测量条件对激光三角测距器测量精度的影响

谢文龙，王可，戴佳卉

测量条件对激光三角测距器测量精度的影响

谢文龙，王可，戴佳卉

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

激光三角测距器作为一种非接触、高精度的检测仪器，其工作环境、安装方式、测量条件等因素对测量精度的影响限制了其在石油管螺纹测量领域的应用。针对这一问题，本文结合实际螺纹测量情况，通过大量实验探究滤波方式、测距器移动速度、方向、反射镜面积等因素对测量数据廓型的影响，分析产生误差的机理，并确定出合理的测量方案，为螺纹在机测量系统的设计提供了理论和实验依据。

螺纹检测;激光三角测距器;测量条件

0 前言

石油管螺纹的在机检测是继脱机检测后的又一次测量技术突破，它大大提高了检测效率，降低了生产成本［1］。目前，采用激光三角测距仪作为测量仪器是螺纹在机检测技术的发展趋势［2－4］，它具有精度高、响应快、无测量力等特点。然而，目前国内的学者将激光三角测距器应用于内外螺纹的检测尚处于测试研究阶段，可以应用到生产实际中的成功案例少之又少，究其原因是由于测量精度受测量条件的综合影响所导致［5，6］。本文结合实际测量情况重点分析滤波条件、检测速度、检测方向、反射镜面积等四个测量条件对测量数据的影响，比较激光三角测距仪测量数据的具体差异，确定出最优的测量方案。

1 激光三角法测量原理

三角激光测量法的测量原理如图1所示，激光测头1发射激光经过会聚透镜2照射到被测物体表面3上，形成光斑即为图中的O点，光线再由被测物体表面发生反射经过接收透镜4，汇聚到光敏元件探测器5(如CMOS)上，此时光敏元件接收到测量数据，得到的光斑即为图1中的O'所示。当物体表面廓形发生改变时，导致入射光沿入射光轴移动，便会出现如图所示的X方向位移变化，其所成的像在探测器上也发生相应的位移，即为图中的x'，通过相移和位移之间的关系可以计算出物体廓形改变的真实值［7］。

图1 激光三角法测量原理Fig.1Laser triangulation principle

如图所示，α是成像光轴与被测面法线之间的夹角，β是探测器成像表面与成像光轴之间的夹角，参考面是测量系统读数为零的基面，s和s'分别是物距和像距。以上提到的数据均为激光测头的固有参数，确定测头型号即可确定以上参数。为了满足完美聚焦，设计光路必须满足斯凯普弗拉格条件(Scheimpflug Condition):成像面、物面、透镜主面必须相交于同一直线［8］，系统由此可以计算出输入输出的函数关系式:

由式(1)即可通过已知的x'计算得到x的值，实现了廓形测量与数据读取过程。

2 测量条件对测量结果的影响

2.1 滤波方式对测量结果的影响

本实验所利用的测头控制器本身具有低通滤波与高通滤波功能。所谓滤波是指对被测物体轮廓扫描中出现的特定波段频率去除的一种信号处理方式，它的作用是抑制或者消除特定波段频率对期望信号的影响，从而提高测量仪的测量精度、降低测量误差［9］。本实验中分别加入了高通滤波与低通滤波功能，判断这两种方式是否对测量信息的采集有利，同时找出最优的断路频率，实验结果如图2所示。

图2 低通滤波与高通滤波数据Fig.2Low pass filtering and high pass filtering data

由图2可以看出，高通滤波无法有效地读取螺纹数据，低通滤波可以得出螺纹牙廓形，相对于直接测量来说可以滤掉一部分杂点。经不同的断路频率下的实验数据表明:低通滤波断路频率在较低的断路频率(10 HZ量级)时会使螺纹牙廓形发生改变，曲线接近于正弦曲线，不是所测量的梯形螺纹的实际牙廓形，低通滤波断路频率较高(100 HZ量级)时，可以有效地滤除部分杂点。2.2测距器移动速度对测量结果的影响

测距器的移动方式是沿着螺纹锥面平行移动的，其目的是为了保证激光测头在一次对刀找到最优起测点之后可以始终保持与被测物体表面的距离基本不变(只有螺纹牙顶与牙底之间的距离变换)，避免出现由于超出量程或是在量程极限处测量而导致的测量误差等问题。

实验数据结果表明:测量过程中，测距器的移动速度从200 mm/min至600 mm/min各种速度情况下的测量结果并无本质区别，均可以得到良好的测量结果，对于生产加工中所需的检测效率来说，完全可以满足使用要求，真正做到了高效检测。

2.3 测距器移动方向对测量结果的影响

如图3所示，利用机械结构可以检测内外石油管螺纹，该机构由一面45°的反射镜改变光路走向，可以实现探入螺纹内孔中的检测过程。测距器沿着螺纹表面可能的移动方向如图3中箭头所示。

人为规定测头沿图3所示箭头方向中的由2向1方向移动为正向测量，由1向2方向移动为反向测量，实验数据如图4所示。由图4所示的实验结果表明:反向测量产生的数据丢点与杂点情况较多，不能够获得良好的螺纹廓形;正向测量方向为合理移动方向，可以清晰的获得螺纹牙廓，因此选取正向测量方式为工作方式。

