文档介绍：1
在线激光测径仪的系统设计
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本论文是对“激光扫描测径仪”研究的总体方案进行研究学****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****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****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。
研究内容
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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=v·t (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
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图1-5 激光测径仪原理图
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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;
5)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:
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总体结构框图
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基本功能和主要技术指标
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。
测径仪的主要技术指标
1)测量范围: -30mm
2)分辫率:
3)重复性精度:±。
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1)扫描速度应是均匀的;
2)扫描光束应和光轴保持平行。
激光光源与普通光源比较,具体亮度高、方向性、单***和相干性好等优点,是高精度测量的理想光源。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=,只有光源的波长λ较短,才能获得足够小的光斑,因此我们选择波长为λ=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。
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ƒθ透镜的设计
对ƒθ透镜而言,为得到一定的扫描速度,像高必须为:
ƒθ透镜与普通透镜的区别见图2-4所示,图2-4中比较ƒθ透镜与普通透镜的H与θ之间的关系,随着θ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,ƒθ透镜起到了重要的作用。
图2-4ƒθ透镜与普通透镜的区别
通透成像情况
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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)θ和ƒ
在扫描范围一定的情况下,尽可能用大的θ角小的ƒ,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。