激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設(shè)計

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1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目： 激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設(shè)計 （英文）： System design of a laser-scanned diameter gauge 院 別： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2010 年 6 月 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 摘要 激光掃描測徑儀系統(tǒng)是一種基于光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代激光、電子學(xué)、計算機(jī)、精密機(jī) 械等多學(xué)科技術(shù)于一體在線檢測系統(tǒng)。它是用可見激光作為光源，把被測對象的幾何 尺寸經(jīng)過掃描光學(xué)系統(tǒng)和光電變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號，再由計算機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理， 給出測量結(jié)果，并數(shù)字顯示。論文論述

2、了激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)的工作原理， 并對這類系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計,最后探討了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度的基本因素及解決方 法。本設(shè)計具有檢測速度快、精度高、非接觸檢測、閉環(huán)控制等特點,完全適用于回轉(zhuǎn) 體直徑尺寸的在線檢測和控制，尤其是熱的、軟的和運動的被測對象。 關(guān)鍵字：測徑儀；激光掃描；測量精度；精密結(jié)構(gòu)；單片機(jī) System design of a laser-scanned diameter gauge ABSTRACT Laser scanning caliper gauge is an on-line detection system, which integrates many mo

3、dern 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 signal

4、s 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 o

5、f 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.

6、 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 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 1 目錄 1.緒論 .1 1.1 前言 .1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1 1.3 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)

7、 .3 1.3.1 系統(tǒng)工作原理 .3 1.3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) .3 1.4 基本功能和主要技術(shù)指標(biāo) .4 1.4.1 測徑儀的基本功能 .4 1.4.2 測徑儀的主要技術(shù)指標(biāo) .4 2.高性能掃描光學(xué)系統(tǒng) .5 2.1 光學(xué)系統(tǒng)分析 .5 2.1.1 激光掃描法 .5 2.1.2 激 光 掃 描 法 必 須 滿 足 兩 個 條 件 .6 2.1.3 激 光 源 的 選 擇 .7 2.2 透 鏡 的 設(shè) 計 .9 2.2.1 普 通 透 鏡 和 透 鏡 的 區(qū) 別 .9 2.2.2 透 鏡 參 數(shù) 的 選 擇 .10 2.2.3 設(shè)計要求 .11 2.3 掃 描 接 收 光 學(xué) 系 統(tǒng) 設(shè)

8、計 .12 2.4 多 面 體 反 射 鏡 .12 2.4.1 掃 描 器 件 的 選 擇 .12 2.4.2 多 面 體 反 射 鏡 技 術(shù) 規(guī) 格 和 公 差 .14 2.4.3 多 面 體 反 射 鏡 設(shè) 計 計 算 .15 2.5 光學(xué)元件的尺寸及掃描速度計算 .17 3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 .18 3.1 主體精密機(jī)械系統(tǒng) .18 3.2 反射鏡系統(tǒng)設(shè)計 .19 3.3 透鏡系統(tǒng)設(shè)計 .20 3.4 工件支架設(shè)計 .20 3.5 步進(jìn)電機(jī)支架及轉(zhuǎn)鏡支撐件設(shè)計 .21 3.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .21 3.7 多面體轉(zhuǎn)鏡的工藝設(shè)計 .22 4.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) .23 4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)

9、計 .23 4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理 .23 4.1.2 信號接收元件選用 .26 4.1.3 硬件電路的設(shè)計 .27 4.1.3 主控器的選擇 .30 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 2 4.1.4 總電路圖 .31 4.1.5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 .32 4.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn) .33 4.2.1 主程序 .33 4.2.2 計數(shù)子程序 .33 4.2.3 計算直徑子程序 .33 4.2.4 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 .34 4.2.5 形成控制步進(jìn)電機(jī)脈沖子程序 .34 5.激光掃描檢測系統(tǒng)的精度分析 .35 5.1 基本參數(shù)對測量精度的影響 .35 5.2 掃描速度對檢測精度的影響誤差分析 .3

10、6 5.3 提高儀器檢測精度的途徑 .38 總結(jié)展望 .39 參考文獻(xiàn) .40 致謝 .42 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 1 1.緒論 1.1 前言 目前，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐漸向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)軌，測試技術(shù)面臨著越來越多的復(fù)雜問 題，不但要有較高的測量速度及可靠性,而且還要向自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。 這勢必將使原有的靜態(tài)、接觸測量轉(zhuǎn)向動態(tài)、非接觸、在線測量。激光掃描尺寸檢測 技術(shù)作為一種非常有效的非接觸檢測方法在國外被廣泛地應(yīng)用于工件尺寸的在線檢測， 激光掃描測徑儀采用激光掃描方式，對生產(chǎn)線上回轉(zhuǎn)體被測對象實現(xiàn)高速度、高精度、 非接觸測量。由于非接觸的特點，對被測對象無任何干擾，因此非常適合熱的

11、、軟的 和運動的被測對象。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 光電檢測技術(shù)是一門實現(xiàn)非接觸式測量的高新技術(shù)，是建立在現(xiàn)代光、機(jī)、電、 計算機(jī)等技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合技術(shù)，所涉及的工程技術(shù)內(nèi)容十分廣泛，激光測徑儀在國 內(nèi)外的發(fā)展情況的差距正在逐步縮小。 國 際 上 一 些 發(fā) 達(dá) 的 工 業(yè) 國 家 起 步 早 ， 自 六 十 年 代 就 陸 續(xù) 出 現(xiàn) 一 些 光 電 技 術(shù) 檢 測 的 成 果 。 在 單 向 激 光 掃 描 方 面 ， 日 本 Kenyence 公 司 生 產(chǎn) 的 產(chǎn) 品 ， 掃 描 式 LS-7000 系 列 其 測 量 范 圍 為 0.3-30mm， 測 量 精 度 為 0.003mm

12、， 外 型 尺 寸 為 325.59138mm， 取 樣 速 度 為 2400 次 /s， 當(dāng) 測 量 范 圍 為 0.04-6mm 時 ， 測 量 精 度 達(dá) 0.0005mm， 重 復(fù) 性 精 度 為 0.00006mm， 美 國 BetaLaserMike 公 司 設(shè) 計 的 型 號 510-195 激 光 掃 描 測 徑 儀 ， 其 測 量 范 圍 為 0.38-50mm， 重 復(fù) 性 精 度 0.O005mm。 日 本 三 豐 LSM-500S 測 量 范 圍 0.005-2mm， 最 小 解 析 值 0.00001m， 重 現(xiàn) 性 0.00003m， 在 20 直 線 性 0.00