图3 测头移动方向示意图Fig.3A schematic diagram of the head moving direction

图4 不同方向测量的对比实验数据Fig.4Comparative experimental data in different directions

2.4 更改反射镜面积对测量结果的影响

为了验证反射镜的面积大小及镜片的横纵方向是否会对检测结果带来影响，本文用遮光材料沿着各个可能影响螺纹检测结果的方向遮挡镜片，对比试验装置如图5所示。

图5反射镜单侧遮挡Fig.5Unilateral occlusion of mirror

图5 所示的是利用遮光材料沿反射镜纵向单侧遮挡，对比其实验数据与未遮挡时的实验数据，判断该遮挡方向对实验数据造成的影响。经对比后发现:该种遮光方式对数据并无明显影响，从理论分析出应存在由于反射镜面积的减小而造成的反射光路光强减弱等问题，并未在实际实验中有明显影响。图6所示的是利用遮光材料沿反射镜纵向双侧遮挡的实验情况。

图6 镜片双侧遮挡Fig.6Bilateral occlusion of mirror

对比图6所示装置的实验数据可以得出结论:减小反射镜片不影响光路发射与接收的镜片面积，对激光检测螺纹精度的数值影响可以忽略不计。对于影响光路的发射与接收的镜片面积的减少是否对实验结果有较大影响，由图7所示的实验装置进行验证。

图7 镜片横向遮挡Fig.7Lateral occlusion of mirror

如图7所示，将遮光材料遮挡在激光返回光路部分，此时的激光光束在遮光材料表面形成了一束光线，对比其实验结果可以发现:减小影响激光发射与接收的反射镜片面积会对实验结果造成严重的影响。综上所述:反射镜面积应保证激光光路的发射与接收部分充分，除该方向以外的反射镜面积可以适当缩小。

3 结论

本文从滤波方式、测距器移动速度、方向、反射镜面积四个方面分析测量条件对测量精度的影响，得出结论:(1)高通滤波无法获取螺纹牙型，低通滤波在断路频率为100 HZ时获得最优测量效果。(2)测头移动速度在600 mm/min范围以内都可以获得较好的测量数据。(3)测头的移动方向应选为正向测量。(4)反射镜面积应保证激光光路的发射与接收部分充分，除该方向以外的镜片的面积可以适当缩小。根据以上结论制定的螺纹测量方案已成功应用于石油管螺纹的在机检测系统，测量效果良好［10］。

［1］LEECHNIAK Z，WERNER A，SKALSKI K，et al．Methodology of off-line software compensation for errors in the machining process on the CNC machine tool［J］．Journal of Materials Processing Technology，1998，76(1－3):42－48．

［2］佟岩，李琳，唐江涛，等．螺纹多参数检测的发展方向［J］．红外与激光工程，2008，37:227－229．

［3］王世峰，赵馨，佟首峰，等．基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制［J］．仪器仪表学报，2007，28(4):755－758．

［4］王可，董祉序，孙兴伟，等．石油钻杆螺纹廓形参数在机测量系统研究［J］．仪器仪表学报，2016，37(7):1618－1624．

［5］Shiou Fangjung，Liu Minxin．Development of a novel scattered triangulation laser probe with six linear charge-coupled devices(CCDs)［J］．Optics and Lasers in Engineering，2009，47(1):7－18．

［6］Chih-Ching Lo，Chao-Yin Hsiao．A method of tool path compensation for repeated machining process［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，1998，38(3):205－213．

［7］冯俊艳，冯其波，匡萃方．高精度激光三角位移传感器的技术现状［J］．光学技术，2004，25(3):33－36．

［8］王晓嘉，高隽，王磊．激光三角法综述［J］．仪器仪表学报．2004，25(4):601－604．

［9］彭先洪，姚云茂，何共建，等．数字滤波技术在精密测量仪表中的应用研究［J］．国外电子测量技术，2009，28(11):60－62．

［10］王可，戴佳卉，孙兴伟，等．基于激光三角法的石油螺纹在机检测分析［J］．机床与液压，2016，44 (19):70－73．

Influence of measurement conditions on the measurement accuracy of laser triangulation range finder

XIE Wen-long，WANG Ke，DAI Jia-hui
(School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The laser triangulation range finder，as a non-contact and high precision detecting instrument，its working environment，installation methods，measurement conditions and other factors influence its measurement accuracy，which limits its application in the field of petroleum pipe thread measurement．In order to solve the problem，this paper，combined with the actual measurement of the thread，explore the influence of the filter mode，the moving speed，the direction，the area of the mirror and the other factors on the profile of measurement data through a large number of experiments．The mechanism of the error is analyzed，and the reasonable measurement scheme is determined，which provides a theoretical and experimental basis for the design of thread measurement system．

thread measurement;laser triangulation range finder;measuring condition

TH16;TN247

A

1001－196X(2017)01－0061－04

2016－04－06;

2016－05－23

谢文龙(1990－)，男，辽宁沈阳人，沈阳工业大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为现代制造技术。