（测试计量技术及仪器专业论文）基于激光位移检测技术的螺纹检测仪的研制.pdf

摘要 针对国内外对内、外螺纹外形检测的特点和难点，本文基于激光位 移检测技术、光栅位移检测技术、精密机械技术和计算机辅助数据处理 技术，提出了一种用于内外螺纹检测的非接触在线检测方法，并且研究 和制造了该螺纹检测系统。文中详细论述了系统的组成、检测原理与方 法、上位机软件的数据处理，分析了系统误差产生的原因和提高精度办 法，并且对测量数据进行了误差分析。 丈中首先对激光位移传感器的检测原理一一光三角原理进行了叙 述，然后简要叙述了光栅位移检测单元的工作原理，接下来详细叙述了 对激光位移传感器的信号采集传输单元的工作原理及实现方法。对螺纹 参数检测的重要方法是对螺纹外形尺寸的进行处理和分析，丈章还对上 位机的软件处理算法进行了简要叙述。在文章的最后部分，论述了螺纹 检测系统的误差来源和提高精度办法，并对测量数据进行了误差处理和 分析。 通过实验和现场应用证明，基于激光位移传感器的螺纹检测系统是 一套行之有效的内、外螺纹检测方案。到目前为止，已经得到螺纹的齿 高、螺距、齿顶角、锥度四项参数，经过进一步算法的研究还可以得到 其它螺纹参数。 关键词：螺纹检测激光位移传感器 数据采样计算机辅助测量 误差分析 a b s t r a c t t h i sd i s 口u i s i t i o na i m sa tt h et r a i ta n dd i f f i c u l t vo fs c r e 、v t h r e a d d e t e c t or b a s e do nl a s e r p r o b i n gd i p st e c h n i q u e 漕r a t i n gd i s p l a c e m e n t i n 印e c t i n gt e c h n o l o g y f i n em e c h a n i c st e c h n o l o g y ，c o m p u t e r r e a l t i m e c o n t r o la n dd a t a p m c e s s i n gt e c h n o l o g y ，ap h o t o e l e c t r i c n o n c o n t a c t i n s p e c t i n gs y s t e m f o ri n s p e c t i n gt h ei n n e ra n do u t e rs c r e 叭h r e a da r c p r e s e n t e d a n dt h e n ，t h es y s t e mw a sf h b r i c a t e d t h ec o n s t i t u t i o n ，o v e r a l l s t m c t u r e ，i n s p e c t i n gp r i n c i p l e ，m a t h e m a t i c sa r i t l m e t i c ，t h ec a u s eo fe r r o ra n d t h ew a y so fi m p r o v i n gp r e c i s i o n ，肌a l y s i so fe r r o ra r ed e s c r i b e di nt h i s a r t i c l e a tf i r s t ，t h i sa n i c l eb r i n g sf o r w a r dd e t e c t o rt e c h n i q u eb a s e do nl a s e r o p t i c a lt r i a i l g u l a t i o nd i s p l a c e m e n t t h e nt h ea n i c l ed 印i c t ss u c c i n c n yg r a t i n g d i s p i a c e m e mi n s p e c t i n gp r i n c i p l e ，f i n em e c h a l l i s ms y s t c m f o l l o w i n gt h e d e t a i l so fs i g n a la c q u i s i t i o nu n i t ，“d e p i c t s 也ed a t ap r o c e s s i n gm a ：c l l e m a t i c s ， i ns u c c e s s i o n ，m eo r i g i no fs y s t e me n d ra n di t si n f l u e n c eo nt h ep r e c i s i o no f s y s t e mi n s p e c t i n ga r ea n a l y s e d a tl a s t ，廿l ec o n c l u s i o no fe r r o ra l l a l y s i si s p r e s e n t e d b ec a p a b i eo fp r o o fb y e x p e r i m e n t s ，t h ed e v e l o p m e n to fs c r e w t h r e a d d e t e c t o rb a s eo nl a s e rp r o b i n gd i s pt e c h n i q u ei se 仃b c t i v ee n o u 时1 a t p r e s e n t ，w eh a v eg o t 1 et o o t ld e p t h ，t h es c r e wp i t c h ，t h ea d d e n d u ma i l g l e a 1 1 dt l l es c r e 伽l l r e a dt a p e l w i t hm o r er e s e a r c ha n dm a t h e m a t i c sa n a l y s i s ，t h e o t h e rp a r a n l e t e r ss h o u l d b ef l g u r e do u t k e yw o r d s ：s c 件w t h r e a dd e t e c t n g i a s e rd i s p l a o 咖e n t 蚴蛐r d a h a c q u 函i t 岫nc a t ( c o m p u t e ra i d e d i k s t )i a p s ea n a i y s i s n 第一章引言 1 1 课题背景 本课题是我实验室与沈阳昊灵达新技术研究所合作，为辽河油田沈 阳采油厂研制的a t i 光电螺纹检测仪的主要部件设备( 昊灵达研究所负 责机械传动机构的研制) 。该整套设备能够具有对油管外螺纹和内螺纹 的一维牙形尺寸检测，并报告螺纹合格与否的功能。本文着重探讨了激 光位移检测螺纹的原理及数据采样方案和数据误差的处理分析。 油管是石油开采的重要工具之一，每根长度约为1o m 左右，两端分 别有内、外锥形螺纹。石油开采时，将油管通过螺纹首尾相连，形成长 距离输油管，通至2 至3 千米的井下。此时，最上端的油管将承受几千 米长油管的重量拉力，可见连接螺纹发挥着重要作用。除此之外，油管 在井下的工作环境也十分恶劣：螺纹连接处一般要承受内外压力、轴向 拉应力、扭矩、弯矩；高温及化学腐蚀。