13、03mm， 位 置 誤 差 0.0004mm， 掃 描 頻 率 3200 回 /秒 。 我國激光測徑技術(shù)的研究起步比較晚，但發(fā)展迅速。從八十年代末、九十年代初 國內(nèi)一些單位開始研究激光擔(dān)描直徑測量技術(shù)，到目前為止，國內(nèi)有許多企業(yè)均采用 激光掃描法研制出測量直徑的設(shè)備。特別是近年來取得了一系列的研究成果。如鄭州 明銳電子科技有限公司研制的 LDM 系列激光測徑儀、上海傾技儀器科技有限公司研制 的 ETD-05A 激光掃描測徑儀、上海科旗自動化儀表有限公司研制的手持式激光測徑儀、 河北激光研究所研制的 JCJ-1 激光測徑儀、長春理工大學(xué)采用激光掃描技術(shù)研制的 JSY 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計

14、 2 系列激光掃描多功能檢測儀、雙光路型和反射型三大系列十余種型號產(chǎn)品。測量范圍 在 0.01mm 至 236mm 不等，分辮率為0.01mm、0.001mm 和 0.00001mm 不等，測 量精度已達(dá) 0.001mm。 圖 1-1 LDM25/LDM50 激光測徑儀 圖 1-2 LDM60XY 激光雙向測徑 儀 圖 1-3 激光透明管測徑儀 LDM25T 測量范圍 0.1-25mm 精度 0.002mm 分辨率 0.001mm 圖 1-4 手持式激光測徑儀 LDM-01H 型 號 量 程 精 度 重復(fù)性誤差 分辨力 LDM-01HA 0.010001mm 0.5m 0.2m 0.00001

15、mm LDM-01HB 0.010001mm 1.0m 0.5m 0.00001mm LDM-02HA 0.010002.5mm 0.5m 0.2m 0.00001mm LDM-02HB 0.010002.5mm 1.0m 0.5m 0.00001mm 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 3 1.3 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu) 1.3.1 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器為光源，激光器光束通過多面體掃描轉(zhuǎn)鏡和掃描光學(xué)系統(tǒng) 后，形成與光軸平行的連續(xù)高速掃描光束，對被置于測量區(qū)域的工件進(jìn)行高速掃描， 并由放在工件對面的光電接收器接收，投射到光電接收器上的光線在光束掃描工件時 被遮斷，所以光電接收器輸出的是一個

16、方波脈沖，寬度與工件直徑成正比。若掃描速 度為 V，掃描時間為 t，則被測工件的尺寸 D 為 D=vt (1-1) 由于掃描速度由系統(tǒng)參數(shù)確定為，那么工件尺寸就是掃描時間 t 的函數(shù)，式中 t 可通過對時鐘脈沖計數(shù)器來準(zhǔn)確求得。 原理構(gòu)圖如下 圖 1-5 激光測徑儀原理圖 1.3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)設(shè)計原理要求，以及測量數(shù)據(jù)處理和控制的要 求，系統(tǒng)主要有以下幾部分組成: 1）由光學(xué)機(jī)械掃描器的掃描光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的激光掃描發(fā)射器； 2）由接收光學(xué)系統(tǒng)與光電變換電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的激光掃描接收器； 3）數(shù)據(jù)處理的核心單片機(jī)系統(tǒng)； 4）D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、反饋、通訊等接口

17、電路； 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 4 5）上位計算機(jī)(PC 機(jī)) 、打印機(jī)、顯示器 CRT。 整個系統(tǒng)是一個光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代激光技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械 技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的自動檢測系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 1-6 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 1.4 基本功能和主要技術(shù)指標(biāo) 1.4.1 測徑儀的基本功能 我們研究的測徑儀應(yīng)該具備以下功能: 1）尺寸測量 可以對工件直徑進(jìn)行非接觸的測量，這也是本儀器目的所在。 2）誤差修正 系統(tǒng)誤差可以利用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行修正。 3）輸出多樣化 測量結(jié)果可以直接數(shù)字顯示或接 PC 機(jī)顯示、打印。 4）報警功能 根據(jù)公差帶設(shè)置上、下限，超差時可以提供聲光報警

18、。 5）閉環(huán)控制 采用閉環(huán)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度。 1.4.2 測徑儀的主要技術(shù)指標(biāo) 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 5 1）測量范圍: 0.5mm-30mm 2）分辮率:0.01mm 3）重復(fù)性精度:0.002mm。 2.高性能掃描光學(xué)系統(tǒng) 2.1 光學(xué)系統(tǒng)分析 2.1.1 激光掃描法 圖 2-1 激光掃描法原理圖 從 圖 2.1 中 可 以 看 出 激 光 掃 描 法 的 測 量 原 理 ， 由 于 工 件 被 激 光 掃 描 而 產(chǎn) 生 光 強(qiáng) 調(diào) 制 作 用 ， 這 個 光 強(qiáng) 調(diào) 制 信 號 攜 帶 有 被 測 信 息 ， 經(jīng) 光 電 轉(zhuǎn) 換 與 數(shù) 據(jù) 處 理 ， 即 可 得 到

19、測 量 值 。 通 常 用 此 原 理 測 量 被 測 工 件 的 直 徑 D， 此 時 被 測 工 件 直 徑 值 D 可 由 (2-1)式 給 出 : D=v（ ） =vt (2-1)21t 式 中 ， v 為 掃 描 速 度 ； t 為 有 效 信 號 時 間 。 在 v 一 定 時 ， 只 要 測 出 工 件 遮 擋 掃 描 光 束 的 時 間 t， 便 可 得 到 工 件 直 徑 尺 寸 D， 而 t 可 通 過 時 鐘 脈 沖 計 數(shù) 準(zhǔn) 確 地 測 得 。 從 (2-1)式 看 來 ， 系 統(tǒng) 的 測 量 原 理 似 乎 很 簡 單 ， 只 涉 及 v 和 t 兩 個 參 量 ，

20、 實 際 上 ， 激 光 掃 描 光 學(xué) 系 統(tǒng) 是 一 動 態(tài) 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 其 動 態(tài) 特 性 主 要 取 決 于 掃 描 速 度 特 性 ， 要 想 實 現(xiàn) 高 精 度 測 量 ， 就 必 須 特 殊 設(shè) 計 具 有 良 好 動 態(tài) 特 性 的 掃 描 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 下 面 對 它 進(jìn) 行 討 論 。 系 統(tǒng) 工 作 的 理 論 掃 描 速 度 v 為 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 6 v=2 式 中 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 角 速 度 ;f 為 掃 描 光 學(xué) 系 統(tǒng) 焦 距 。 當(dāng) 、 確 定 后 ， v 為 常 數(shù) ;但 是 由 于 光 學(xué) 系 統(tǒng) 本 身 的 固 有 特 性

21、， 實 際 掃 描 速 度 v 并 不 是 常 數(shù) ， 而 是 激 光 束 光 斑 沿 光 學(xué) 系 統(tǒng) 主 面 移 動 的 速 度 ， 也 就 是 像 高 H 隨 時 間 的 變 化 率 。 由 光 學(xué) 原 理 可 推 導(dǎo) 出 其 掃 描 速 度 特 性 方 程 v 為 fR 2)(cos12)2(cos)s( csocsin)(sin 22 (2-2) 掃 描 速 度 ； R掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 內(nèi) 切 圓 半 徑 ； 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 角 速 度 ； 掃 描 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 焦 距 ； 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 上 激 光 束 的 入 射 角 ； 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 角 位 移 。 從 式 (2

