基于时间差法的共焦测头算法改进

　　0　引　　言

　　三坐标测量机[1-3](CMM)自1959年问世以来,经过近30年的发展,已广泛应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高精度测量,以及实物模型数字化和在线质量控制等领域。三坐标测量机主要可分为主机、三维测头、电气系统[3]3部分。激光扫描共焦式测头是光学非接触式测头的一种,其基本原理就是将位移量首先转换为物镜焦平面相对于被测面的偏移量,再由不同的检测元件将这种偏移量转换为光电探测器上光斑强度或大小的变化,进而转换为电量输出的变化。这种测头有很高的分辨力,可达亚微米级精度。天津大学高翔博士[4]提出了一种含参考光路的动态主动调焦的共焦测头,通过测量臂与参考臂的信号比较求得最终所要的位移值。后经天津大学硕士生李智、秦嘉[5-7]等人改进,提出了一种基于时间差法的共焦测头,舍弃了参考光路,简化了机械结构,缩小了测头体积。本文目前所作的工作就是进一步完善这种测头。

　　1　共焦测头研究现状

　　现有测头光路原理如图1所示,当被测表面、激光器、光电接收器处于音叉透镜的共轭位置时,光电接收器接收到的光强最大,检测到的光电信号出现一个峰值电压。若被测表面并不处在共轭位置时,通过音叉的振动调节音叉相对被测表面的距离,使某一时刻物镜聚光点刚好打在被测表面,此时出现光电信号峰值。音叉振动与光电信号的对应关系如图2所示。

　　若能测得音叉此时偏离平衡位置的时间差,则可求得音叉的位移,进而利用透镜成像公式推导出被测表面偏离物镜焦平面的位移。

　　现有测头是基于上述基本原理,但是,在实际提取信号时,是将测量所得的光电信号与音叉激振系统的信号比较,实际的测量就是对图中光电信号峰值点与正弦信号峰值点之间的时间差。两路信号如图3所示。将图2与图3比较可见,音叉激振电路信号并不等于音叉振动图像,而将上述的时间差代入前面所讲述的理论公式就存在一些问题。

　　2　算法改进

　　鉴于上述问题,本文在此提出一种改进。由前面所讲的原理可知,测量光电信号与音叉振动信号同周期,且两个驼峰分别位于振动峰值的两侧对称位置。若能测得两驼峰之间的时间差,就可以相应地对应到音叉振动波形上,进而求得音叉偏离平衡位置的位移。经示波器观察和LabVIEW程序采样测得,光电信号的周期确实稳定,且与音叉振动周期相同。

　　图4所示为用LabVIEW程序采集的光电信号,两个游标之间的时间差即为要求的时间差Δt。音叉振动信号为正弦信号,音叉偏离平衡位置的时间为: