【正文】 陶 瓷 。 多 面 體反 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(duì) 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 形 位 公 差 予 以 嚴(yán) 格 的 限 制 。本 儀 器 采 用 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 反 射 鏡 掃 描 方 式 ， 通 過(guò) 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 。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 。 （214）]2/cos1[R）（ ????廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14 圖 27 非線性誤差示意圖但 它 也 有 以 下 優(yōu) 點(diǎn) ：1)掃 描 角 度 大 ， 通 常 可 大 于 30176。在 掃 描 過(guò) 程 中 ， 多 面 體 的 各 小 平 面 反 射 面 繞 多 面 體 中 心 O 旋 轉(zhuǎn) ， 如 圖 27 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(shuō) 不 是 勻 角 速 度 ， 掃 描 軌 跡 必 然產(chǎn) 生 非 線 性 誤 差 。 目 前 以 旋 轉(zhuǎn) 多 面 體 掃 描 應(yīng) 用 最 廣 泛 。激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13 多 面 體 反 射 鏡 掃 描 器 件 的 選 擇激 光 掃 描 無(wú) 論 是 哪 種 方 式 都 需 要 有 光 學(xué) 掃 描 器 。 由 上 式 可 以 看 出 :f 越 小 ， d 就 越 小 。 根 據(jù) 透 鏡 的 性 質(zhì) 知 道 ， 平 行 光 經(jīng) 過(guò) 透 鏡 后 的 會(huì)聚 點(diǎn) 并 不 是 一 個(gè) 理 想 點(diǎn) ， 而 是 一 個(gè) 衍 射 斑 ， 其 直 徑 d= /D， 式 中 ， f 為 會(huì) 聚透 鏡 焦 距 ； λ 為 激 光 波 長(zhǎng) 。光焦度分配應(yīng)注意兩點(diǎn)：首先應(yīng)滿足總光焦度要求，其次是平像場(chǎng)。它可使像方工作距較長(zhǎng)，物方工作距短，從而使結(jié)構(gòu)緊湊且又易于操作。一般透鏡片數(shù)越多，所能達(dá)到的精度指標(biāo)也越高。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。廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12 ?θ 設(shè)計(jì)要求 1）結(jié)構(gòu)類型 ?透 鏡 的 通 光 口 徑 要 根 據(jù) 測(cè) 量 范 圍 、 被 測(cè) 件 的 振 動(dòng) 幅 度 以 及 中 心 位 置 的 可 能 移 動(dòng)范 圍 選 取 定 。實(shí)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 θ，同時(shí)滿足掃描器范圍的要求，由此確定 ?。 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。激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11圖 24?θ 透 鏡 與 普 通 透 鏡 的 區(qū) 別 ?θ 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(diǎn) 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 。對(duì) ?θ 透 鏡 而 言 ， 為 得 到 一 定 的 掃 描 速 度 ， 像 高 必 須 為 : (210)???fH這 樣 ， 對(duì) 時(shí) 間 t 微 分 的 結(jié) 果 為 (211)?ff2dtt其 中 ω 是 掃 描 元 件 恒 定 的 角 速 度 ， 這 樣 要 求 ?θ 透 鏡 要 故 意 產(chǎn) 生 正 畸 變 ， 當(dāng) 掃 描角 度 θ 增 大 時(shí) ， 實(shí) 際 像 高 比 幾 何 光 學(xué) 確 定 的 理 想 像 高 要 小 ， 是 它 的 θ /tanθ 倍 ，其 線 畸 變 為 : (212))tan(tanH?????????fff其 相 對(duì) 畸 變 量 為 : (213)%10taDr具 有 式 (213)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(shí) ，在 焦 面 上 的 掃 描 速 度 就 是 等 速 的 ， 由 于 此 透 鏡 的 像 高 等 于 ?θ ， 故 常 簡(jiǎn) 稱 為 ?θ 透鏡 。本系統(tǒng)采用揚(yáng)州聯(lián)創(chuàng)光電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 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(zhǎng)：635nm 出瞳功率：1—40mW工作電壓：DC 3V——5V 運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)式調(diào)制頻率：0—1MHz 使用壽命：≥1 萬(wàn) 小時(shí)接口電平：TTL 電平光斑直徑：最小光斑直徑≤Φ1mm光束發(fā)散度：— 光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)鍍膜玻璃透鏡工作溫度：10℃～+60 存儲(chǔ)溫度：40℃～+80 ℃激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9圖 22 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ?θ 透 鏡 的 設(shè) 計(jì)激 光 掃 描 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 動(dòng) 態(tài) 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 想 要 獲 得 微 米 級(jí) 的 測(cè) 量 的 精 度 ， 就 必須 采 用 具 有 良 好 動(dòng) 態(tài) 特 性 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 一 般 采 用 ?θ 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(wèn) 題 。 正 由 于 半 導(dǎo) 體 激 光 器 具 有 上 述 特 點(diǎn) ， 所以 在 本 系 統(tǒng) 中 我 們 選 擇 半 導(dǎo) 體 激 光 器 作 為 光 源 。2） 電 能 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 :半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 與 HeNi 激 光 器 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 相 比高 得 多 。 