22、-1)中 可 以 看 出 ， 激 光 掃 描 檢 測 系 統(tǒng) 的 直 徑 測 量 原 理 只 涉 及 v 和 t 兩 個 參 數(shù) ， 而 式 (2-2)又 表 明 實 際 掃 描 速 度 v 并 不 等 于 理 論 掃 描 速 度 2 ， 而 是 隨 著 的 變 化 而 變 化 的 ， 并 與 、 R、 、 有 關(guān) ， 當(dāng) v 0 時 ， 就 會 引 起 測 量 誤 差 ； 而 且 掃 描 時 間 也 和 系 統(tǒng) 的 時 鐘 頻 率 、 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 等 有 關(guān) 。 可 見 ， v 和 t 都 不 是 絕 對 獨 立 的 參 數(shù) 。 到 此 為 止 我 們 對 激 光 掃 描 法 作 了 深

23、 刻 的 剖 析 ， 通 過 采 用 激 光 掃 描 技 術(shù) ， 能 夠 把 空 間 尺 寸 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 脈 沖 時 間 間 隔 測 量 ， 從 而 明 顯 地 提 高 測 量 精 度 和 抗 干 擾 性 能 ， 它 適 用 于 在 線 測 量 。 2.1.2 激 光 掃 描 法 必 須 滿 足 兩 個 條 件 1） 掃 描 速 度 應(yīng) 是 均 勻 的 ; 2） 掃 描 光 束 應(yīng) 和 光 軸 保 持 平 行 。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 7 根 據(jù) 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 光 學(xué) 行 為 特 性 ， 一 般 光 學(xué) 系 統(tǒng) 滿 足 不 了 這 兩 個 要 求 。 由 式 (2-2)可 知

24、 在 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 確 定 后 ， 掃 描 速 度 是 的 函 數(shù) ， 及 掃 描 速 度 v 隨 角 的 變 化 而 變 化 ， 并 且 不 是 常 數(shù) 。 另 一 方 面 ， 由 于 采 用 多 面 體 轉(zhuǎn) 鏡 ， 掃 描 光 束 在 轉(zhuǎn) 鏡 上 的 反 射 點 、 回 轉(zhuǎn) 中 心 和 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 焦 點 三 者 不 重 合 ， 從 而 產(chǎn) 生 離 焦 現(xiàn) 象 ， 在 光 軸 方 向 的 離 焦 量 由 下 式 給 出 : （ 2-cos-1KRf 3） 其 中 ， K= ， 這 就 意 味 著 掃 描 光 束 不 是 從 掃 描 透 鏡 的 焦 點 射 出 的 掃 描2

25、2sinco 光 束 ， 不 和 光 軸 平 行 ， 因 而 存 在 準(zhǔn) 直 誤 差 。 并 且 由 式 (2-3)可 以 看 出 ， 準(zhǔn) 直 誤 差 也 是 轉(zhuǎn) 角 的 函 數(shù) ， 所 以 激 光 掃 描 檢 測 系 統(tǒng) 也 是 一 種 動 態(tài) 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 其 動 態(tài) 特 性 主 要 取 決 于 速 度 特 性 和 準(zhǔn) 直 特 性 。 要 想 獲 得 微 米 級 的 測 量 精 度 ， 就 必 須 設(shè) 計 出 具 有 良 好 動 態(tài) 特 性 的 特 殊 光 學(xué) 系 統(tǒng) 。 我 們 設(shè) 計 了 一 種 透 鏡 ， 其 成 像 特 性 可 由 下 式 給 出 : H= (2-4) 式 中

26、 :H像 高 ； 焦 距 ； 入 射 光 與 光 軸 的 夾 角 (rad)。 2.1.3 激 光 源 的 選 擇 激 光 光 源 與 普 通 光 源 比 較 ， 具 體 亮 度 高 、 方 向 性 、 單 色 性 和 相 干 性 好 等 優(yōu) 點 ， 是 高 精 度 測 量 的 理 想 光 源 。 早 期 的 激 光 掃 描 監(jiān) 測 系 統(tǒng) ， 均 采 用 氦 氖 (He-Ni)激 光 器 做 光 源 。 氦 氖 激 光 器 屬 于 氣 體 激 光 器 ， 工 作 物 質(zhì) 是 氦 氣 和 氖 氣 ， 激 光 管 用 硬 質(zhì) 玻 璃 制 成 ， 管 子 電 極 間 施 加 幾 千 伏 電 壓 ，

27、 使 氣 體 放 電 。 在 適 當(dāng) 放 電 條 件 下 ， 氦 氖 氣 體 成 為 激 活 介 質(zhì) ， 如 果 管 子 軸 線 上 安 裝 高 反 射 比 的 反 射 鏡 作 為 反 射 腔 ， 可 獲 得 激 光 輸 出 。 這 種 激 光 單 色 性 好 ， 發(fā) 散 角 小 于 2mrad， 光 束 直 徑 0.2- lmm， 可 以 直 接 用 于 激 光 掃 描 檢 測 系 統(tǒng) 。 但 是 氦 氖 激 光 采 用 玻 璃 管 和 高 壓 電 源 ， 極 易 產(chǎn) 生 慢 漏 氣 、 放 電 管 內(nèi) 元 件 放 電 、 陰 極 濺 射 、 工 作 氣 體 吸 附 和 滲 透 等 情 況

28、， 影 響 激 光 器 壽 命 ， 激 光 器 壽 命 只 有 20005000 小 時 ， 國 產(chǎn) 激 光 器 壽 命 更 短 。 另 外 由 于 使 用 高 壓 電 源 ， 激 光 器 正 極 極 易 與 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 8 附 近 導(dǎo) 體 產(chǎn) 生 放 電 現(xiàn) 象 ， 從 而 使 激 光 器 損 壞 。 所 以 成 為 激 光 掃 描 檢 測 系 統(tǒng) 故 障 率 最 高 的 器 件 。 近 年 來 ， 隨 著 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 不 斷 成 熟 ， 人 們 更 多 使 用 半 導(dǎo) 體 激 光 器 。 半 導(dǎo) 體 激 光 器 工 作 物 質(zhì) 是 半 導(dǎo) 體 材 料 。

29、最 常 用 的 材 料 是 砷 化 稼 ， 其 結(jié) 構(gòu) 原 理 與 二 極 管 十 分 相 似 。 半 導(dǎo) 體 激 光 器 除 具 有 超 小 型 、 高 功 率 、 響 應(yīng) 快 等 優(yōu) 點 外 ， 還 具 有 以 下 優(yōu) 點 : 1） 啟 動 電 壓 低 :半 導(dǎo) 體 激 光 器 只 需 要 2-6V 的 電 源 電 壓 ， 而 He-Ni 激 光 器 則 需 要 1500v 的 高 壓 才 能 啟 動 。 2） 電 能 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 :半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 與 He-Ni 激 光 器 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 相 比 高 得 多 。 3） 壽 命 長 :使 用 壽 命

30、 約 為 10000 小 時 。 正 由 于 半 導(dǎo) 體 激 光 器 具 有 上 述 特 點 ， 所 以 在 本 系 統(tǒng) 中 我 們 選 擇 半 導(dǎo) 體 激 光 器 作 為 光 源 。 另 外 ， 由 衍 射 光 斑 直 徑 公 式 d=1.22 /NA 可 知 ， 只 有 光 源 的 波 長 較 短 ， 才 能 獲 得 足 夠 小 的 光 斑 ， 因 此 我 們 選 擇 波 長 為 =635nm 的 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ， 它 能 使 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 體 積 和 整 體 外 形 尺 寸 大 大 減 小 ， 利 于 移 動 、 安 裝 、 調(diào) 試 。 本系統(tǒng)采用揚州聯(lián)創(chuàng)光電有限責(zé)任公司

31、生產(chǎn)的 DLM1854-18.4AS 半導(dǎo)體激光器，其 主要技術(shù)參數(shù)如下： 主要技術(shù)參數(shù)： 波 長：635nm 出瞳功率：140mW 工作電壓：DC 3V5V 運轉(zhuǎn)方式：連續(xù)式 調(diào)制頻率：01MHz 使用壽命：1 萬 小時 接口電平：TTL 電平光斑直徑：最小光斑直徑1mm 光束發(fā)散度：0.11.5mrad 光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)鍍膜玻璃透鏡 工作溫度：-10+60 存儲溫度：-40+80 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 9 圖 2-2 半 導(dǎo) 體 激 光 器 2.2 透 鏡 的 設(shè) 計 激 光 掃 描 檢 測 系 統(tǒng) 是 一 個 動 態(tài) 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 想 要 獲 得 微 米 級 的 測 量 的 精

32、度 ， 就 必 須 采 用 具 有 良 好 動 態(tài) 特 性 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 一 般 采 用 透 鏡 作 為 掃 描 發(fā) 射 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 能 夠 很 好 的 解 決 這 一 問 題 。 2.2.1 普 通 透 鏡 和 透 鏡 的 區(qū) 別 如 圖 2-3 所 示 ， 設(shè) 透 鏡 焦 距 為 掃 描 角 度 為 ， 普 通 透 鏡 如 圖 校 正 了 畸 變 ， 其 像 高 為 : （ 2-tanHf 8） 將 此 式 兩 邊 對 時 間 t 求 導(dǎo) ， 那 么 有 : （ 2-dtsecdt2f 9） 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 10 圖 2-3 通 透 成 像 情 況 由 此 可

33、見 ， 對 以 等 角 速 度 偏 轉(zhuǎn) 的 入 射 光 束 在 焦 平 面 上 的 掃 描 速 度 不 是 一 定 的 。 對 透 鏡 而 言 ， 為 得 到 一 定 的 掃 描 速 度 ， 像 高 必 須 為 : (2-10)fH 這 樣 ， 對 時 間 t 微 分 的 結(jié) 果 為 (2-11)ff2dtt 其 中 是 掃 描 元 件 恒 定 的 角 速 度 ， 這 樣 要 求 透 鏡 要 故 意 產(chǎn) 生 正 畸 變 ， 當(dāng) 掃 描 角 度 增 大 時 ， 實 際 像 高 比 幾 何 光 學(xué) 確 定 的 理 想 像 高 要 小 ， 是 它 的 /tan 倍 ， 其 線 畸 變 為 : (2-

34、12)tan(tanHfff 其 相 對 畸 變 量 為 : (2-13)%10taDr 具 有 式 (2-13)所 給 出 的 畸 變 像 差 量 的 透 鏡 ， 當(dāng) 入 射 光 以 等 角 速 度 偏 轉(zhuǎn) 入 射 時 ， 在 焦 面 上 的 掃 描 速 度 就 是 等 速 的 ， 由 于 此 透 鏡 的 像 高 等 于 ， 故 常 簡 稱 為 透 鏡 。 透 鏡 與 普 通 透 鏡 的 區(qū) 別 見 圖 2-4 所 示 ， 圖 2-4 中 比 較 透 鏡 與 普 通 透 鏡 的 H 與 之 間 的 關(guān) 系 ， 隨 著 的 增 大 ， 兩 者 之 間 的 差 別 越 來 越 明 顯 ， 在 線

35、 性 地 保 持 掃 描 角 度 和 掃 描 位 置 關(guān) 系 方 面 ， 透 鏡 起 到 了 重 要 的 作 用 。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 11 圖 2-4 透 鏡 與 普 通 透 鏡 的 區(qū) 別 2.2.2 透 鏡 參 數(shù) 的 選 擇 1） F 數(shù) 由 于 使 用 高 亮 度 激 光 光 源 ， 所 以 不 必 象 普 通 透 鏡 那 樣 根 據(jù) 光 源 亮 度 決 定 F 數(shù) ， 只 是 根 據(jù) 所 必 需 的 光 點 尺 寸 決 定 F 數(shù) ， 即 使 由 于 透 鏡 F 數(shù) 弱 也 可 以 用 ， 因 為 這 有 利 于 像 差 校 正 。 2） 和 在掃描范圍一定的情況下， 盡

36、可 能 用 大 的 角 小 的 ,這 種 選 擇 能 使 透 鏡 的 尺 寸 和 反 射 器 的 尺 寸 減 小 ， 從 而 使 反射鏡表面的不均勻、反射角不準(zhǔn)確以及掃描器不穩(wěn)定 等造成的誤差減小，使由 于 棱 鏡 表 面 角 度 不 均 勻 和 掃 描 器 軸 承 不 穩(wěn) 造 成 的 不 利 影 響 較 小 。 由 于 入 射 光 瞳 即 位 于 掃 描 器 上 ， 又 處 于 透 鏡 前 焦 面 上 ， 所 以 選 取 較 小 的 焦 距 可 以 使 掃 描 器 與 物 鏡 之 間 的 距 離 減 小 ， 使結(jié)構(gòu)緊湊。 但 是 大 的 角 也 會 給 物 鏡 設(shè) 計 帶 來 困 難 ， 而

37、且 受掃描器性能限制。實際上， 如果 較小，則像方工作距相應(yīng)也 小，不便操作，因此應(yīng)充分利用掃描器轉(zhuǎn)角 ，同時滿足掃描器范圍的要求，由此確 定 。 在 F 數(shù) 較 小 時 ， 和 都 不 可 能 大 ， 特 別 是 為 了 獲 得 均 勻 大 小 的 光 點 尺 寸 ， 常 常 考 慮 遠(yuǎn) 心 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 若 此 時 掃 描 角 與 焦 距 都 較 大 ， 則 透 鏡 也 大 ， 制 造 也 有 困 難 。 透 鏡 的 通 光 口 徑 要 根 據(jù) 測 量 范 圍 、 被 測 件 的 振 動 幅 度 以 及 中 心 位 置 的 可 能 移 動 范 圍 選 取 定 。 同 時 為 了 形

38、成 較 好 的 平 行 光 掃 描 ， 希 望 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 相 對 孔 徑 D/ 盡 可 能 小 ， 但 是 焦 距 太 大 會 使 測 頭 的 體 積 增 大 ， 所 以 一 般 相 對 孔 徑 D/ 取 1/41/6。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 12 2.2.3 設(shè)計要求 1）結(jié)構(gòu)類型 透鏡多屬小孔徑、大視場并具有遠(yuǎn)心光路的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有正光焦度。 一般光源為單色光，光學(xué)系統(tǒng)不需要消色差，軸上軸外均達(dá)到或接近衍射極限的像質(zhì) 要求。為控制高級本征衍射像差，通常不使用易產(chǎn)生高級像差的膠合面，即由多片分 離的單透鏡構(gòu)成。一般透鏡片數(shù)越多，所能達(dá)到的精度指標(biāo)也越高。本設(shè)計選用兩個

39、 透鏡組成的負(fù)-正型結(jié)構(gòu)，如圖 2-5 所示。它可使像方工作距較長，物方工作距短，從 而使結(jié)構(gòu)緊湊且又易于操作。 圖 2-5 兩個透鏡組成的負(fù)-正型結(jié)構(gòu) 2）光焦度分配及像差校正 從降低高級像差考慮，正透鏡宜采用高折射率低色散玻璃，負(fù)透鏡應(yīng)采用低折射 率 玻璃。光焦度分配應(yīng)注意兩點：首先應(yīng)滿足總光焦度要求，其次是平像場。 2.3 掃 描 接 收 光 學(xué) 系 統(tǒng) 設(shè) 計 在 回 轉(zhuǎn) 體 直 徑 測 量 系 統(tǒng) 中 ， 設(shè) 計 聚 焦 透 鏡 作 為 掃 描 接 收 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 光 電 接 收 器 放 置 在 掃 描 接 收 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 后 焦 面 上 。 根 據(jù) 透 鏡 的 性

40、質(zhì) 知 道 ， 平 行 光 經(jīng) 過 透 鏡 后 的 會 聚 點 并 不 是 一 個 理 想 點 ， 而 是 一 個 衍 射 斑 ， 其 直 徑 d=1.22f /D， 式 中 ， f 為 會 聚 透 鏡 焦 距 ； 為 激 光 波 長 ;D 為 激 光 束 直 徑 。 由 上 式 可 以 看 出 :f 越 小 ， d 就 越 小 。 因 此 要 設(shè) 計 焦 距 短 的 會 聚 透 鏡 作 為 掃 描 接 收 光 學(xué) 系 統(tǒng) 。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 13 2.4 多 面 體 反 射 鏡 2.4.1 掃 描 器 件 的 選 擇 激 光 掃 描 無 論 是 哪 種 方 式 都 需 要 有 光

41、學(xué) 掃 描 器 。 實 現(xiàn) 此 功 能 的 有 振 鏡 掃 描 、 聲 光 掃 描 、 電 光 掃 描 和 多 面 體 轉(zhuǎn) 鏡 掃 描 。 目 前 以 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 掃 描 應(yīng) 用 最 廣 泛 。 圖 2-6 轉(zhuǎn) 鏡 的 基 本 種 類 多 面 體 轉(zhuǎn) 鏡 掃 描 的 缺 點 ： 1)多 面 體 的 加 工 精 度 要 求 高 ； 2)掃 描 電 機(jī) 的 均 勻 性 要 求 嚴(yán) 格 ； 3)與 多 面 體 相 關(guān) 的 光 學(xué) 部 分 調(diào) 整 復(fù) 雜 ， 精 度 要 求 高 。 在 掃 描 過 程 中 ， 多 面 體 的 各 小 平 面 反 射 面 繞 多 面 體 中 心 O 旋 轉(zhuǎn) ，

42、如 圖 2-7 所 示 ， 盡 管 轉(zhuǎn) 鏡 以 勻 速 旋 轉(zhuǎn) ， 反 射 光 的 掃 描 軌 跡 嚴(yán) 格 說 不 是 勻 角 速 度 ， 掃 描 軌 跡 必 然 產(chǎn) 生 非 線 性 誤 差 。 這 誤 差 是 由 多 面 體 反 射 面 與 其 外 接 圓 矢 高 R 所 引 起 的 。 （2-14）2/cos1R）（ 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 14 圖 2-7 非線性誤差示意圖 但 它 也 有 以 下 優(yōu) 點 ： 1)掃 描 角 度 大 ， 通 常 可 大 于 30； 2)在 較 長 的 掃 描 寬 度 上 具 有 高 的 分 辮 率 ； 3)反 射 面 上 鍍 全 反 射 膜 ， 反

43、 射 率 高 、 光 能 損 失 小 ； 4)實 現(xiàn) 掃 描 機(jī) 構(gòu) 簡 單 。 多 面 體 反 射 鏡 之 所 以 如 此 廣 泛 地 被 使 用 ， 是 與 目 前 的 精 密 加 工 技 術(shù) 的 發(fā) 展 分 不 開 的 。 決 定 激 光 光 束 掃 描 用 的 多 面 體 反 射 鏡 的 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 是 面 數(shù) ， 每 個 面 面 積 的 大 小 和 材 料 是 通 過 對 掃 描 分 辮 率 、 掃 描 速 度 、 激 光 束 的 利 用 率 ， 反 射 鏡 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 和 機(jī) 械 強(qiáng) 度 之 間 的 關(guān) 系 ， 以 及 加 工 精 度 等 進(jìn) 行 綜 合 考 慮 而 確

44、 定 的 。 本 儀 器 采 用 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 反 射 鏡 掃 描 方 式 ， 通 過 多 面 體 反 射 鏡 的 高 速 旋 轉(zhuǎn) 完 成 掃 描 任 務(wù) ， 所 以 多 面 體 反 射 鏡 本 身 的 精 度 及 其 回 轉(zhuǎn) 精 度 將 直 接 影 響 掃 描 系 統(tǒng) 的 精 度 。 影 響 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 反 射 鏡 掃 描 質(zhì) 量 的 誤 差 來 源 主 要 有 多 面 掃 描 反 射 鏡 各 反 射 面 的 面 形 誤 差 、 各 反 射 面 間 的 分 度 誤 差 、 反 射 面 的 塔 差 及 轉(zhuǎn) 軸 晃 動 引 起 的 掃 描 點 位 置 誤 差 等 。 多 面 體 反

45、 射 面 的 面 形 誤 差 將 造 成 掃 描 系 統(tǒng) 在 主 掃 描 方 向 上 掃 描 位 置 偏 離 理 想 位 置 ， 所 以 必 須 對 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 形 位 公 差 予 以 嚴(yán) 格 的 限 制 。 2.4.2 多 面 體 反 射 鏡 技 術(shù) 規(guī) 格 和 公 差 從 上 面 的 分 析 中 我 們 知 道 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 反 射 鏡 的 制 造 精 度 將 直 接 影 響 掃 描 系 統(tǒng) 的 精 度 ， 為 此 ， 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 必 須 滿 足 一 定 的 規(guī) 格 和 公 差 要 求 。 其 技 術(shù) 規(guī) 格 和 公 差 有 以 下 一 些 項 目 ， 如 圖 2-8

46、 所 示 ： 1、 機(jī) 械 特 性 ： 1） 面 數(shù) N 及 各 面 的 面 形 誤 差 ； 2） 反 射 面 到 中 心 的 距 離 A 和 公 差 ； 3） 反 射 面 寬 度 B 和 公 差 ； 4） 反 射 面 與 反 射 面 的 角 度 C 及 公 差 ； 5） 裝 配 孔 的 直 徑 D 和 公 差 ； 如 圖 2-8 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 15 圖 2-8 棱 鏡 尺 寸 規(guī) 格 圖 2、 光 學(xué) 特 性 ： 1） 反 射 面 的 平 面 度 ； 2） 表 面 反 射 率 ； 3） 表 面 質(zhì) 量 ； 4） 基 體 材 料 ： a、 一 般 情 況 下 選 用 銘 與 銘 合

47、 金 ； b、 高 速 時 選 用 不 銹 鋼 或 被 合 金 ； c、 特 殊 低 速 時 選 用 石 英 、 硼 硅 玻 璃 和 可 切 削 的 陶 瓷 。 3、 物 理 特 性 ： 1)基 體 材 料 選 擇 ； 2)運 轉(zhuǎn) 速 度 ； 3)工 作 溫 度 ； 4)工 作 和 存 放 溫 度 范 圍 。 有 關(guān) 各 項 的 允 許 值 主 要 由 對 像 質(zhì) 的 要 求 來 決 定 ， 例 如 :激 光 仿 真 用 的 16 面 多 棱 反 射 鏡 ， 其 各 面 的 分 度 誤 差 以 及 各 面 對 轉(zhuǎn) 軸 的 傾 斜 公 差 在 2 以 內(nèi) ， 各 面 對 中 心 軸 的 偏 離

48、為 0.003mm， 平 面 度 在 /10 以 下 。 對 于 多 面 體 反 射 鏡 的 臨 界 轉(zhuǎn) 速 v， 其 確 定 方 法 如 下 ： (2-15)E2 其 中 密 度 屈 服 極 限 E材 料 的 彈 性 模 數(shù) 。 2.4.3 多 面 體 反 射 鏡 設(shè) 計 計 算 我們采用高慣性局部照明的旋轉(zhuǎn)多面體作為掃描偏轉(zhuǎn)元件。如圖 5 所示利用反射 光進(jìn)行掃描。當(dāng)多面鏡發(fā)生 角位移時，反射光發(fā)生 2 的角位移。當(dāng)入射光照 射到多面鏡棱角 時，反射光被分裂為兩部分，一部分繼續(xù)完成掃描，另一部分開始新 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 16 的掃描。這時掃描光的強(qiáng)度是變化的。實際上照明光束遇到

49、多面鏡棱角 這段時間形成 掃描空程。所以，這種掃描是間斷的。多面鏡的面數(shù)與掃描角有關(guān)。為減小掃 描空程， 應(yīng)加大每一反射面的線度，即加大多面體的半徑，使尺寸加大，但又受到掃描電機(jī)及 轉(zhuǎn)速的限制，因此，合理設(shè)計多面鏡就必須弄清掃描角，光斑尺寸，掃描空程，多面 體半徑及多面鏡數(shù)等之間的相互關(guān)系。 設(shè)光斑尺寸為 2 。 旋轉(zhuǎn)多面體半徑為 R， 面數(shù)為 N， 一次掃描多面鏡的角位移0 為 ( 等于反射光掃描角的一半) 為 N/360/45cos)/180(cos/45cos)/18cos( .00 RN （2-16） 空程角 為 = /360 = （2-/45cos)/180(cos/45cos)/1

50、8cos( 00 RNRN 17） 我們定義 為掃描效率，則36/360）（ N= （2- 18） 令 X= /)1(cos)/360cos( N Y= 45cos24518 則 R= （2-2/120 )(/)( YXYX 19） 根據(jù)給定的掃描角 2( 相應(yīng)的 =) 和多面體掃描效率 就可以根據(jù)上面的公 式求出旋轉(zhuǎn)多面體的半徑 R 和多面體的面數(shù) N。因為是局部照明掃描， 所以多面體的 厚度應(yīng)大于光束的尺寸 2 。在給定掃描的情況下， 在設(shè)計多面鏡時， 掃描效率多0 大才合理呢?以 =18為例看一下多面鏡半徑 R 和面數(shù) N 如何隨掃描效率 變化。 當(dāng) =18， =3.037mm 。R -

51、 曲線如圖 2-9 所示， 由圖可見，當(dāng) 0.7 后， R0 隨 增大而迅速增大。當(dāng) l 時，R 。多面體半徑太大，面數(shù)多，這給加工和 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 17 安裝調(diào)試帶來很大困難，所以我們認(rèn)為在上面給定的條件下。掃描效率在 0.40.6 之 間比較合理。 圖 2-9 R- 曲線 本系統(tǒng)掃描寬度約 100 mm，轉(zhuǎn)鏡掃描 2 =22.7，給出一些余量，2 取 30， 所以 =15，掃描效率 =50，面數(shù) N= = =12，/360 15/.0 X= =cos15=0.9659)1(cos)/360cos(N Y= =cos15cos45=0.6830 452/45)18 R= =9.2

52、272/120 )()1(2 YXYX 0 而 =3.037mm，所以掃描用旋轉(zhuǎn)多面體半徑 R=28.02mm，而多面體厚度 h 應(yīng)大于0 2 =6.074mm，因此，取 h=8mm。旋轉(zhuǎn)多面體材料用鋁合金。 至此，我們所采用的掃描器參數(shù)為：掃描范圍：l =2=2(15/180 ) 220=115.13 mm；掃描角 2=30；掃描光點直徑 =0.01 mm；分辨率0d 1 =100poin/mm;掃描頻率 2000Hz；電機(jī)轉(zhuǎn)速 600 轉(zhuǎn)min；多面體面數(shù) N= l2；多0d 面體厚度 h=8mm；多面體小平面反射率85；多面體小平面平面度小于 10=670nm/10=67nm ；多面體外

53、接圓半徑 R= 30 mm。 2.5 光學(xué)元件的尺寸及掃描速度計算 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 18 設(shè)晶體的振蕩頻率為 =10MHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n=600 轉(zhuǎn)/min，多面體的面數(shù)為 N=12， 透鏡焦距為 =220mm，則電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度f =2 3.14 10=62.8rad/s （2-20） 2n 反射光速轉(zhuǎn)動的角速度 =125.6rad/s （2- 21） 檢測區(qū)內(nèi)光束平行移動的速度(即掃描速度) =125.60.220 =27.632m/s （2-v2f 22） 一個時鐘脈沖所代表的距離 =27.632/10 2.76 （2-23/n4fm ） 是激光掃描尺寸檢測系統(tǒng)的一個重要

54、的參數(shù)，參數(shù) 表征系統(tǒng)的分辨率。 越小， 系統(tǒng)分辨率越高。 本系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的激光 =635nm，輸出功率=3mw，發(fā)散角 2mRad，經(jīng)平面鏡和十二面體轉(zhuǎn)鏡（轉(zhuǎn)速 n=600 轉(zhuǎn)/min ）反射后，通過 透鏡（f 220mm， =55mm）在掃描場中間得到平行掃描細(xì)光線，并經(jīng)接受會聚透鏡（1f 120mm， =55mm)聚焦到探測器上，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電信號。2 設(shè)十二面體反射面位于 透鏡焦面處，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)(64mm)在 透鏡處，則十二面ff 體反射面對光闌的張角為 2 =30，設(shè)光線 A 經(jīng) B 點反射到光闌上邊緣時，十二面體 反射點法線 (見圖 2-10)，入射角為 ，由于十二面體的轉(zhuǎn)動

55、，在光線 A 經(jīng)反射到光1N 闌下邊緣時，十二面體法線變?yōu)?方向，則 =1/2 張角=15，意為十二面體在2N12N 一次掃描中，掃描光闌八面體僅轉(zhuǎn)動 =15，因為是十二面體，每轉(zhuǎn)可掃描十二次， 故: 掃描速率=掃描次數(shù)/秒=600/60 12=120 次/s 因此，相鄰掃描時間間隔為 T=8.33ms 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 19 而掃描光闌時間間隔= （2-ms78.245/1T 24） 光線掃速為： V= =64mm/2.78ms23.02m/s （2-6/DT 25） 圖 2-10 光束掃描示意圖 3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 主體精密機(jī)械系統(tǒng) 本精密機(jī)械系統(tǒng)最重要的作用是保證光學(xué)系統(tǒng)性

56、能參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。溫度 變化、應(yīng)力、變形、振動、加工誤差等都會對光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)產(chǎn)生很大的影響;因此， 對關(guān)健件的公差和材料給予了嚴(yán)格的要求，以確保整個系統(tǒng)的工作性能。 箱體采用鑄件結(jié)構(gòu)，分箱蓋和箱底兩部分?？紤]到環(huán)境條件，本儀器采用了箱式 全封閉結(jié)構(gòu)，箱蓋和箱底之間加密封物質(zhì)，用緊固件連接。又由于要保證光學(xué)系統(tǒng)光 軸在一個平面內(nèi)，因此對光學(xué)機(jī)械部件的機(jī)械設(shè)計，對整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求較高。 箱體內(nèi)鑄有不同高度的凸臺，以滿足固定不同光學(xué)部件的要求。各光學(xué)元件之間的相 互位置關(guān)系，僅靠機(jī)械加工無法滿足這方面的要求，機(jī)械定位部分應(yīng)留有一定的調(diào)整 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 20 空間，手工調(diào)

57、整來檢測系統(tǒng)的各光學(xué)系統(tǒng)總體參數(shù)的要求。光學(xué)窗口采取密封結(jié)構(gòu)。 此外，還需要考慮光學(xué)機(jī)械部件的干涉、材料的選擇、溫度的影響、受力的變形、精 密調(diào)整、裝配和加工等一系列因素。設(shè)計的主體精密機(jī)械系統(tǒng)如圖 3-1 所示。 圖 3-1 精密機(jī)械系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)圖 3.2 反射鏡系統(tǒng)設(shè)計 反射鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的作用是改變光路以使整個儀器 的 結(jié)構(gòu)緊湊小巧，而反射鏡的安裝如果出現(xiàn)偏差，入射光的 入 射點就不能成像到焦點處，經(jīng)過的掃描光線將不是平行光。 但 是在機(jī)械加工過程中又不可避免出現(xiàn)加工誤差，并且在安 裝 過程中也會存在裝校偏差，這樣就進(jìn)一步加大了理論設(shè)計 和 實際生產(chǎn)的偏差。為此，反 射鏡要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)

58、構(gòu)， 如 圖 3-2 圖 3-2 反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 21 3.3 透鏡系統(tǒng)設(shè)計 透鏡裝夾機(jī)構(gòu)、會聚透鏡裝夾機(jī)構(gòu)、傳感器裝夾機(jī)f 構(gòu)都采用統(tǒng)一基本模型，保持一致的高度寬度以利于光信號 的準(zhǔn)確傳播?；灸Ｐ蛥⒁娂訄D 3-3 圖 3-3 透鏡及其裝夾機(jī)構(gòu)f 3.4 工件支架設(shè)計 工件支架考慮對稱受力支撐部分設(shè)計成左右 兩個 120V 形支撐架，兩個 V 形支架之間間隙 保證足夠?qū)挸?，以利于光信號順利通過?？紤]到 工件直徑的大小，為保持工件都穿過系統(tǒng)光路的 中心，本設(shè)計采用墊板來抬高或降低工件支架的 高度。工件支架及墊板見圖 3-4 支架采用 HT150 鑄造，灰口鑄鐵抗壓強(qiáng)

59、度一 般在 500-650MPa 之間，則支架能承載最大工件重 量 M=A =120 550MPa=66kN。V 行面壓2m 精加工后采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，保證與工件的接 觸精度、強(qiáng)度、壽命。 圖 3-4 工件支架及墊板 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 22 3.5 步進(jìn)電機(jī)支架及轉(zhuǎn)鏡支撐件設(shè)計 支撐轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)鏡軸如圖 3-5 示，軸與轉(zhuǎn)鏡采用鍵連接。聯(lián)軸器如圖 3-6 示，聯(lián)軸 器與軸采用緊固螺釘連接。電機(jī)支架如圖 3-7 示。軸與支架接觸采用外徑軸承 6801ZZ，轉(zhuǎn)鏡兩面與電機(jī)支架間有內(nèi)徑 15mm 厚度 2.5mm 的墊圈。 圖 3-5 轉(zhuǎn)鏡軸 圖 3-6 聯(lián)軸器 圖 3-7 轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)裝配圖

60、 3.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式、永磁式和混合式。一般定子繞組有 2，3，4，5 相之分(有特 殊例外) 。工作時，各繞組按一定次序、時間，把適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏骷拥礁鱾€繞組。完 成這一功能的就是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器。 驅(qū)動器可由通用集成電路和分立元器件搭成，也有專用集成電路。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 23 本系統(tǒng)設(shè)計中采用北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 17HS101 型步進(jìn)電機(jī)， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用與其相配套的 SH-2H042Mb 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 ，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的均 勻性對測量精度有一定的影響，而決定其轉(zhuǎn)速的又是驅(qū)動器的頻率，因此選好驅(qū)動器 對其運行的平穩(wěn)性有極好的保證。 17