这样，钻井工矿对油管的要求 就变得格外重要：连接螺纹是否能够连接可靠承受足够的拉力一防脱 滑，是否能够承受足够的压力一一防泄漏，是否能够反复拆卸使用一一 防粘扣。为保证油管的使用效能，确保内、外螺纹的可靠连接，对油管 螺纹的加工检验及再利用检验就变得十分重要。 目前，对内、外螺纹的检测，国内、外业内人士都提出了多种检测 方法，但走多都已接触式检测手段为主，按触式测量方法都有测量精度 差、费时耗力、对检测人员要求高等问题。由于螺纹标准件的参数多， 并且通常又是大批量生产，很难做到逐项参数的单项检测，因而多以综 合检测为主。但是随着工业的发展，对螺纹连接的互换性和可靠性要求 越来越高，圆锥管螺纹是油管连接中用于连接和紧固的螺纹。对使用中 的管接内螺纹，既要求保证其旋合性，又要保证一定的连接强度。因此， 既要控制螺纹的尺寸，也要控制螺纹的形状和位置误差。这一点比普通 螺纹要求高，由于传统的综合测量方式虽可控制内、外螺纹的可旋入性， 但对其连接强度和可靠性的控制在一定程度上不能严格满足特殊场合 的要求。因为具有较大的螺距误差、牙型半角误差及其它形状误差的零 件，都可用中径公差来补偿。即通规能通过，止规能止住的内、外螺纹 虽然可以彼此旋合，但齿侧面接触的情况并不一定十分良好，因此会导 致连接强度下降、可靠性低。所以要对管界内螺纹进行量化测量，同时 考虑到对其它检测参数的要求，我们决定采用基于激光位移传感器的数 据采集处理系统来实现油管的内、外螺纹外形的一维检测。 1 2 激光在非接触检测技术中的应用 非接触检测可以克服接触式检测的不足，对于各种测量目标都可以 提供高灵敏度、高精度、高效率的数据采集，从而实现对被测物各种参 数的非接触测量。它不会造成被测表面的划伤和损坏，对各种材料制成 的工件皆可实现测量。非接触检测的最大优点是在被检测物体加工过程 中便可实现测量。非接触检测的最大优点是在被测物体加工过程中便可 对其进行测量，即在线实时检测，从而实现对加工过程的控制，降低废 品率，可大大节省检测时间，提高生产效率，这是接触式检测方式所无 法比拟的。 目前，非接触检测主要以激光检测和红外探测为为代表，而激光检 测技术是最先进应用最广泛的检测技术之一。可实现高精度、高效率、 非接触在线检测。对于解决国防及民用工业生产中的产品零件检测难题 起到了及其重要的作用。 激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的不同。他利用受激 发射原理和激光腔的滤波效应，使所发光波具有一系列新的特点，主要 是： ( 1 ) 光束发射角小，即方向或准直性好； ( 2 ) 单色性好： ( 3 ) 光亮度好。 基于激光的这些优点而形成了各种激光检测方法，主要有：激光干 涉法、激光扫描法、光纤法、激光三角法等。 1 、激光干涉法 从迈克尔逊设计的第一台干涉仪至今，干涉法一直是精密测量长度、 位移的有效手段。激光光源的应用彻底克服了单色光源对干涉仪的限 制。光电转换器件和电子技术的发展及应用改变了传统干涉条纹的处理 方法，外差、准外差、自动记录、电子细分等技术大大提高了干涉信号 的处理精度和速度。 激光干涉技术在光通信、计量等领域内应用十分广泛，特别是在微 电子、机器人、机械工程等众多的领域内进行高精度长度量测量时，激 光干涉法是最常用的，目前还没有可替代的高精度测量方法。 2 、激光扫描法 激光扫描法主要用于测量工件的几何尺寸，如长度、厚度、外径等。 它以h e n e 激光器或半导体激光器为光源，通过一个旋转的多面体( 通 常为八面体或十六面体) 将激光束自上而下扫描到被测物体上，经光电 接收器的转换、数据处理，从而得出所测结果。这种方法的优点是测量 速度快，可实现在线测量，而且不受被测件的温度、测量场所的光线等 环境因素的影响。在国内外检测缺陷、进行图像识别及图像处理技术中 颇受青睐。 