基于激光测距的三坐标测量系统研究

　　1　引　言

　　当被测工件的数学模型未知或很难直接获取时,就要先对待测轨迹实施布点测量,再把这些指定点的测量数据进行相应的算法处理,从而得到待测轨迹的理想数学模型。如果采用手工点动测量,则存在精度差、对操作者要求程度高以及费时费力等缺陷。研究了应用激光点光源测头的非接触式快速测量系统,它能有效地克服上述缺陷。另外,该方法对目前工程领域广泛采用的接触式测量中存在的测量速度慢、引起目标面的磨损及弹性变形、要进行测头半径的三维补偿等问题的解决也是一个很好的办法。

　　2　系统的组成

　　整个系统的组成框图如图1,主要由以下几部分组成:

　　2.1　激光测头

　　本系统采用了激光点光源非接触式测头,该测头安装在垂直轴上,完成测量信号的提取。测头内置激光发射器和接收装置,接收装置接收由待测工件反射回来的激光。测头测量量程为60mm～100mm,抗震性好,精度稳定,可在50℃温差下正常工作,因而非常适合工厂环境。测量频率有10Hz、 100Hz、1kHz 3种可选,以适应不同响应速度和测量精度的要求。测头输出信号包括一个测量距离的模拟电压量和3个反应测头状态的开关量,其中模拟电压量输出与距离关系如图2所示;3个开关量分别是报警信号、远报警信号与有效测量信号,在系统中利用这3个信号,实现测量的自动控制。

　　2.2　PSD驱动及采样信号处理电路

　　主要由两部分组成:光电位敏元件驱动电路及A/D转换电路与PSD连接在一起,共同安装在激光测头及其控制盒内;PSD的控制电路插在PC机的扩展槽内。它们分别完成光信号向电信号的转换,模拟信号向数字信号的转换以及相应控制信号的传输。

　　2.3　伺服驱动系统和相应的执行机构

　　它们完成测量过程中计算机发出的运动指令。

　　2.4　软件模块

　　它主要完成以下任务:测头运动速度和空间位置控制,采样数据处理以获取3个坐标轴的当前值,测量数据的处理与存储等。

　　2.5　现场总线及其控制器

　　本系统中的CAN现场总线用来连接各硬件模块,以组成一个实时性强的嵌入式控制系统。现场总线具有可靠性高、实时性好、数据传输速率高、连接方便、支持产品多的优点。在进行坐标测量时,待测工件放在工作台上,在相应的控制系统控制下,进行待测轨迹的数据采集。工作台按位置指令运动,只要待测工件被测表面光点在点光源激光测头的测量范围内,PSD驱动装置就可以由伺服电机驱动自由地上下运动。物镜焦点与被测件的距离通过PSD光电耦合器上光点的位置求得,其结果经串行接口送至计算机。计算机就此进行随动控制,使被测表面光点始终保持在物镜焦点附近。