基于激光三角法的大内径测量系统

　　0　引言

　　随着大型机械设备向着复杂化、精密化方向发展,对于这些设备所需要的大尺工件的加工质量的检测要求也不断提高,其测量范围为几米至几十米,测量 精度为10-5~10-6量级[1],如火车轮对、水轮机和汽轮机的主轴、大型发电机组、大型轴承圈、各种工作辊等,都需要对其直径进行高精度测量,以满 足在加工过程中对直径尺寸的控制[2]。

　　目前国内外大多数内径测量仪器仍采用大型螺旋测微器、大型千分尺、钢带尺等接触式测量仪器,但这些量具复杂笨重、测量效率低、易受操作人员及测 量环境影响。当然采用多普勒效应法、滚轮法、标记法、激光干涉仪和激光杠杆法等非接触式测量也可以获得很高的测量精度[3-4]。但考虑到滚轮法、标记法 需要转动工件,不适合大型工件;激光干涉仪、多普勒效应法需要导轨;光杠杆法测量范围小等缺点。因此本文研制一种测量精度能够满足工艺要求,结构简单,能 够实现在线测量的激光内径测量系统。

　　1　系统整体结构及功能

　　系统主要包括DSP控制器、传感器、伺服电机、温度采集模块、无线传输模块及上位机处理,结构框图如图1所示

　　图1中各部分的功能主要如下。

　　(1)在线控制系统:基于TMS320F2812的DSP控制器主要完成传感器数据采集,状态监测以及协调运动等功能,是整个测控系统的核心。

　　(2)位移传感器:是测量系统的测量执行单元,本系统采用LK-G30激光位移传感器测量位移,精度高,抗干扰能力强,功能完善。

　　(3)温度模块:大尺寸轴孔类零件容易受温度的影响,因此在被测对象内部安放多个温度传感器,建立测温网络,对因温度变化产生的缩涨现象进行补偿,实现不同温度环境下测量结果的一致性。

　　(4)无线传输模块:考虑到大尺寸轴孔测量环境的复杂性,本文采用Zigbee无线传输技术,稳定性强,组网简单,用于实现上位机和下位机的信息传输。

　　(5)上位机软件:上位机主要完成人机接口和数据算法处理的功能,参数选择、过程监控、算法处理以及结果显示都可以通过人机接口得到,是对测量系统操作的最直接的形式。

　　2　内径测量原理及模型

        内径测量模型如图2所示。

　　由于一般大尺寸内径范围为500~1500mm,而要求与外径的配合公差为0·03~0·05mm,要求精度较高,现存的位移传感器很难同时满足精度和范围的要求,因此,本系统采用相对测量原理。

　　图2中,O代表测量系统的回转中心; O’代表被测对象的实际中心; r0=H代表测量臂的长度,是常量。以转动中心O为原点建立直角坐标系XOY,当测头绕O点逆时针转动θ角时,测头读数为θ的函数,以r (θ)表示,由图2知对应于θ角的半径R (θ)为: