小直径轴管类零件圆度激光在线检测技术研究

陈善奇，翟 华，2，刘 洋，宥抟睿

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 合锻研究院，安徽 合肥 230009）

1 引言

激光检测技术具有非接触、无损伤以及检测速度快等优点，在零件尺寸、形位误差的检测中发挥出越来越重要的作用。

已有工作针对小尺寸零件在线检测问题，采用杠杆接触式系统进行测量[1-3]，由于杠杆接触式系统部件尺寸相比零件本身要大很多，相应自动化输送装置较大，设计存在困难，难以形成批量生产。本文提出的基于激光三角测量法的圆度et在线检测系统，能够准确测量出工件半径变化量，结构简单、运行平稳，适用于小直径轴管类零件圆度在线检测。

2 激光三角测量原理

本文选用基于激光三角测量原理制造的松下HL-G1型激光位移传感器，分辨率0.5μm，测量范围±4mm，安装位置在距被测工件中心30mm处，入射激光束光斑直径100μm。其测量原理如图1所示，激光发生器1发射出激光束经过准直透镜2垂直照射在被测工件表面3，漫反射光经过接收透镜5落在光电接收器6上，被测表面位置的不同，相应反射光线在光电接收器的位置也会发生变化，由光电接收器上像点相对基准的位移量为x，根据激光三角测量原理可得出被测表面相对传感器参考零点的距离y。

式中：f——接收透镜焦距；

L1——光学测量系统像距；

L2——光学测量系统物距；

α——反射光线与法线之间的夹角；

β——反射光线与光电接收器之间的夹角。

图1 激光三角测量原理

3 激光在线检测系统设计

本文设计的小直径轴管类零件圆度在线检测系统如图2所示。主要由三圆定心式夹紧机构，松下HL-G1激光位移传感器和工作台组成。测量过程中可利用工作台对传感器的位置进行调节使其达到理想的工作位置。采用三圆定心式夹紧机构对被测工件进行夹紧和定位，工件2由三圆定心式夹紧机构上的主动端轴承6和从动端轴承5支撑，通过主动轮4和从动轮1夹紧，电机通过主动轮4带动工件2匀速旋转。激光位移传感器3测得的数据进过A/D转换输入给PLC，由PLC处理测量数据并将检测结果显示在触摸屏8上。

夹紧机构运动的控制和测量数据的采集处理由SIEMENS S7-1200 PLC来完成，检测结果显示在SIEMENS KTP600 Basic PN触摸屏上，不同工件的参数可由触摸屏输入到PLC中，方便了对检测过程的监测。该测量系统具有抗干扰能力强、测量精度高等特点，适用于小直径轴管类零件的非接触在线测量。

图2 小直径轴管类零件激光在线检测系统

4 检测系统的误差分析

激光位移传感器中光学部件误差主要来源于球差、慧差、象散、场曲和畸变等，会使实际成像点偏离理想成像点，需要通过制造工艺消除或减小误差。除光学部件误差以外，影响测量精度的因素还有被测工件表面特征、测量环境以及激光束光斑形状。本文主要研究被测工件表面特征对测量精度的影响。

4.1 被测工件表面颜色

松下HL-G1型激光位移传感器的测量光源为波长655nm的红色激光，因此必须要考虑不同颜色的工件在测量时对红色入射激光的吸收情况。如果被测工件表面的颜色对激光的吸收率比较高，则当入射激光线照射在工件表面时，会有很大一部分激光被物体表面吸收，导致光电探测器接收的光斑强度减弱，影响光斑中心位置的判断，从而出现较大的测量误差。特别是在测量表面有颜色交替的工件时，往往由于不同颜色表面对激光吸收率的不同，使得测量结果在颜色交替处有较大波动，降低了测量数据的准确度。当物体表面的颜色为蓝绿色时，对波长在650～750nm的红色光线的吸收效果最好，所以当采用的激光位移传感器输出为红色激光线时，不适合对表面为蓝绿色的工件进行高精度测量。轴类零件表面大都为灰色或者经表面处理后为黑色，黑色对光的吸收率较大，造成光电探测器接收的光斑强度减弱，对测量结果影响很大，应避免对黑色工件表面进行测量，必要时可对工件表面的颜色进行处理，提高测量精度。

