双路激光-CCD零件尺寸动态检测仪的研制

    1　引言

    随着科技的发展及零件加工精度提高,因此必须要求有相应的高精度检测设备。自1969年贝尔实验室发明电荷耦合器件(CCD)以来,由于CCD具有非接触性测量、分辨率高等特点。因此CCD器件在物体外型测量、表面检测、图像传真、智能传感等方面得到广泛应用。且CCD测量速度快,可用于静态测量及动态在线检测或识别零件。由于激光光源具有高亮度、相干性好、方向性好,并能产生平行光的特点^[1～4]。因此把激光技术与CCD器件的优点结合起来,使激光-CCD检测技术发展到了一个新的历史时期。我国在20世纪80年代中期就逐渐应用CCD检测技术,并运用到了各种自动化检测领域^[5～7]。但在自动化检测过程中,因零件振动、跳动及检测系统本身测量分辨率的限制,我国高精度的在线检测系统并未真正用于生产实际。本文在提出采用双路激光-CCD动态检测零件尺寸方法的基础之上,设计研制了一套零件尺寸的动态在线检测系统,并进行大量实验研究。结果表明,该系统达到预期设计效果,具有很好的工程实用性。

    2　双路激光-CCD检测工作原理

    对自动化过程中零件尺寸的自动检测,通常可在输送带或输料滑道上进行。根据测量结果,可对不同尺寸及合格与否的零件进行分选和整理。为保证物流的不间断运行,最为理想的检测应在零件的运动过程中完成。为此,本文提出了如图1所示的双路激光-CCD检测方法。其检测原理主要是采用了激光三角法进行测量。图1为检测零件厚度的工作原理。激光沿45°方向经透镜L₀入射到零件被测面上,经漫反射或半漫射由成像透镜L₁成像在CCD接收面上。利用像点位置的改变量Δx₁,可计算出被测表面M′1相对于基准面M₁的位置改变量ΔH₁,从而实现零件厚度尺寸的相对测量。若设定被测表面在基准之上变化时,ΔH1为正;反之为负,则

式中m为光学成像系统的放大倍数,m=s′/s。

    在检测过程中,当零件沿输送带或输料滑道到达检测区域时,激光-CCD检测系统对零件的尺寸进行相应的检测。检测所得信号由CCD传出并进入信号处理系统,经处理后的信号传入8051单片机进行相应的数据处理,处理后的信息可输出用以控制分选机构的动作,以实现精密零件厚度尺寸、合格与否等的分拣。

    零件在随重力沿滑道下滑的过程中,在一般情况下零件不仅只是沿滑道移动,同时还伴随着不同程度的跳动。图2中虚线和实线分别表示零件沿倾斜滑道无跳动和有跳动运动时的情形。若用单路(如图1中第一路)检测零件厚度,所测得的零件厚度变化ΔH_′1将由其实际厚度变化值ΔH₁(由式(1)给出)和因跳动造成的测量误差Δh₁所组成,即ΔH′₁=ΔH₁+Δh₁。设零件长度为l,零件瞬时定位时检测点至零件前端的距离为y,零件跳动时与滑道的夹角为β,则测量误差Δh₁可简化计算为