫描效率 就可以根据上面的公式求出旋转多面体的半径 R 和多面体的面数 N。因为是局部照明扫描， 所以多面体的厚度应大于光束的尺寸 2。在给定扫描的情况下， 在设计多面镜时， 扫描效率多0大才合理呢?以 =18为例看一下多面镜半径 R 和面数 N 如何随扫描效率 变化。当 =18，=3.037mm 。R - 曲线如图 2-9 所示， 由图可见，当 0.7 后， R0随 增大而迅速增大。当 l 时，R 。多面体半径太大，面数多，这给加工和激光扫描测径仪系统的设计17安装调试带来很大困难，所以我们认为在上面给定的条件下。扫描效率在 0.40.6 之间比较合理。图 2-9 R- 曲线本系统扫描宽度约 100 mm，转镜扫描 2 =22.7，给出一些余量，2 取 30，所以 =15，扫描效率 =50，面数 N=12，/36015/5 . 0360 X=cos15=0.9659/ )1 (cos)/360cos(NY=cos15cos45=0.683045cos)2/cos(45cos)/180cos(NR=9.2272/12220)1(2/) 1(21YXXYX0而=3.037mm，所以扫描用旋转多面体半径 R=28.02mm，而多面体厚度 h 应大于02=6.074mm，因此，取 h=8mm。旋转多面体材料用铝合金。 0至此，我们所采用的扫描器参数为：扫描范围：l =2=2(15/180 )220=115.13 mm；扫描角 2=30；扫描光点直径=0.01 mm；分辨率0d1=100poin/mm;扫描频率 2000Hz；电机转速 600 转min；多面体面数 N= l2；多0d面体厚度 h=8mm；多面体小平面反射率85；多面体小平面平面度小于10=670nm/10=67nm ；多面体外接圆半径 R= 30 mm。 2.5 光学元件的尺寸及扫描速度计算光学元件的尺寸及扫描速度计算广东技术师范学院本科毕业设计18设晶体的振荡频率为 =10MHz，电机转速为 n=600 转/min，多面体的面数为N=12， 透镜焦距为=220mm，则电机转动的角速度f =2 3.14 10=62.8rad/s （2-20） 2 n反射光速转动的角速度=125.6rad/s （2-221）检测区内光束平行移动的速度(即扫描速度)=125.60.220 =27.632m/s （2-v2f22）一个时钟脉冲所代表的距离=27.632/102.76 （2-23/n4fm） 是激光扫描尺寸检测系统的一个重要的参数，参数表征系统的分辨率。越小，系统分辨率越高。本系统中半导体激光器发射出的激光=635nm，输出功率=3mw，发散角2mRad，经平面镜和十二面体转镜（转速 n=600 转/min）反射后，通过透镜（f220mm，=55mm）在扫描场中间得到平行扫描细光线，并经接受会聚透镜（1f 120mm，=55mm)聚焦到探测器上，进而转换为电信号。2f 设十二面体反射面位于透镜焦面处，标准规(64mm)在透镜处，则十二面ff体反射面对光阑的张角为 2=30，设光线 A 经 B 点反射到光阑上边缘时，十二面体反射点法线(见图 2-10)，入射角为，由于十二面体的转动，在光线 A 经反射到光1N阑下边缘时，十二面体法线变为方向，则=1/2 张角=15，意为十二面体在2N12N BN一次扫描中，扫描光阑八面体仅转动=15，因为是十二面体，每转可扫描十二次，故:扫描速率=扫描次数/秒=600/60 12=120 次/s因此，相邻扫描时间间隔为 T=8.33ms激光扫描测径仪系统的设计19而扫描光阑时间间隔= （2-ms78. 245/15TT24）光线扫速为：V=64mm/2.78ms23.02m/s （2-6/DT25）图 2-10 光束扫描示意图3.3.机械结构设计机械结构设计3.13.1 主体精密机械系统主体精密机械系统本精密机械系统最重要的作用是保证光学系统性能参数的准确性和稳定性。温度变化、应力、变形、振动、加工误差等都会对光学系统的像质产生很大的影响;因此，对关健件的公差和材料给予了严格的要求，以确保整个系统的工作性能。箱体采用铸件结构，分箱盖和箱底两部分。考虑到环境条件，本仪器采用了箱式全封闭结构，箱盖和箱底之间加密封物质，用紧固件连接。又由于要保证光学系统光轴在一个平面内，因此对光学机械部件的机械设计，对整体机械结构设计，要求较高。