謝文龍，王可，戴佳卉

測(cè)量條件對(duì)激光三角測(cè)距器測(cè)量精度的影響

謝文龍，王可，戴佳卉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870)

激光三角測(cè)距器作為一種非接觸、高精度的檢測(cè)儀器，其工作環(huán)境、安裝方式、測(cè)量條件等因素對(duì)測(cè)量精度的影響限制了其在石油管螺紋測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)這一問題，本文結(jié)合實(shí)際螺紋測(cè)量情況，通過大量實(shí)驗(yàn)探究濾波方式、測(cè)距器移動(dòng)速度、方向、反射鏡面積等因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)廓型的影響，分析產(chǎn)生誤差的機(jī)理，并確定出合理的測(cè)量方案，為螺紋在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

螺紋檢測(cè);激光三角測(cè)距器;測(cè)量條件

0 前言

石油管螺紋的在機(jī)檢測(cè)是繼脫機(jī)檢測(cè)后的又一次測(cè)量技術(shù)突破，它大大提高了檢測(cè)效率，降低了生產(chǎn)成本［1］。目前，采用激光三角測(cè)距儀作為測(cè)量?jī)x器是螺紋在機(jī)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［2－4］，它具有精度高、響應(yīng)快、無測(cè)量力等特點(diǎn)。然而，目前國(guó)內(nèi)的學(xué)者將激光三角測(cè)距器應(yīng)用于內(nèi)外螺紋的檢測(cè)尚處于測(cè)試研究階段，可以應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中的成功案例少之又少，究其原因是由于測(cè)量精度受測(cè)量條件的綜合影響所導(dǎo)致［5，6］。本文結(jié)合實(shí)際測(cè)量情況重點(diǎn)分析濾波條件、檢測(cè)速度、檢測(cè)方向、反射鏡面積等四個(gè)測(cè)量條件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，比較激光三角測(cè)距儀測(cè)量數(shù)據(jù)的具體差異，確定出最優(yōu)的測(cè)量方案。

1 激光三角法測(cè)量原理

三角激光測(cè)量法的測(cè)量原理如圖1所示，激光測(cè)頭1發(fā)射激光經(jīng)過會(huì)聚透鏡2照射到被測(cè)物體表面3上，形成光斑即為圖中的O點(diǎn)，光線再由被測(cè)物體表面發(fā)生反射經(jīng)過接收透鏡4，匯聚到光敏元件探測(cè)器5(如CMOS)上，此時(shí)光敏元件接收到測(cè)量數(shù)據(jù)，得到的光斑即為圖1中的O'所示。當(dāng)物體表面廓形發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)致入射光沿入射光軸移動(dòng)，便會(huì)出現(xiàn)如圖所示的X方向位移變化，其所成的像在探測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的位移，即為圖中的x'，通過相移和位移之間的關(guān)系可以計(jì)算出物體廓形改變的真實(shí)值［7］。

圖1 激光三角法測(cè)量原理Fig.1Laser triangulation principle

如圖所示，α是成像光軸與被測(cè)面法線之間的夾角，β是探測(cè)器成像表面與成像光軸之間的夾角，參考面是測(cè)量系統(tǒng)讀數(shù)為零的基面，s和s'分別是物距和像距。以上提到的數(shù)據(jù)均為激光測(cè)頭的固有參數(shù)，確定測(cè)頭型號(hào)即可確定以上參數(shù)。為了滿足完美聚焦，設(shè)計(jì)光路必須滿足斯凱普弗拉格條件(Scheimpflug Condition):成像面、物面、透鏡主面必須相交于同一直線［8］，系統(tǒng)由此可以計(jì)算出輸入輸出的函數(shù)關(guān)系式:

由式(1)即可通過已知的x'計(jì)算得到x的值，實(shí)現(xiàn)了廓形測(cè)量與數(shù)據(jù)讀取過程。

2 測(cè)量條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

2.1 濾波方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

本實(shí)驗(yàn)所利用的測(cè)頭控制器本身具有低通濾波與高通濾波功能。所謂濾波是指對(duì)被測(cè)物體輪廓掃描中出現(xiàn)的特定波段頻率去除的一種信號(hào)處理方式，它的作用是抑制或者消除特定波段頻率對(duì)期望信號(hào)的影響，從而提高測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度、降低測(cè)量誤差［9］。本實(shí)驗(yàn)中分別加入了高通濾波與低通濾波功能，判斷這兩種方式是否對(duì)測(cè)量信息的采集有利，同時(shí)找出最優(yōu)的斷路頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 低通濾波與高通濾波數(shù)據(jù)Fig.2Low pass filtering and high pass filtering data

由圖2可以看出，高通濾波無法有效地讀取螺紋數(shù)據(jù)，低通濾波可以得出螺紋牙廓形，相對(duì)于直接測(cè)量來說可以濾掉一部分雜點(diǎn)。經(jīng)不同的斷路頻率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:低通濾波斷路頻率在較低的斷路頻率(10 HZ量級(jí))時(shí)會(huì)使螺紋牙廓形發(fā)生改變，曲線接近于正弦曲線，不是所測(cè)量的梯形螺紋的實(shí)際牙廓形，低通濾波斷路頻率較高(100 HZ量級(jí))時(shí)，可以有效地濾除部分雜點(diǎn)。2.2測(cè)距器移動(dòng)速度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