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 。近 年 來(lái) ， 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 。 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(jì)8附 近 導(dǎo) 體 產(chǎn) 生 放 電 現(xiàn) 象 ， 從 而 使 激 光 器 損 壞 。 這 種激 光 單 色 性 好 ， 發(fā) 散 角 小 于 2mrad， 光 束 直 徑 Φ lmm， 可 以 直 接 用 于 激 光 掃 描檢 測(cè) 系 統(tǒng) 。 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 ， 使 氣 體 放 電 。 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(diǎn) ，是 高 精 度 測(cè) 量 的 理 想 光 源 。 要 想 獲 得 微 米 級(jí) 的 測(cè) 量 精 度 ， 就 必 須 設(shè) 計(jì) 出 具 有 良 好 動(dòng) 態(tài)特 性 的 特 殊 光 學(xué) 系 統(tǒng) 。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(diǎn) 、 回 轉(zhuǎn) 中 心 和 光學(xué) 系 統(tǒng) 的 焦 點(diǎn) 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?cos1KR??f3）其 中 ， K= ， 這 就 意 味 著 掃 描 光 束 不 是 從 掃 描 透 鏡 的 焦 點(diǎn) 射 出 的 掃 描?22sinco?光 束 ， 不 和 光 軸 平 行 ， 因 而 存 在 準(zhǔn) 直 誤 差 。激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè) 要 求 。 激 光 掃 描 法 必 須 滿 足 兩 個(gè) 條 件1） 掃 描 速 度 應(yīng) 是 均 勻 的 。 可 見 ， v 和 t 都 不 是 絕 對(duì) 獨(dú) 立 的參 數(shù) 。 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( csocs]in)(sin[ 22 ???????(22)ν——掃 描 速 度 ；R——掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 內(nèi) 切 圓 半 徑 ；ω——掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 角 速 度 ；?——掃 描 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 焦 距 ；θ——掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 上 激 光 束 的 入 射 角 ；φ——掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 的 角 位 移 。當(dāng) ?、 ω 確 定 后 ， v 為 常 數(shù) 。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(jì)6v=2ω ?式 中 ω 掃 描 轉(zhuǎn) 鏡 角 速 度 。在 v 一 定 時(shí) ， 只 要 測(cè) 出 工 件 遮 擋 掃 描 光 束 的 時(shí) 間 t， 便 可 得 到 工 件 直 徑 尺 寸D， 而 t 可 通 過(guò) 時(shí) 鐘 脈 沖 計(jì) 數(shù) 準(zhǔn) 確 地 測(cè) 得 。（ ） =v 光學(xué)系統(tǒng)分析 激光掃描法 圖 21 激光掃描法原理圖從 圖 中 可 以 看 出 激 光 掃 描 法 的 測(cè) 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(gè) 光 強(qiáng) 調(diào) 制 信 號(hào) 攜 帶 有 被 測(cè) 信 息 ， 經(jīng) 光 電 轉(zhuǎn) 換 與 數(shù) 據(jù) 處 理 ， 即 可 得 到 測(cè)量 值 。5）閉環(huán)控制 采用閉環(huán)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度。3）輸出多樣化 測(cè)量結(jié)果可以直接數(shù)字顯示或接 PC 機(jī)顯示、打印?？傮w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(cè)徑儀的基本功能我們研究的測(cè)徑儀應(yīng)該具備以下功能:1）尺寸測(cè)量 可以對(duì)工件直徑進(jìn)行非接觸的測(cè)量，這也是本儀器目的所在。原理構(gòu)圖如下圖 15 激光測(cè)徑儀原理圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)激光掃描測(cè)徑儀在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理要求，以及測(cè)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)45）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(shí)間為 t，則被測(cè)工件的尺寸 D 為D=v 177。 177。 177。 177。 和 不等，測(cè)量精度已達(dá) 。測(cè)量范圍在 至 236mm 不等，分辮率為177。特別是近年來(lái)取得了一系列的研究成果。我國(guó)激光測(cè)徑技術(shù)的研究起步比較晚，但發(fā)展迅速。 美 國(guó) BetaLaserMike 公 司 設(shè) 計(jì) 的 型 號(hào)510195 激 光 掃 描 測(cè) 徑 儀 ， 其 測(cè) 量 范 圍 為 ， 重 復(fù) 性 精 度 。 外 型 尺 寸 為9138mm， 取 樣 速 度 為 2400 次 /s， 當(dāng) 測(cè) 量 范 圍 為 時(shí) ， 測(cè) 量 精 度達(dá) 177。國(guó) 際 上 一 些 發(fā) 達(dá) 的 工 業(yè) 國(guó) 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(cè)的 成 果 。由于非接觸的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)任何干擾，因此非常適合熱的、軟的和運(yùn)動(dòng)的被測(cè)對(duì)象。這勢(shì)必將使原有的靜態(tài)、接觸測(cè)量轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)、非接觸、在線測(cè)量。 Precise structure。關(guān)鍵字：測(cè)徑儀；激光掃描；測(cè)量精度；精密結(jié)構(gòu)；單片機(jī) System design of a laserscanned diameter gaugeABSTRACTLaser 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