3 、光纤传感 光纤传感技术是近几年发展很- 映的一门新兴技术。光纤传感器能实 现“传”和“感”的结合；体积小、重量轻、抗电磁能力强、灵敏度高、 易柔性弯曲，可远距离观察和遥测，在某些特殊场合，如测量区域小， 无法安置较大的侧头时，用光纤传感器使可以轻而易举地实现测量。这 是常规的传感器所无法比拟的。近几年研究开发的多束多模光纤传感 嚣，不仅解决了光纤测量的“死区”问题，而且使测头小型化，因而被 广泛应用于各种测量当中。 4 、激光三角法 激光三角法是以经典的光学三角原理为基础，当物面移动时，由于 位移方向与接收光路光轴成一夹角，故称光学三角法。激光的应用使激 光三角测量以其非接触、精度较高、响应较快、抗干扰能力强、工作距 离失、可测各种材质、且构造简单等优点而受到广泛重视。近年采，在 原有理论的基础上，不断对激光三角测头进行改进设计，以提高其测量 精度，因而，广泛应用于汽车、拖拉机制造业；航空、航天工业中的平 面度、匾度、直线度、跳动等形位误差，物体表面粗糙度以及各种管形 件的内膛尺寸等的检测。随着计算机及电子技术的不断发展，其测量正 向着高精度，高速度，实时输出，实时控制的方向发展。 本课题所研制的“基于激光位移传感器的螺纹检测系统”即采用了 激光三角法技术，并且结合现代传感技术、光栅技术、计算机辅助数据 处理技术，来实现螺纹主要尺寸的检测目的。可以适用于内、外螺纹牙 顶角、齿高、螺距、锥度测量，对机械结构进行改进后还可以对各种圆 度、椭圆度、各种厚度、槽深以及物体表面轮廓等几何量进行高精度测 量。 1 3 国内外研究现状 对于各种不通的螺纹它们都有共同的基本参数，如螺距、导程、螺 纹升角、理论齿高、中径、顶径等。而有一些参数对于某种螺纹是相当 重要的，因此在实际生产中产生了许多测量单项指标的测量方法，例如 测量螺纹中径d ，螺距p ，牙型半角和犬、小径等。用到的测量方法主 要有机械接触法和光学测量法。机械接触法测量有两种形式：一种是纯 机械接触测量法，如利用万能量具和附属装置进行测量；另一种是利用 机械接触形式进行定位，而测量数据则利用光学等其它手段获得。这些 单参数测量都是利用螺纹齿型和几何量具之间的几何关系，推导计算出 测量结果并进行误差分析。例如用插头量具、螺纹千分尺或机械接触法 测量仪测量普通外螺纹的申径。其中，三针法测量螺纹中径是一种普遍 而且常用的方法。三针法首先在美国开始，后来逐渐在英国、德国等一 些国家采用。直到今天仍被用作螺纹中径测量中比较精确的机械测量 法。对这一方法在数学上的各种运算，主要是英国的汤姆林生、德国的 勃恩特、鲍赫曼以及日本的两角晴氏等进行分析。三针法是数学分析赫 实际测量技术相结合的一种精密测量方法。因此，三针法在测量螺纹中 径领域中得到了广泛应用。另外，还有用钢丝弹簧夹圈测量另外中径的 方法。光学测量方法所用的量仪大多是工具显微镜、万能测量显微镜、 万能测长仪，或与之结构相类似的量仪。它们可以对螺纹的螺距、牙型 角、中径、大径和小径等进行测量。其特点是测试设备、装置精密、复 杂；数据处理繁琐，对测试环境要求较高。 以上对单参数测量进行了简单的介绍。单参数测量非常重要，可用 于工艺分析。如分析各参数的工艺精度，主要参数对作用中径的影响以 及误差分配规律等。此外，有的螺纹如千分尺螺纹和定位螺纹，由于使 用上的特点要求强调个别参数精度。但是在螺纹的生产制造中，用螺纹 量规进行综合检验来判定产品的合格性是行之有效的方法。这种方法操 作灵活、简单，而且适用面广，特别适合生产现场进行抽测。在实验室 和生产中常用的量规有螺纹千分尺、螺距规和内径千分尺等。 通过对螺纹的测量仪器和装置以及测量原理分析我们不难看到，外 螺纹的单参数测量方法以及测量设备和仪器人们研究得比较多，分析得 比较透彻。但是对内螺纹特别是锥管内螺纹的测量方法、原理的研究不 多。