測(cè)距器的移動(dòng)方式是沿著螺紋錐面平行移動(dòng)的，其目的是為了保證激光測(cè)頭在一次對(duì)刀找到最優(yōu)起測(cè)點(diǎn)之后可以始終保持與被測(cè)物體表面的距離基本不變(只有螺紋牙頂與牙底之間的距離變換)，避免出現(xiàn)由于超出量程或是在量程極限處測(cè)量而導(dǎo)致的測(cè)量誤差等問題。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明:測(cè)量過程中，測(cè)距器的移動(dòng)速度從200 mm/min至600 mm/min各種速度情況下的測(cè)量結(jié)果并無本質(zhì)區(qū)別，均可以得到良好的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于生產(chǎn)加工中所需的檢測(cè)效率來說，完全可以滿足使用要求，真正做到了高效檢測(cè)。

2.3 測(cè)距器移動(dòng)方向?qū)y(cè)量結(jié)果的影響

如圖3所示，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)內(nèi)外石油管螺紋，該機(jī)構(gòu)由一面45°的反射鏡改變光路走向，可以實(shí)現(xiàn)探入螺紋內(nèi)孔中的檢測(cè)過程。測(cè)距器沿著螺紋表面可能的移動(dòng)方向如圖3中箭頭所示。

人為規(guī)定測(cè)頭沿圖3所示箭頭方向中的由2向1方向移動(dòng)為正向測(cè)量，由1向2方向移動(dòng)為反向測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:反向測(cè)量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟點(diǎn)與雜點(diǎn)情況較多，不能夠獲得良好的螺紋廓形;正向測(cè)量方向?yàn)楹侠硪苿?dòng)方向，可以清晰的獲得螺紋牙廓，因此選取正向測(cè)量方式為工作方式。

圖3 測(cè)頭移動(dòng)方向示意圖Fig.3A schematic diagram of the head moving direction

圖4 不同方向測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4Comparative experimental data in different directions

2.4 更改反射鏡面積對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

為了驗(yàn)證反射鏡的面積大小及鏡片的橫縱方向是否會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來影響，本文用遮光材料沿著各個(gè)可能影響螺紋檢測(cè)結(jié)果的方向遮擋鏡片，對(duì)比試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5反射鏡單側(cè)遮擋Fig.5Unilateral occlusion of mirror

圖5 所示的是利用遮光材料沿反射鏡縱向單側(cè)遮擋，對(duì)比其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與未遮擋時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷該遮擋方向?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的影響。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn):該種遮光方式對(duì)數(shù)據(jù)并無明顯影響，從理論分析出應(yīng)存在由于反射鏡面積的減小而造成的反射光路光強(qiáng)減弱等問題，并未在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中有明顯影響。圖6所示的是利用遮光材料沿反射鏡縱向雙側(cè)遮擋的實(shí)驗(yàn)情況。

圖6 鏡片雙側(cè)遮擋Fig.6Bilateral occlusion of mirror

對(duì)比圖6所示裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:減小反射鏡片不影響光路發(fā)射與接收的鏡片面積，對(duì)激光檢測(cè)螺紋精度的數(shù)值影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于影響光路的發(fā)射與接收的鏡片面積的減少是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大影響，由圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 鏡片橫向遮擋Fig.7Lateral occlusion of mirror

如圖7所示，將遮光材料遮擋在激光返回光路部分，此時(shí)的激光光束在遮光材料表面形成了一束光線，對(duì)比其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):減小影響激光發(fā)射與接收的反射鏡片面積會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。綜上所述:反射鏡面積應(yīng)保證激光光路的發(fā)射與接收部分充分，除該方向以外的反射鏡面積可以適當(dāng)縮小。

3 結(jié)論

本文從濾波方式、測(cè)距器移動(dòng)速度、方向、反射鏡面積四個(gè)方面分析測(cè)量條件對(duì)測(cè)量精度的影響，得出結(jié)論:(1)高通濾波無法獲取螺紋牙型，低通濾波在斷路頻率為100 HZ時(shí)獲得最優(yōu)測(cè)量效果。(2)測(cè)頭移動(dòng)速度在600 mm/min范圍以內(nèi)都可以獲得較好的測(cè)量數(shù)據(jù)。(3)測(cè)頭的移動(dòng)方向應(yīng)選為正向測(cè)量。(4)反射鏡面積應(yīng)保證激光光路的發(fā)射與接收部分充分，除該方向以外的鏡片的面積可以適當(dāng)縮小。根據(jù)以上結(jié)論制定的螺紋測(cè)量方案已成功應(yīng)用于石油管螺紋的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)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．

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［3］王世峰，趙馨，佟首峰，等．基于激光位移檢測(cè)技術(shù)的螺紋檢測(cè)儀研制［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(4):755－758．

［4］王可，董祉序，孫興偉，等．石油鉆桿螺紋廓形參數(shù)在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，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．

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［7］馮俊艷，馮其波，匡萃方．高精度激光三角位移傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀［J］．光學(xué)技術(shù)，2004，25(3):33－36．

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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

謝文龍(1990－)，男，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造技術(shù)。