4.2 被测工件表面粗糙度和光泽

在实际测量中，被测工件表面的粗糙度和光泽会影响反射光斑的形状和能量分布，从而影响激光位移传感器的测量结果。通常情况下，如果被测工件表面相对光滑或者光泽比较明亮，采用直射式激光三角法测量时需注意正反射光对测量结果的影响，因为如果被测工件表面相对光滑和明亮，测量光斑中正反射成分会增大而漫反射成分相对会减小，正反射光对于测量来说是一种干扰信号，会造成测量结果的不准确。当被测工件表面粗糙度过大，则入射光线照射在工件表面凹凸处时，会引起测量光斑的形状发生变化，破坏测量光斑的均匀性，导致测量光斑的能量强度分布出现多峰和毛刺，造成光电接收器输出信号的紊乱。测量物体表面其他条件不变的情况下，表面粗糙度值在0.4～3.0μm范围内对激光位移传感器的测量精度影响不大[4]。因此，当被测工件表面粗糙度Ra≤3.2时，可忽略其对激光位移传感器测量结果的影响；当被测工件表面粗糙度Ra≥3.2时，若测量工件的振动或者微小位移，可事先对工件表面进行处理，减小其粗糙度值再使用激光位移传感器测量，也可以采用误差补偿法对测量数据进行处理，消除表面粗糙度对测量结果的影响。

4.3 被测工件表面倾斜

在激光三角法测量过程中需要保证被测工件表面法线方向和入射激光线的方向相一致，当入射激光线照射点的法线方向和激光入射方向不一致时则称被测工件表面发生了倾斜，其夹角称为倾斜角。由于被测工件表面倾斜角的存在，使得漫反射光空间分布发生变化，接收透镜在单位时间、单位立体角内接收到的光能发生变化，导致光电探测器上捕捉的光斑光能质心和光斑几何中心不一致，造成三角法测量公式的理论计算结果和实际测量结果不一致[5]。通常情况下，采用直射式激光三角法测量的工件表面往往都相对粗糙，可将其视为理想的漫反射表面，因此可用朗伯定律来描述被测工件表面漫反射光的分布情况，激光位移传感器接收的测量光斑光能E可表示为[6]：

式中：I0——测量时入射激光在测量点处沿法线方向的漫反射光强；

R——激光位移传感器接收透镜的半径；

a——光学测量系统的物距；

β——入射激光线与工件表面测量点法线的夹角；

x——被测工件表面的实际位移；

α——被测工件表面倾斜角。

从式（2）可以得出：

（1）当被测工件位移x保持不变时，则由工件表面倾斜所产生的位移偏差会随着倾斜角α的增大而增大，并且位移偏差的正负和倾斜角α的方向保持一致。

（2）当被测工件表面倾斜角保持不变时，则由工件表面倾斜所产生的位移偏差会随着工件位移x的增大而增大。

因此，为了减小激光传感器由于被测工件表面倾斜而带来的测量误差，可以从两个主要方向着手考虑。首先，在采用直射式激光三角法测量斜面时，可以将激光位移传感器斜置安装，使得入射激光线和被测表面法线尽量垂直，大大减小了由被测工件表面倾斜所带来的测量误差。本文设计的小直径轴管类零件激光在线检测系统，专门设计了一个径向微调工作台，可使激光位移传感器在测量前根据被测轴的大小沿径向调节，从而调整到最佳测量位置；其次，在采用直射式激光三角法测量表面倾斜的工件时，应将激光位移传感器用在测量微小位移上，避免测量有较大位移的工件，从而减小由于倾斜角所带来的测量误差，小直径轴管类零件表面径向跳动量往往均在0.08mm以下，因此激光位移传感器所测得的径向位移量均很小。

5 实验验证

在CJA40-20M型自动校直机上应用激光在线检测系统，可实现小直径轴管类零件非接触在线检测，检测系统如图3所示。实验所采用的工件为尺寸φ14mm×160mm的管零件，表面较光滑，颜色为灰白色。

图3 实验装置图

测量时，伺服电机带动被测工件匀速转动一圈，PLC及时记录触摸屏上显示的测量结果，如此对工件同一截面进行9次实验。检测完成后，将工件取下，使用千分表再对工件同一截面上的圆度进行测量，记录测量结果。将两种方法测得的结果进行比较，比较结果如表1所示。

表1 圆度误差对比测量结果

表1激光在线检测系统重复检测可达5μm，精度测量结果与千分表测量结果有所差别，但基本一致，误差在4μm左右，分析原因主要可能是两种方法所测得工件截面不能完全对应所致。

6 结语

小直径轴管类零件圆度激光在线检测系统，响应速度快，能够缩短检测时间，提高检测效率。非接触测量，不损伤工件表面质量，检测系统也不会因测量头的磨合而降低精度[7]。实验表明，检测系统重复检测精度可达4μm，可以满足8mm～20mm中小直径的轴管类零件非接触在线检测任务。

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