箱体内铸有不同高度的凸台，以满足固定不同光学部件的要求。各光学元件之间的相互位置关系，仅靠机械加工无法满足这方面的要求，机械定位部分应留有一定的调整广东技术师范学院本科毕业设计20空间，手工调整来检测系统的各光学系统总体参数的要求。光学窗口采取密封结构。此外，还需要考虑光学机械部件的干涉、材料的选择、温度的影响、受力的变形、精密调整、装配和加工等一系列因素。设计的主体精密机械系统如图 3-1 所示。图 3-1 精密机械系统立体结构图3.23.2 反射镜系统设计反射镜系统设计反射镜在光学系统中的作用是改变光路以使整个仪器的结构紧凑小巧，而反射镜的安装如果出现偏差，入射光的入射点就不能成像到焦点处，经过的扫描光线将不是平行光。但是在机械加工过程中又不可避免出现加工误差，并且在安装过程中也会存在装校偏差，这样就进一步加大了理论设计和实际生产的偏差。为此，反 射镜要有相应的调节机构，如图 3-2 图 3-2 反射镜系统结构图激光扫描测径仪系统的设计213.33.3 透镜系统设计透镜系统设计透镜装夹机构、会聚透镜装夹机构、传感器装夹机f构都采用统一基本模型，保持一致的高度宽度以利于光信号的准确传播。基本模型参见加图 3-3图 3-3 透镜及其装夹机构f3.43.4 工件支架设计工件支架设计 工件支架考虑对称受力支撑部分设计成左右两个 120V 形支撑架，两个 V 形支架之间间隙保证足够宽敞，以利于光信号顺利通过。考虑到工件直径的大小，为保持工件都穿过系统光路的中心，本设计采用垫板来抬高或降低工件支架的高度。工件支架及垫板见图 3-4 支架采用 HT150 铸造，灰口铸铁抗压强度一般在 500-650MPa 之间，则支架能承载最大工件重量 M=A=120550MPa=66kN。V 行面压2mm精加工后采用适当的表面处理，保证与工件的接触精度、强度、寿命。 图 3-4 工件支架及垫板广东技术师范学院本科毕业设计223.53.5 步进电机支架及转镜支撑件设计步进电机支架及转镜支撑件设计支撑转镜的转镜轴如图 3-5 示，轴与转镜采用键连接。联轴器如图 3-6 示，联轴器与轴采用紧固螺钉连接。电机支架如图 3-7 示。轴与支架接触采用外径轴承6801ZZ，转镜两面与电机支架间有内径 15mm 厚度 2.5mm 的垫圈。图 3-5 转镜轴图 3-6 联轴器 图 3-7 转镜系统装配图3.63.6 步进电机的选择步进电机的选择步进电机有反应式、永磁式和混合式。一般定子绕组有 2，3，4，5 相之分(有特殊例外)。工作时，各绕组按一定次序、时间，把适当的电压、电流加到各个绕组。完成这一功能的就是步进电机的驱动器。 驱动器可由通用集成电路和分立元器件搭成，也有专用集成电路。激光扫描测径仪系统的设计23本系统设计中采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的 17HS101 型步进电机，步进电机驱动器采用与其相配套的 SH-2H042Mb 步进电机驱动器 ，步进电机转速的均匀性对测量精度有一定的影响，而决定其转速的又是驱动器的频率，因此选好驱动器对其运行的平稳性有极好的保证。17HS101 型步进电机参数如下：相数:2;步距角 1.8;相电流 1.7A;驱动电压 DC24V;最大静转矩 0.35Nm;相电阻2.3;相电感 2.88mH;重量 0.24Kg;配套驱动器 SH-2H042Ma(b);环境温度-10+40;绝缘强度 500VDC 100M;绝缘强度:B;混合式方形电机,相同扭矩的电机其长度是 BYG 系列圆形电机的一半。3.73.7 多面体转镜的工艺设计多面体转镜的工艺设计多面体边转镜加工方法不止一种，一般的加工工艺过程如下：1）注模 注模是根据设计用溶液（金属溶液、玻璃溶液等）绕铸法，预先形成坯料。此法可以大大降低成本。光学玻璃加工用的是注模法。2）装夹镜坯多面体转镜的关键部分是镜面本身，由于转镜制造较复杂，特别是大直径的转镜价值昂贵，所以，镜面与镜体往往分别加工，然后用环氧树脂胶合在一起，形成一个完整的转镜，装夹镜坯时，将一块块平面坯料一次装夹在金属撑架上，每块平面镜可以是玻璃毛坯，也可以是金属，用环氧树脂粘结并用螺钉紧固在撑架上，由于棱镜高速旋转时会产生极大的离心力，紧固工作一定要十分仔细，否则离心力可能使平面镜表面变形，甚至使镜体松动。