61、HS101 型步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如下： 相數(shù):2;步距角 1.8;相電流 1.7A;驅(qū)動電壓 DC24V;最大靜轉(zhuǎn)矩 0.35Nm;相電阻 2.3;相電感 2.88mH;重量 0.24Kg;配套驅(qū)動器 SH-2H042Ma(b);環(huán)境溫度-10+40;絕 緣強(qiáng)度 500VDC 100M;絕緣強(qiáng)度:B;混合式方形電機(jī) ,相同扭矩的電機(jī)其長度是 BYG 系 列圓形電機(jī)的一半。 3.7 多面體轉(zhuǎn)鏡的工藝設(shè)計 多面體邊轉(zhuǎn)鏡加工方法不止一種，一般的加工工藝過程如下： 1）注模 注模是根據(jù)設(shè)計用溶液（金屬溶液、玻璃溶液等）繞鑄法，預(yù)先形成坯料。此 法可以大大降低成本。光學(xué)玻璃加工用的是注模法。 2）裝夾鏡坯 多

62、面體轉(zhuǎn)鏡的關(guān)鍵部分是鏡面本身，由于轉(zhuǎn)鏡制造較復(fù)雜，特別是大直徑的轉(zhuǎn)鏡 價值昂貴，所以，鏡面與鏡體往往分別加工，然后用環(huán)氧樹脂膠合在一起，形成一個 完整的轉(zhuǎn)鏡，裝夾鏡坯時，將一塊塊平面坯料一次裝夾在金屬撐架上，每塊平面鏡可 以是玻璃毛坯，也可以是金屬，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)并用螺釘緊固在撐架上，由于棱鏡高 速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生極大的離心力，緊固工作一定要十分仔細(xì)，否則離心力可能使平面鏡 表面變形，甚至使鏡體松動。 3）金剛石切削 鏡面切削加工時在金剛石切削機(jī)床上完成的，切削刀具實際是一顆金剛石，加工 方式是車削和銑削。切削機(jī)床本身精度極高，它的心軸使用了超高精度的氣動軸承支 撐這樣就能完成光學(xué)表面的成形和精細(xì)

63、加工由于金剛石切削機(jī)床能夠直接在鏡坯上加 工出光學(xué)表面，這種方法值得提倡，最常用的多面鏡的坯料是鋁合金，當(dāng)然也可以用 其他材料，如鎳合金，裸露在空氣中的鋁鏡比較嬌嫩，加工后最好鍍上一層介質(zhì)膜保 護(hù)。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 24 用肉眼觀察，金剛石切削后的表面近似于光學(xué)鏡面，但如果用顯微鏡放大，可以 觀察到加工后的鏡面就像一塊很密的光柵，光束照射其上，短波段光波（如紫外光） 的鏡面反射效率不高。 4）拋光 經(jīng)過切削加工的鏡面還需拋光。這里所談的拋光與通常的玻璃透鏡或棱鏡拋光一 樣，都使用瀝青研磨，瀝青是一種極精細(xì)的研磨劑。不銹鋼，鍍鉻板、鈹或者其他類 似于玻璃的材料，如石英和硼硅酸玻璃做

64、成的鏡面都能用瀝青拋光。 拋光時，把待拋光的多面鏡固定在拋光機(jī)上，用瀝青和樹脂膠作拋光劑，同時添 加鋁氧粉和水的混合液作為潤滑劑。 鋁合金上化學(xué)鍍鎳是一種最常見的多邊棱鏡材料，鋁鍍鎳后再拋光，不但光潔度 高而且經(jīng)久耐用。 4.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計 4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計 激光測徑儀數(shù)據(jù)處理部分結(jié)構(gòu)為圖 4-1 所示,包含光電信號放大、整形、變換及計 數(shù)電路、單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 25 圖 4-1 數(shù)據(jù)處理部分結(jié)構(gòu)圖 圖 4-2 波形圖 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 26 2、數(shù)據(jù)處理原理 圖 4-2 是光電管的輸出波形圖。當(dāng)

65、工件沒有置于掃描區(qū)時，光電管之輸出信號為 圖中之 A1 所示。當(dāng)放入被測工件時，光電管信號在光束掃描測件的時間內(nèi)降為零，如 圖中 A2 所示。從光電管上輸出的信號經(jīng)過放大整形，削去了前后沿，如圖中之 B1 及 B2 所示。B1 是無測件的情況，B2 是有測件的信號。信號 B2 送到脈沖分離電路中，經(jīng) 過脈沖分離、整形后輸出被測件脈沖，如圖中 C2 所示。掃描脈沖如圖中 D 所示。顯然 D 這個脈沖與測件是否存在無關(guān)。然后把 C2 送到測件計數(shù)器門中，用它來開關(guān)從晶體 振蕩器出來的高頻脈沖，只有當(dāng)測件脈沖出現(xiàn)時，高頻脈沖才能通過門進(jìn)到測件計數(shù) 器中，如圖中 E 所示。高頻脈沖數(shù)與測件直徑成正比。

66、 同時，從脈沖分離器選擇出來的掃描信號送到掃描計數(shù)器中，在這里累計掃描次 數(shù)。當(dāng)掃描次數(shù)等于預(yù)先給定的某數(shù)時，便產(chǎn)生一個脈沖送到延時電路中，經(jīng)延時電 路產(chǎn)生兩個復(fù)制脈沖(f，G)分別作選通信號和置數(shù)清除信號，執(zhí)行電路的邏輯功能， 實現(xiàn)電路的一次測讀過程。 因此，數(shù)碼管顯示的數(shù)是高頻脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)并不是一次掃描被測件，而是 M 次掃描所對應(yīng)的脈沖數(shù)之平均值，可以消除被測件振動所造成的讀數(shù)誤差。 另外，電路采用同步供電的方式，它選用 10MHz 的晶體振蕩器作為基頻，利用晶 體振蕩源經(jīng)分頻器分頻到 50Hz，用以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 由式(2-23)可以看出， 決定于電機(jī)轉(zhuǎn)速 n、光學(xué)系統(tǒng)焦距 f、晶體振蕩頻率 等三個基本參數(shù)。、n、f、r 四個參數(shù)之間是相互聯(lián)系又相互制約的。系統(tǒng)設(shè)計時， 一般來說要首先選定 。 的選擇，一般是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方便性選定。當(dāng) 選定 后，根據(jù)所選用的電機(jī)，n 也是一定的。所以光學(xué)系統(tǒng)參數(shù) f 和電學(xué)系統(tǒng)參數(shù) 就要 在已確定的咨與 n 的約束情況下，根據(jù)本身的內(nèi)在因素與系統(tǒng)的要求來確定。在某種 意義上， 是聯(lián)系光學(xué)的、機(jī)械與電學(xué)的參數(shù)的一個關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。 設(shè)