第12章光电检测技术的综合应用

2019年12月20日星期五《光电检测技术及应用》第12章光电检测技术的综合应用任课教师：徐熙平目录12.1光电多功能二维自动检测系统12.2曲臂光电综合测量系统12.3激光扫描圆度误差测量系统12.4飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测12.5座圈尺寸光电非接触测量系统12.6管道直线度光电检测第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统1、测量系统的总体结构该仪器主要由激光扫描检测系统、光栅位移检测系统、闭环伺服控制系统以及测量工作台精密机械系统4大部分组成。测量系统工作时，在计算机系统的控制下，闭环伺服系统控制执行部件步进电动机带动滚珠丝杠转动，这样就带动了与其配合的测量工作台作直线运动。工作台与光栅位移测量系统的读数头相连，其移动的轴向距离可由光栅位移检测系统读出，放置在工作台上的被测工件的径向尺寸可由激光扫描检测系统测出，由此组成了二维光电测量系统。本系统配合相应的附件可完成回转类工件多部位的尺寸与形位误差的自动测量。第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统2、同轴度误差测量系统第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统•同轴度误差的测量方法刀口法测量同轴度误差示意图第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统测量同轴度误差的系统软件框图系统初始化：输入n,p,Δα,ΔL测量ijijMM，计算ijijijfMM轴向进给LjLL计算maxiiff返回原位分度计算maxiff1i1j开始NYN180iYnpo180/n/LLp轴截面数：正截面数：每次测量转动的角度值：每次测量轴向移动量：第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统3、环距测量方法的研究•环距测量原理1iiDD1iiDD被测环槽状零件结构图环距测量示意图第12章光电检测技术的综合应用一、光电多功能二维自动检测系统输入步长Ln，L0进给L输入T1，T2，nL输入Ln，L0，L1，L2测量D1，D2计算β，C测量Di测量结果Di存储测量Di+n测量结果Di+n存储计算（Di+Di+1）C=ΔLiΔLi+Li=LaLn-L0=δ前进nL0返回L存储测量L测Li测量结果送JSY显示Li报警合格可修件废品结果打印初始化停止NYNYYNYNYNYYNNYYNYYNYNNLi测量完成否等待测量Li否？判断满足δL2判断满足L1≤δ≤L2？L读取完成否？Di+n测量完成否？要前进否？到位否？进给次数-H到原点否？Di测完否？测量系统移动到位否?环槽状零件测量部位的直径D1和D2由激光扫描检测系统完成，轴向位移送进量L由光栅位移检测系统完成，经数据处理便可得到环距测量值。第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统曲臂零件及被测量参数示意图第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统1、系统的组成与总体布局•主体精密机械系统•模块式激光检测系统•光栅位移与转角测量系统•伺服控制系统•基于虚拟仪器的计算机实时数据处理与控制系统•虚拟仪器软件系统第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统SDProfessionalWorkstation6000PRO曲臂尾座头架编码器力矩电动机直线运动步进电动机光栅尺步进电动机计算机打印机直径测量位移测量电动机驱动激光扫描检测系统主机工作台控制器激光位移检测系统导轨曲臂光电综合测量机总体布局图第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统2、被测参数测量原理•直径测量原理曲臂各轴颈部位直径测量原理图第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统•径向圆跳动误差测量原理有模拟法、直接法、分析法三种方法，因为曲臂形状比较复杂、体积大、重量大，只有采用分析法模拟出基准轴线，才能获得高精度的测量结果。分析法主要利用最小二乘圆法来求出基准的空间位置。得出圆心坐标min)(21RRNii最小二乘圆示意图Oab（，）第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统d1段外圆相对d2段轴线基准的各点跳动量为：所求圆跳动量为：测量圆跳动示意图22baearctanba)cos(112iiieRRmin12max1212RRt第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统圆跳动测量原理示意图首先通过标准样件调整激光位移检测系统，使其测量头前端面与工件的垂向轴线平行，并根据测量半径的大小调整测量系统与回转中心的距离Hc，之后将工件的测量段放置在测量区内，由激光位移检测系统测量出hc。ccRHh第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统测1段1iR测2段2iR计算出xiyiRR，计算出ab，计算出，计算2iR找出12max12minRR，计算跳动误差显示打印或存储径向圆跳动误差测量流程框图第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统•花键内径定心圆柱面径向跳动误差测量原理花键内径定心圆柱面径向圆跳动误差测量原理示意图第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统•平行度误差测量原理狭缝激光扫描平行度误差检测原理图cc2DHh第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统平行度测量示意图21H1tanFFFaaL21V1-tanFFFbbL21H1FFFbbL21V1FFFbbLV4V3V2GGGbbLH4H3H2GGGbbLHHHGFVVVGFHHfLVVfL22HVfff总第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统平行度测量的原理流程图测出1()FiR测出2()FiR测i计算1()FiX1()CiY计算2()FiX2()CiY计算11FFab，计算22FFab，计算FHFVab，计算出VHaa，计算出垂直量平行量VfHf计算出平行度f总显示结束打印或存储计算33GVGHRR，计算44GVGHRR，计算33GVGHHH，计算44GVGHHH，修正得33FGVGHbb，修正得44FGVGHbb，计算GHGVab，第12章光电检测技术的综合应用二、曲臂光电综合测量系统曲臂光电综合测量机的实物图第12章光电检测技术的综合应用三、激光扫描圆度误差测量系统1、圆度测量原理激光扫描狭缝原理图iihHR1,2,3,,imLminmaxRRR0()ditihvtt2cos(1cos())2()cos(())cos2()tvtfRtt第12章光电检测技术的综合应用三、激光扫描圆度误差测量系统测量系统总体结构图激光扫描接收系统激光控制激光驱动光电变换进给执行机构扫描控制信号采集与数据处理89C51串行通信接口计算机显示器键盘扫描驱动进给驱动线位移控制回转驱动角位移控制激光扫描发射系统分度执行机构主控制器伺服控制器工件基准第12章光电检测技术的综合应用三、激光扫描圆度误差测量系统2、工件安装偏心误差的检测基于LabVIEW的数据采集与处理软件框图程序)sincos()sincos()sincos(2)(12110nbnanbnabaaRnknnnknn)sincos()sincos(2)(2110nbnabaaRnknn第12章光电检测技术的综合应用三、激光扫描圆度误差测量系统3、实验结果与分析利用上述系统，对一个标准件进行了实际测量(圆度误差检定值＝0.0120mm)。其结果标准差＝0.00021mm；重复性精度±2＝±0.00042mm。系统的测量误差优于1μm。由于该系统的测量方法是一种非接触式测量，不存在测量力的问题，工件安装偏心和表面粗糙度对圆度测量的影响可通过计算机自动消除，所以影响系统测量精度的主要因素是主轴回转精度和狭缝扫描的尺寸测量精度。0R第12章光电检测技术的综合应用四、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统齿圈总成是汽车发动机传动部分的一个关键部件，为了保证发动机的性能和传动精度，对它的三个部位圆跳动误差，即齿圈端面、外圈径向和磨合面(端面)跳动，必须进行高速、高精度百分之百检测。目前国内对该类圆跳动的检测通常用三坐标测量机或千分表等进行接触式测量。本节提出一种采用三个半导体激光测头，可同时自动非接触测量飞轮齿圈总成三个部位圆跳动误差的方法和测量系统。1、测量系统原理第12章光电检测技术的综合应用四、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统测量系统结构图第12章光电检测技术的综合应用四、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统精密回转轴系第12章光电检测技术的综合应用四、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统2、实验结果和分析系统的测量误差主要由三个测头的测量误差、精密机械系统回转轴线的中心定位精度和方向精度以及测头与被测件的测量线产生平移或与测量面不垂直产生的测量误差等因素引起的。三部位跳动公差的设计要求为齿圈端面跳动小于等于0.7mm、外圈径向跳动小于等于0.2mm、磨合面端面跳动小于等于0.05mm，而要求测量系统的测量误差小于或等于相应公差值的1/5，即测量误差应分别小于或等于0.14mm、0.04mm和0.01mm。该测量系统可满足测量精度要求。第12章光电检测技术的综合应用五、座圈尺寸光电非接触测量系统1、总体结构与工作原理基于激光位移检测原理与现代光电传感技术，提出了一种用于大型回转体类零件—座圈的直径与圆度误差非接触在线测量方法和测量系统，可以实现外径大于800mm工件尺寸的测量。系统由激光位移检测系统、测量支架、平移机构及工业控制计算机等部分组成。由激光位移检测系统对座圈某一截面圆周上三个点相对于零点的位移值的测量，将测量结果通过系统主控制器送入计算机进行数据处理，通过数学模型得出座圈径向尺寸。第12章光电检测技术的综合应用五、座圈尺寸光电非接触测量系统座圈尺寸光电非接触测量系统总体结构图第12章光电检测技术的综合应用五、座圈尺寸光电非接触测量系统直径测量原理222222)(422cbabaabcRDaABbBCcACminmaxRR2、直径测量原理第12章光电检测技术的综合应用五、座圈尺寸光电非接触测量系统数据处理程序流程图3、数据处理系统设计系统测量误差优于±0.02mm；重复性精度优于±0.01mm。误差来源：•测量误差；•相邻测量系统光轴不平行引起误差；•基准平面与测量系统光轴不垂直引起的误差。系统自检设置串行通信参数设置被测对象参数发通信协议，三路通信正常否？接收数据，带入模型计算数据存储结果显示判别测量结果测量结束否？NNYY开始结束第12章光电检测技术的综合应用六、管道直线度光电检测系统管道直线度检测系统的结构图1、直线度光电检测的结构与工作原理系统主要由激光器1、调整机构2、定位机构3、光学准直系统4、光电靶5、炮膛爬行器6、电缆线7和计算机等组成。光电靶的中心是四象限硅光电池，光电靶的定心机构同管道身管内壁为滑配合。第12章光电检测技术的综合应用六、管道直线度光电检测系统激光准直系统及定位机构2、检测系统的组成•激光准直系统1—定位螺钉2—外定位环3—内定位环4—光学准直系统5—激光器壳体6—激光器7—定位螺钉第12章光电检测技术的综合应用六、管道直线度光电检测系统•光电靶光电靶定位机构四象限光探测器2CR81-4型四象限硅光电池光电靶定位机构由光电靶座1、光电池2、光电池座3、定位轴承4、重锤5、弹簧6和滑轮7组成。第12章光电检测技术的综合应用六、管道直线度光电检测系统四象限光电池的和差连接)()]()[(3241xKfSSSSKUx1234[()()]()yUKSSSSKfy当偏离较小时，可得到很好的线性度。故本系统采用和差比幅式方法提取直线度误差信息。非线性部分由计算机进行补偿。