3）金刚石切削镜面切削加工时在金刚石切削机床上完成的，切削刀具实际是一颗金刚石，加工方式是车削和铣削。切削机床本身精度极高，它的心轴使用了超高精度的气动轴承支撑这样就能完成光学表面的成形和精细加工由于金刚石切削机床能够直接在镜坯上加工出光学表面，这种方法值得提倡，最常用的多面镜的坯料是铝合金，当然也可以用其他材料，如镍合金，裸露在空气中的铝镜比较娇嫩，加工后最好镀上一层介质膜保护。广东技术师范学院本科毕业设计24用肉眼观察，金刚石切削后的表面近似于光学镜面，但如果用显微镜放大，可以观察到加工后的镜面就像一块很密的光栅，光束照射其上，短波段光波（如紫外光）的镜面反射效率不高。4）抛光经过切削加工的镜面还需抛光。这里所谈的抛光与通常的玻璃透镜或棱镜抛光一样，都使用沥青研磨，沥青是一种极精细的研磨剂。不锈钢，镀铬板、铍或者其他类似于玻璃的材料，如石英和硼硅酸玻璃做成的镜面都能用沥青抛光。抛光时，把待抛光的多面镜固定在抛光机上，用沥青和树脂胶作抛光剂，同时添加铝氧粉和水的混合液作为润滑剂。铝合金上化学镀镍是一种最常见的多边棱镜材料，铝镀镍后再抛光，不但光洁度高而且经久耐用。4.4.信号接收与数据处理系统信号接收与数据处理系统4.14.1 硬件系统设计硬件系统设计4.1.14.1.1 结构设计及原理结构设计及原理1 1、结构设计、结构设计激光测径仪数据处理部分结构为图 4-1 所示,包含光电信号放大、整形、变换及计数电路、单片机系统及显示电路。激光扫描测径仪系统的设计25图 4-1 数据处理部分结构图图 4-2 波形图广东技术师范学院本科毕业设计262 2、数据处理原理、数据处理原理图 4-2 是光电管的输出波形图。当工件没有置于扫描区时，光电管之输出信号为图中之 A1 所示。当放入被测工件时，光电管信号在光束扫描测件的时间内降为零，如图中 A2 所示。从光电管上输出的信号经过放大整形，削去了前后沿，如图中之 B1 及B2 所示。B1 是无测件的情况，B2 是有测件的信号。信号 B2 送到脉冲分离电路中，经过脉冲分离、整形后输出被测件脉冲，如图中 C2 所示。扫描脉冲如图中 D 所示。显然D 这个脉冲与测件是否存在无关。然后把 C2 送到测件计数器门中，用它来开关从晶体振荡器出来的高频脉冲，只有当测件脉冲出现时，高频脉冲才能通过门进到测件计数器中，如图中 E 所示。高频脉冲数与测件直径成正比。同时，从脉冲分离器选择出来的扫描信号送到扫描计数器中，在这里累计扫描次数。当扫描次数等于预先给定的某数时，便产生一个脉冲送到延时电路中，经延时电路产生两个复制脉冲(f，G)分别作选通信号和置数清除信号，执行电路的逻辑功能，实现电路的一次测读过程。因此，数码管显示的数是高频脉冲数，这个脉冲数并不是一次扫描被测件，而是M 次扫描所对应的脉冲数之平均值，可以消除被测件振动所造成的读数误差。另外，电路采用同步供电的方式，它选用 10MHz 的晶体振荡器作为基频，利用晶体振荡源经分频器分频到 50Hz，用以控制步进电机转速。由式(2-23)可以看出， 决定于电机转速 n、光学系统焦距 f、晶体振荡频率 等三个基本参数。、n、f、r 四个参数之间是相互联系又相互制约的。系统设计时，一般来说要首先选定 。 的选择，一般是根据数据处理的方便性选定。当 选定后，根据所选用的电机，n 也是一定的。所以光学系统参数 f 和电学系统参数 就要在已确定的咨与 n 的约束情况下，根据本身的内在因素与系统的要求来确定。在某种意义上， 是联系光学的、机械与电学的参数的一个关键的系统参数。设被测件的被测直径为 D，其对应的信号脉冲宽度为 T，则T=D/V （4-1）将式(2-23)代入式(4-1)整理得D=4nfT (4-2)假设高频振荡器的脉冲周期为，频率为 ，则在 T 时间内被测件的被测直径所0T激光扫描测径仪系统的设计27包含的高频脉冲个数 A 为 （4-3）0TTA 由式(4-2)和式(4-3)可得每个高频脉冲代表的数值是 (4-4)f n4AD则被测件的被测直径可由下式给出: (4-5)An4Df当系统确定后，4nf/=常数，被测尺寸 D 就可由高频脉冲数 A 确定。4.1.24.1.2 信号接收元件选用信号接收元件选用本系统光电转换元件采用光电二极管。光电二极管和普通二极管一样，也是由一 个 PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是， 在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换 成电信号。