这主要是因为内螺纹处在管道的内壁上，测量仪器不易操作，而且 对测试仪器的几何约束严格、苛刻，给研制、开发新的测试设备带来很 大的困难。 辽河油田沈阳采油厂的测试对象除属圆锥外螺纹外还有圆锥内螺 纹，所以又对圆锥内螺纹参量测试方法又进行了进一步的研究和考察。 圆锥螺纹是一种连接紧密，气密性良好的连接螺纹。圆锥螺纹装配容易， 能得到过盈配合，从而保证密封的良好效果。圆锥螺纹主要广泛应用于 管道的连接，特别是石油工业中开采、钻探用的钻杆，输送管道等均离 不开圆锥螺纹，而且圆锥螺纹的精度直接影响输出流量的准确性。因此， 上个世纪七十年代初，荚国的n p l ，美国的n b s ，德国的p t b 和日本计 量研究所，开展了大型圆锥螺纹测量仪器的研制工作。目前，各国及国 际标准化协会都有相应的圆锥螺纹标准。其中，美国石油协会标准a p l 在世界各国石油工业中应用极为广泛。对圆锥螺纹的综合检测，普遍采 用圆锥螺纹量规。国内外对量规的公差带有严格的规定。对于单参数的 测量方法也是很多，如圆锥内螺纹中径的测量有三球量法、用带球形测 头的测量器具测量、汤姆林生测量法、比较测量法以及各种光学测量方 法。 随着生产的发展和大型自动化生产设备的普遍应用，测试技术也是 日新月异。现代测试已经逐渐从实验室单件检测发展到生产现场成批大 量检测。而且现代化的生产、经营、管理也要求不断从生产现场得到产 品的质量情况，协助决策即时对质量问题采取对策。特别是计算机和现 场总线技术的融入，更使现代化测量技术迅速发展。基于以上观点，螺 4 纹测试设备还可以按照应用场合分为两类，一类是实验室测试设备，一 类是现场测试设备。实验室测试设备精密、复杂、环境条件要求高，对 检测人员技术要求也较高，而且测试设备加工精度高，日常维护工作也 需精心安排。而现场测试设备则要求体积小、重量轻、易于安装测试， 更重要的是现场测试设备要有较强的抗电磁干扰能力，较大的温度、湿 度适应范围，较强的抗机械冲击能力，以及对操作人员的误操作要求有 一定的使设备不受损害的智能化保护措施。从提高生产效率的角度来 讲，螺纹检测设备还要能够自主测试，自我调整，并有较高的容错- 胜， 能对油管进行成批大量检测的能力，及时发现螺纹的缺陷、损坏情况， 对每一批的螺纹检测后有记载螺纹的检测结果以及对人工的指导性意 见。 在现场自动测试这方面，螺纹检测特别是内螺纹自动检测在国内外 研究的比较少，成形技术也很少，现场自动检测装置基本上还处于空白。 综上，内、外螺纹在线检测的研究在国内外还比较新颖，研制出后技术 领先，有很大的研究和开发价值。 第二章激光位移传感器工作原理 2 1 激光位移传感器的测量原理 激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统，它具有适应 性强、速度快、精度高等特点，适用于检测各种回转体、箱体零件的尺 寸和形位误差。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用，能够准确 快速地测出表面的形状与轮廓。它克服了接触式检测中的诸多缺点，既 提高了检测速度，又保护了被测工件表面免受划伤及防止测头变形。 激光位移传感器设计采用了光三角测量原理，如图2 1 所示： 图2 1 垂直照射式光三角法位移检测原理图 激光位移传感器工作时，半导体激光器发出的高斯光束经发射光学 系统厶会聚在被测物体表面d ( 被测点) ，从而形成一很小的散射光宽， 接收成像光学系统厶则将其成像在c c d 的光敏面0 点处，当被测物体 表面相对测头的位置发生变化时，即光斑由。点移动到d i 或d 2 点时 r， 其共轭像点也必然发生变化，即由o 相应的移动到d ，和( ) ：处，而且 ， 为使d 1 和o ，仍均能够成像在c c d 光敏面上，则必须满足s c h i e m p f i u g 条件，即要求成像光学系统的像平面、竞斑所处的物平面和成像光学系 统主平面三者相交于一条直线，也就是要使激光发射光束轴线与成像系 统主平面投影和c c d 的光敏面投影相交于一点c 。如图2 2 所示。 c d i 图2 2 物像关系图 如上图所示，设光敏面与成像透镜光轴之间的夹角为驴，激光发射 光束轴线与成像透镜光轴之间的夹角为0 ，则根据三角关系可得出下列 等式成立： 辔伊：拿增口 ( 2 1 ) d - 在此条件下，图2 2 中的各参数乏间根据三角形的相似定理就不难 得出下列关系式： 当光斑由d 点移动至0 0 点时 卟面 整虢驴丽等d os l n 妒+ 爿ls l n 【+ 妒) 当光斑由d 点移动到q 点时 耻面赫 整醌跏丽 ( 2 4 ) 由上列各式表明了光斑随被测物面位置的变化，当光斑由0 点移至 0 2 点时，其成像点由d 移至q 其中有精确的变化关系，其关系曲 线如图2 3 所示。 以一吐s i n 目 咕 s 血( 曰+ 锄 口一嘞s n l 伊 i | s 缸( 目+ 鲫b刁 a- 0 5 a0i l 0 5 aa ，一 一0 5 b _ b 图2 3 物像位移关系曲线图 该曲线为非线性函数，因此只有当被测物面相对于基准点。作小范 围变化时，才可近似按照线性处理。 从上面的论述可知：当入射光斑沿激光束入射方向移动时，其成像 点在焦平面内沿直线轨迹移动，方程( 2 2 ) 和( 2 4 ) 均可描述物像位移 规律；激光束轴线、成像接收光学系统主平面及焦平面三者相交于一点 c ，这是光三角检测原理的前提条件。 2 2 成像光学系统放大倍率的讨论 为满足精密测量的需要，通常通过提高_ ；受4 量系统的分辨率来改善测 量精度，系统的检测分辨率取决于系统的放大倍率，与系统的机构参数 也有密切的关系。c c d 的放大倍率p 就是图2 4 中曲线的斜率，其数学 表达式可由微分求得为： p2 等2 舔赫 s ， ，j一-一 i ( 珞 l d s i n 口s s i n ( 口+ 妒) 1 2 由上式可知，光电位置传感器( c c d ) 的p 不仅与其结构参数d 。、d ，、 f 、口有关，而且是像位移s 的函数，其函数关系如图4 4 所示。 p 以s i n9 s 血( 一+ 卿 生竺望 s ： ，口上，n 、 图2 4 成像系统放大倍率曲线图 由于p = ，( s ) 为非线性曲线，所以当入射光斑由参考点d 向o 。移动 时，成像系统的放大倍率不断增大，分辨率不断提高；相反，入射光斑 由参考点d 向o ，移动时，成像系统的放大倍率不断减小，分辨率不断 下降。由图2 4 可知，成像系统参考点处的放犬倍率对于第一象限来说， 它是最小值，而对第二象限来说则为最大值。因此，在确定传感器( c c d ) 的结构参数时，不能盲目地以参考点处的放大倍率作为依据，必须首先 确定被测物体表面的变化范围。若被测物体仅在d d l 范围内，则只需计 算参考点在。处的放大倍率，若该处的放大倍率符合测量精度的要求， 则在整个范围内都能达到要求；若被测物体在d d ，范围内，只要确保0 ， 点处的放大倍率满足测量要求，则在整个测量范围内就都能满足精度要 求。由图2 4 及方程式( 2 4 ) 可知光学测量的特 生曲线是非线性的，其 根本原因在于物像共轭点间的放大倍率是变化的。当在其测量范围较小 时，可以近似认为是线性的。则有： j1 喀妒= = 留p = 二辔口 ( 2 7 ) 口，p 由式( 2 3 ) 和( 2 5 ) 可推导，当位移量h 很小时，可得推广的下式： s = 掣日= p 粤唑h = 足 ( 2 8 ) d ns l n ps l n 口 其中置= p s i n p ，s i n 妒，这是一个常数。这也说明在小位移测量中。 