【正文】 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。本設(shè)計(jì)選用兩個透鏡組成的負(fù) 正型結(jié)構(gòu)，如圖 25 所示。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。 θ 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。同時為了形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 1/4~1/6。 在 F 數(shù)較小時， θ 和?都不可能大，特別是為了獲得均勻大小的光點(diǎn)尺寸，常?？紤]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。但是大的 θ 角也會給物鏡設(shè)計(jì)激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 帶來困難 ， 而且 θ 受掃描器性能限制。 2） θ 和 ? 在掃描范圍一定的情況下 ，盡可能用大的 θ 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。 ?θ 透鏡與普通透鏡的區(qū)別見圖 24 所示，圖 24 中比較 ?θ 透鏡與普通透鏡的 H與 θ 之間的關(guān)系，隨著 θ 的增大，兩者之間的差別越來越明顯，在線性地保持掃描角度和掃描位置關(guān)系方面， ?θ 透鏡起到了重要的作用。 ?θ 透鏡的區(qū)別 如圖 23 所示，設(shè)透鏡焦距為 ?掃描角度為 θ ，普通透鏡如 圖校正了 畸 變，其像 高為 : ?tanH ?? f （ 28） 將此式兩邊對時間 t 求導(dǎo)，那么有 : dtdse cdtdH 2 ?? ???? f （ 29） 圖 23 通透成像情況 由此可見，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。另外，由衍射光斑直徑公式d= /NA 可知，只有光源的波長 λ 較短，才能獲得足夠小的光斑，因此我們選擇波長為 λ =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。 3） 壽命長 :使用壽命約為 10000 小時。半導(dǎo)體激光器除具有超小型、高功率、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn) : 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 1） 啟動電壓低 :半導(dǎo)體激光器只需要 26V 的電源電壓，而 HeNi 激光器則需要1500v 的高壓才能啟動。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。所以成為激光掃描檢測系統(tǒng)故障率最高的器件。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，影響激光器壽命，激光器壽命只有 2021~5000 小時，國產(chǎn)激光器壽命更短。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。早期的激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)，均采用氦氖 (HeNi)激光器做光源。我們設(shè)計(jì)了一種?θ透鏡，其成像特性可由下式給出 : H=?θ (24) 式中 :H—— 像高； ?—— 焦距 ； θ —— 入射光與光軸的夾角 (rad)。并且由式 (23)可以看出，準(zhǔn)直誤差也是轉(zhuǎn)角 φ 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。 由式 (22)可知在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，掃描速度是 φ 的函數(shù)，及掃描速度 v 隨 φ 角的變化而變化，并 且 不是常數(shù)。 2） 掃描光束應(yīng)和光軸保持平行。 到此為止我們對激光掃描法作了深刻的剖析，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。 從式 (21)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 (22)又表明實(shí)際掃描速 度 v 并不等于理論掃描速度 2?ω ，而是隨著 φ 的變化而變化的，并與 ω 、 R、?、θ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)。但是由于光學(xué)系統(tǒng)本身的固有特性，實(shí)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。f為掃描光學(xué)系統(tǒng)焦距。 從 (21)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，實(shí)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(shí)現(xiàn)高精度測量，就必須特殊設(shè)計(jì)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。 t (21) 式中， v 為掃描速度； t為有效信號時間。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 (21)式給出 : D=v178。 。 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。 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。 總體結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 16 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 基本功能和主要技術(shù)指標(biāo) 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。 原理 構(gòu) 圖如下 圖 15 激光測徑儀原理圖 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(jì)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 接口電路； 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 5） 上 位計(jì)算機(jī) (PC 機(jī) )、 打印機(jī)、顯示器 CRT。若掃描速度為 V，掃描時間為 t，則被測工件的尺寸 D為 D=v178。1 .0μm 177。 177。1 .0μm 177。 177。 和 不等 ，測量精度 已 達(dá) ? 。 測量 范圍在 至 236mm 不等 ，分辮率為 177。特別是近年來取得了 一系列的研究成果。 我國 激光測徑 技術(shù)的研究 起步比較晚， 但發(fā)展迅速。 ， 美國 BetaLaserMike 公司設(shè)計(jì)的型號 510195 激光掃描測徑儀 ，其測量范圍為 ，重復(fù)性精度 。 38mm，取樣速度為 2400 次 /s，當(dāng)測量范圍為 時，測量精度達(dá) 177。 ，外型尺寸為 179。 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。由于非接觸的特點(diǎn) ， 對被測對象無任何干擾 ， 因此非常適合熱的、軟的和運(yùn)動的被測對象。 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。 Precise structure。 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 laserscanned diameter gauge ABSTRACT Laser scanning caliper gauge is an online detection system, which integrates many modern technologies such as laser, electronics, puter, 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 signals by a photoelectric transformation system. The electrical signals are realtime processed by a puter 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 of a laserscanned 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, noncontact detection, the closedloop control etc. It is pletely suitable for online detection of the diameter size of a rotary parts especially for hot, soft and movement tested objects. Key words : Laser scanning。 論文 論述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(jì) ,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。 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題 目： 激光掃描測徑儀 的 系統(tǒng)設(shè)計(jì) （英文）： System design of a laserscanned 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： 2021 年 6 月 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 激光掃描 測 徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理，給出測量結(jié)果，并數(shù)字顯示。 本設(shè)計(jì) 具有 檢測速度快、精度高、非接觸檢測、閉環(huán)控制等特點(diǎn) ,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(yùn)動的被測對象。 Measurement accuracy。 Single chip processor激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 目錄 ........................................................................................................................................ 1 前言 ................................................................................................................................... 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................................................... 1 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu) ............................................................................................... 3 系統(tǒng)工作原理 .......................................................................................................... 3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) .........................................................................................................