那么，它是怎样把光信号转换成电信号的呢？大 家知道，普通二极管在反向电压作用 图 4-3 光电二极管在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN 结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号。光电二扳管的主要参数有最高工作电压、暗电流、光电流、光电灵敏度、结电容、响应时间等。而对于业余制作来讲，最为关切的还是暗电流 、光电流和最高工作电压。 光电二极管的种类很多。有用 N 型硅单晶制作的 2CU 型硅光电二极管；有用 P 型硅单晶制作的 2DU 型硅光电二极管。2DU 型光电二嵌管，却有三条引线，分别称前扳、后极和环极( 如图 4-4 中的 2DUA、2DUB )，前极即光敏区(N)引线；后级为对底(P)引线；环极是为了减少暗电流、提高管子稳定而设计的，通常接公共极(地线)。广东技术师范学院本科毕业设计28图 4-4 光电二极管及其符号选用光电二扳管时，如果条件允许的话。尽量选用光照窗口面积大的管子，如2CU1 或 2DUB。但 2CU 型管子暗电流随环境温度变化大，所以在稳定性要求较高的光电控制电路上，用 2DU 型光电二扳管最适宜。本系统对稳定性要求很高所以采用 2DU 系列硅光电二极管，其参数如下：型号2DU2 响应度 0.4A/W 反向电压 50V 暗电流 0.3A 光电流 30100A 上升时间 100ns 峰值波长 900nm 工作光谱范围 4001100nm。4.1.34.1.3 硬件电路的设计硬件电路的设计硬件电路主要有放大电路、整形电路、晶振电路和单片机电路四大部分：1 1、放大电路：、放大电路：光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图 4-5 所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。图 4-5 光电二级管的工作模式本系统由于对速度精度要求高，实现高的切换速度是首要任务，所以，设计时采用光导模式。光电信号放大采用低噪声宽频带运算放大器,以保证光电信号得到无失真放大。具体电路图：激光扫描测径仪系统的设计29图 4-6 光电转换前置放大电路2 2、脉冲分离、整形电路、脉冲分离、整形电路整形转换电路采用 D 触发器及组合逻辑电路,将已放大的双脉冲转换为与光阑宽度及工件直径对应的两个单脉冲 t 及 T。D 触发器的现态、次态和输入信号 D 的关系为=D。nQ1nQ1nQ图 4-7 脉冲分离及整形电路3 3、晶振电路、晶振电路本电路的晶振选用石英晶体振荡器，频率为 10MHz； 广东技术师范学院本科毕业设计3011G1G2R1R2C2C11ov2ov+-I2v1Iv图 4-8 晶振电路原理图4 4、单片机数据处理及显示电路设计、单片机数据处理及显示电路设计图 4-9 数据处理单片机数据处理及显示电路5 5、单片机与、单片机与 PCPC 机通讯电路机通讯电路激光扫描测径仪系统的设计31图 4-10 单片机与 PC 机通讯接口电路6 6、单片机控制步进电机电路、单片机控制步进电机电路 图 4-11 单片机与步进电机接口电路 图 4-12 89C51 单片机封装引脚图4.1.34.1.3 主控器的选择主控器的选择本系统以 AT89C51 单片机作为主控制器的 CPU，运用汇编语言采用模块化结构对其进行程序设计，其层次清晰，各功能模块的设计与调试可分别进行，编程效率高且有利于提高系统的实时性。外界信号的实时响应是由中断实现，相应的操作由对应的功能模块完成。它的基本任务主要包括测量的直径数据实时预处理、显示以及与上级计算机通讯等。AT89C51 单片机封装引脚如图 4-12。广东技术师范学院本科毕业设计324.1.44.1.4 总电路图总电路图激光扫描测径仪系统的设计334.1.54.1.5 系统抗干扰设计系统抗干扰设计硬件系统可靠性由多种因数决定，其中抗干扰性能是系统可靠性的重要指标，所以抗干扰设计是硬件系统研制中不可忽视的一个重要内容。