s h 呈线性关系，但是在实际测量中，对于任一给定的h ，其s 由式( 2 3 ) 或式( 2 5 ) 决定，s h 实际并非线性关系，定义二者之差为，则有： ： 堡墅旦皇 一p h 塑( 2 9 ) d os i n 妒s i n ( 口+ 伊) s i n p 定义p 为线性偏差，则有： p = 吆旷一而丽高蔫 由上式可以看出，在巩、一、h 、口不变的情况下，p 越小，尸越 小；在d o 、d ，、日、p 不变妁情况下，秽越大，p 越小；在h 、j d 、移不 变的情况下，巩、吐越大，p 越小；在p ，矗、d ，、口不变的情况下， 片越小，占越小。由此可知，在光三角位移测量中可以通过缩小测量范 围、增大成像光学系统的放大倍率，可达到近似线性的测量结果。 激光位移传感器即是应用了光三角原理来设计制造的，而本螺纹检 测系统的关键设备则应用了激光位移传感器。 第三章螺纹检测系统 3 1 系统概述 通过对螺纹各种测试设备综合研究发现，各种测试设备都是以螺纹 的中心轴线纵向截面齿形为主要研究对象，然后推导出所测量参量与待 测螺纹参数之间的数学关系。也就是说，获取这一齿形的信息是本测量 装置的核心任务。 对于内、外螺纹的测量，需要精密位移平台进行匹配，具体工作方 式如下：为了精确的描述内、外螺纹的物理尺寸，排除伺服平台的伺服 不均匀性影响，伺服平台采用光栅尺进行闭环伺服控制，光栅尺经过信 号处理后，将单位微位移转换为脉冲电信号，中央控制系统接收到光栅 尺送来的脉冲，系统进行一次采样，这样可以提高测量精度。 本螺纹检测装置在检测不同的螺纹( 内螺纹和外螺纹) 的情况下， 传感器的机械固定方式有所不同，如图3 1 所示， 图3 1 内外螺纹检测传感器固定方法图示 步进电机带动激光位移传感器沿油管中心轴线x 轴方向运动，与此同 时光栅尺有每经过固定位移输出的方渡脉冲，而控制器的主控m c u 工作 于该脉冲产生的中断程序中，每产生一个中断信号即对激光位移传感器 输出的模拟量进行一次采集并传送给上位机，从而使上位机获得此时y 轴方向上的信息。 对于内螺纹的检测，由于被测内螺纹的油管直径限制，不能将传感 器伸入油管内径中，所以辅助简单的光学系统来实现对内螺纹的测量。 其原理示意图如图1 所示。将位移传感器平放在精密位移平台靠近被测 螺纹一端。使传感器输出的主动光源与被测油管中心轴线平行。位移平 台在测量内螺纹时，有一个细长机械延伸支架，此支架与光电位移传感 器严格垂直，并且能够深入螺管内部。在延伸支架的顶端，放置光学三 角棱镜，主动光源入射到棱镜斜面上，并被反射到内螺纹被测表面形成 散射斑。设计好棱镜支架的长度，使光斑到达传感器的距离在8 5 唧附近。 被测表面的光斑通过漫反射将光再次反射回光学角镜，激光传感器中的 c c d 检测系统接收到棱镜上的漫反射光信号，这样就可以完成对螺纹内 表面进行精密测量。 这样，上位机每获得一个y 轴方向上测量到的数据时，即可知道该数 据与上一个数据在x 轴方向上相差一个固定的位移( 本项目使用了2 0 u j n 栅距的光栅尺) ，这样，使用n 对x 轴、y 轴数据就不难合成某一截面的齿 形。 随后，对这n 个数据进行合理的判断、滤波、分段找到各齿面的直 线段部分，进一步求出直线段部分的交点并计算出几个基本参数，再计 算出导出参数，最后进行误差补偿，把测量数据存入数据库，一个完整 的测量周期结束。 如图3 2 所示，为激光位移传感器检测外螺纹的实物图： 图3 2 激光位移传感器检测外螺纹实物图 如图3 3 所示为系统组成的示意简图，整个系统从功能上采分，由 以下几个部分组成： ( 1 ) 由激光位移传感器和其控制器组成的位移信号测距单元。 ( 2 ) 以高速高精度模数转换芯片为主的模数转换单元。 ( 3 ) 以精密位移控制器和光栅尺组成的闭环伺服控制单元， ( 4 ) 以单片机为核心的中央控制单元。 ( 5 ) 以协议转换芯片为主的r s 一2 3 2 c 和r s 一4 8 5 协议转换单元。 ( 6 ) 由普通p c 机或工控机担当的上位机软件数据处理分析部件。 图3 3 螺纹检测系统组成示意图 3 2 光栅位移检测单元 光栅位移检测系统是采用莫尔条纹的测量方案，分辨率高、测量精 度高、便于数字化，便于倍频细分，对于生产现场经常出现的电磁干扰 有较强的抗干扰陛。通过光电信号变换、整形、计数、微机处理就可以 实现直线位移的高精度测量。光栅主尺安装在平移台的水平面上，读数 头安装在计算机的控制面板上，实现对激光扫描系统的直线运动位移的 测量。 3 2 1 光栅位移检测基本原理 将标尺光栅和指示光栅重叠在一起，并使他们的刻线之间形成一个 很小的交角口如图3 4 ( a ) 所示。由于遮光效应，在黑白色光栅相交 处，刻线聚集较密，形成暗带；其它地方，刻线较希，形成亮带。这种 在光栅垂直方向上出现的明暗相间的每纹就称为莫尔条纹。两条暗纹之 问的距离祢为莫尔务纹间距，用b 表示。 胆g 图3 4 莫尔条纹形成原理图 根据图3 4 ( b ) 莫尔条纹间距b 与栅距和夹角曰有如下关系 占：些! ! 。丝：堡i 3 1 ) s i n ( 目2 ) 口，2口 。 由式( 3 1 ) 可知，两光栅刻线交角口越小，莫尔条纹间距b 越大。 莫尔条纹与两光栅刻线间的夹角p 的平分线近似垂直，当标尺光栅和指 示光栅的交角口保持不变而相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移 动。光栅移动了缈2 栅距时，莫尔条纹由亮条纹变成暗条纹，光栅再 移动2 栅距时，莫尔条纹则由暗条纹变回亮条纹。因此，光栅移动一 个栅距b ，同时，在指示光栅上的光敏元件接收到一次光脉冲的照射， 并相应输出一个电脉冲。通过计数电脉冲数目，就可以测量标尺光栅移 动的位移七，即 x = ，矿( 3 2 ) 式中f 一电( 光) 脉冲的个数。 由式( 3 1 ) 可知，只要保持光栅刻线交角口足够小，就能获得足够 大的，放大了的莫尔条纹间距占 矽，因此，通过读莫尔条纹的数目 即光栅数目，来测量标尺光栅的位移，比读光栅刻线方便的多。 实际上，莫尔条纹从亮条纹到暗条纹，以及从暗条纹到亮条纹得变 化不是阶跃性的，而是逐渐过渡的。图3 5 给出了移动的标尺光栅相对 不动的指示光栅移动一个栅距时，光敏元件接收的光照强度也经历了 一含周期的变化，即由暗一弱一半亮一亮一半亮一弱一暗变化一次，如 果光栅再相对移动一个栅距，则光强度再周期性的变化一次。光强度的 周期性变化使光敏元件的输出也同步周期性变化，其输出波形近似于正 弦波形，可用下式表示： “= 十u 。s i n ( 2 积，矿) 上式中砜一输出信号的直流分量；u 。一交流信号的幅值。 图3 5 光敏元件对应光栅强度变化所输出的波形图 上图表示了光敏元件的输出随光栅强度变化而变化的规律。光强变 化一次所需要的时间与光栅位移一个栅距所需的时间时相同的。为了辨 别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号时不行的，必 须有两个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。因此，在指 示光栅上安装两个光敏元件、疋，安装位置如图3 6 所示，两个光敏 元件相距b 4 ，这样，他们的输出“。、相差9 0 。标尺光栅向左或向右 移动时，莫尔条纹则相应的向上或向下移动，如果我们能够辨剐莫尔条 纹时上移还是下移，那么我们就知道标尺光栅移动的方向了。 由图3 6 可见，当莫尔条纹下移时，l 先感知莫尔条纹，而后感 知莫尔条纹，落后 。9 0 。两个光敏元件的输出经过整形后送入辨向 电路。辨向电路时一个逻辑电路，如图3 7 ： 嘲。嘲