工业生产中的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统，干扰窜入系统的渠道主要有三条:1）空间干扰，即通过电磁波辐射窜入系统;2）过程通道干扰，干扰通过与主机相联的前、后向通道进入;3）供电系统干扰。一般情况下空间干扰的强度远小于其它两项干扰，而且可以用良好的屏蔽和正确的接地、高频滤波加以解决，所以硬件系统重点防止供电系统和过程通道干扰。1 1、供电系统的干扰及抗干扰措施、供电系统的干扰及抗干扰措施任何电源和输电线路都存在内阻，因而引起电源的噪声干扰。为防止从电源系统引入的干扰，硬件系统采取以下几项措施:1）使用交流稳压器，保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压。2）使用低通滤波器，由谐波频谱分析可知，电源系统干扰源大部分是高次谐波，所以采用低通滤波器让 50Hz 市电基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。2 2、过程通道干扰及抗干扰措施、过程通道干扰及抗干扰措施过程通道是前向接口、后向接口与单片机或单片机相互之间进行信息传输的路径，其中长线传输是主要干扰因素。系统中传输线上的信息多为脉冲波，它在传输时会出现延时、畸变、衰减与通道干扰。为保证长线传输的可靠性，主要措施有：1）光电藕合隔离采用光电藕合器将单片机和前、后向通道之间直接的电气联系切断，有效地防止干扰从过程通道进入单片机。光电藕合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰，提高过程通道的信噪比。2）双绞线传输在应用系统的长线传输中，双绞线是较常用的一种，与同轴电缆相比，虽然频带较差，但阻抗高，抗共模噪声能力强，它还能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，对电磁场有一定的抑制效果。3 3、印制电路板的抗干扰设计、印制电路板的抗干扰设计印制电路板是硬件系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，其设计必须符广东技术师范学院本科毕业设计34合抗干扰设计原则，通常印刷电路板设计要解决的问题包括:电源及地线设计、信号线走向设计、元件的配置等。1）电源及地线设计在硬件系统中，接地是抑制干扰的重要方法。根据系统的工作频率来确定是单点还是多点接屏蔽地。数字与模拟电路分开，要区分数字地与模拟地，分别与电源端地线相连，尽量加大模拟电路的接地面积，降低公共阻抗，减小地电位的波动，数字电路的接地线最好构成闭环，采用网络状地线，减小地电位差异。电源与地线应尽量加粗，其走向最好与数据传递方向一致，以助于抗干扰能力的增强。2）信号线走向设计信号线中强、弱信号要分开，走向不要平行，最好垂直交又，减少相互间的干扰，信号线间插入地线，提高信号的可靠性。3）元件的配置元件的配置要使走线简单，减小布线回路以防止外界磁场干扰，信号、电源和地线走向要合理。4.2 软件系统的实现软件系统的实现4.2.14.2.1 主程序主程序主程序的主要功能是负责控制步进电机、直径值的实时显示、对脉冲进行计数及直径值计算，对脉冲读取及计算每 1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测工件，其程序流程图如图 4-14 示。4.2.24.2.2 计数子程序计数子程序计数子程序的主要功能是对输入脉冲进行计数。其程序流程图如图 4-15 示。4.2.34.2.3 计算直径子程序计算直径子程序 计算直径子程序将 RAM 中读取脉冲数应用（4-5）式 图 4-14 主程序流程图 进行计算及所得直径值的 BCD 码的转换运算，其程序流程图如图 4-16 示。激光扫描测径仪系统的设计354.2.44.2.4 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作。程序流程图如图 4-17 示。 图 4-15 计数子程序流程图 图 4-16 计算子程序流程图 图 4-17 显示子程序流程图4.2.54.2.5 形成控制步进电机脉冲子程序形成控制步进电机脉冲子程序 通过定时中断调用本程序输出高电平和等待中断时的低电平配合形成可以控制步进电机的脉冲。脉冲子程序：；*；输出一个 250 us 的