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激光位移傳感器在角度測(cè)量中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
引言
角度測(cè)量[1, 2]是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分,特別是微小角度的測(cè)量在精密加工、航空航天、軍事和通信等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。對(duì)于角度的測(cè)量可以分為接 觸式和非接觸式測(cè)量,近年雖然非接觸式測(cè)量角度雖然逐漸成為主流,但是要獲得高精度的角度測(cè)量值,則仍需要采用接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量是測(cè)量頭與工件表面 的某一個(gè)點(diǎn)接觸進(jìn)行測(cè)量,沿著工件形狀進(jìn)行掃描,可在短時(shí)間內(nèi)高密度地獲得大量點(diǎn)數(shù),測(cè)量點(diǎn)數(shù)越多,越能獲得更為正確的形狀參數(shù),主要采用三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測(cè) 量。非接觸測(cè)量則有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),如,測(cè)量速度快,與工件非接觸,這可以避免對(duì)工件的劃傷。
本文只探討非接觸式光學(xué)測(cè)量方法,對(duì)于光學(xué)測(cè)角方法,除了大家熟知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外,常用還有光電編碼器法、衍射法、圓光柵法、激 光干涉法等。這些方法中的很多方法在小角度精密測(cè)量中已經(jīng)成功應(yīng)用,并得到了較高的測(cè)量精度和測(cè)量靈敏度,通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可對(duì)360°整周角度進(jìn)行測(cè) 量。
激光位移傳感器是一種高精度測(cè)量位移的傳感器[3],本文將其應(yīng)用在角度測(cè)量中來,實(shí)現(xiàn)高精度角度的測(cè)量。
1激光位移傳感器測(cè)量角度原理
步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激光位移傳感器向右移動(dòng),傳感器每前進(jìn)一步,激光位移傳感器可以得出一個(gè)距離值,最終可以掃描出二面角的形狀。
圖2給出了激光位移傳感器測(cè)量角度的基本原理圖。所求角度由直線A1和A2組成,激光位移傳感器沿著x軸向右移動(dòng),可以測(cè)量出多個(gè)距離值,最終可以求出A1和A2的斜率,從而求出夾角θ=α1+α2,如果求出2條直線的斜率分別為k1和k2。
為了討論方便,現(xiàn)在只討論單邊的測(cè)量,即設(shè)A2的斜率為無窮大,此時(shí)可以得到A1與y軸的夾角。 x方向采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激光位移傳感器向前移動(dòng),精度可以很高,實(shí)驗(yàn)中采用的是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)位移傳感器前進(jìn)100mm,測(cè)量的數(shù)據(jù)為65536個(gè)數(shù)據(jù),因 此,步長(zhǎng)很小,則單步的精度會(huì)很高,如果不考慮軸的影響,那么,所有誤差都可以歸結(jié)為y值的誤差。采用如下的回歸方程[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合從而求出A1的斜率：
式中N為測(cè)量的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。這樣可以求出斜率和測(cè)量的偏差。
采用誤差傳遞中的“方和根”法可以求出最終θ的誤差值。
2激光位移傳感器角度測(cè)量精度估計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量
實(shí)驗(yàn)室測(cè)量角度的裝置包括步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)軌、激光位移傳感器。步進(jìn)電機(jī)徑向跳動(dòng)為0. 02mm,軸向跳動(dòng)為0. 1~0. 3mm;激光位移傳感器參考距離為80mm,測(cè)量距離為±15mm,采樣頻率為50 kHz,測(cè)量精度為0. 3μm。步進(jìn)電機(jī)步距通過定標(biāo)算出為1. 636641μm。
2.1激光位移傳感器測(cè)量角度的理論精度
首先,采用上面的參數(shù)進(jìn)行精度估計(jì)。通過Matlab程序隨機(jī)地產(chǎn)生數(shù)據(jù),用以模擬不同角度時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù),為了更結(jié)合實(shí)際一些,將y的精度減小 10倍,其中把步進(jìn)電機(jī)的誤差也折算到y(tǒng)上,圖3給出不同角度測(cè)量時(shí)的精度,精度的求法采用的是蒙特卡洛分析方法,在不同角度上大量產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù),模擬多 次測(cè)量過程,最終求出精度。
2.2激光位移傳感器對(duì)工件的測(cè)量
從測(cè)量的數(shù)據(jù)來看,該工件表面光潔度不是很好,特別是工件2#,工件1#各面還存在凹坑,角度有嚴(yán)重的磨損。為了更精確的測(cè)量出角度,首先需要采用一些方法去除粗大誤差,由于數(shù)據(jù)量比較大, 3σ準(zhǔn)則比較適用。
根據(jù)上面的算法和Matlab程序計(jì)算出,工件1#的角度為108. 663±0. 002°,工件2#的角度為111. 578±0. 004°,工件2#的精度比工件1#的精度低,符合上面的測(cè)量數(shù)據(jù)。它們的精度折合成秒時(shí),精度在10″左右,低于理論精度。
2.3影響精度因素分析
首先是激光位移傳感器本身的精度影響,因?yàn)榧す馕灰苽鞲衅髟诓煌恢锰幍臏y(cè)量精度是不一樣的,溫漂、電壓的變化都會(huì)影響到測(cè)量精度[5]。
工件本身的特性也會(huì)影響測(cè)量精度,如工件的光潔度不好,會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)起伏不定。工件非常光滑,會(huì)導(dǎo)致漫反射光很弱,探測(cè)器接收到的光很少,甚至接收不到,因?yàn)榇藭r(shí)主要是正反射。
實(shí)驗(yàn)中固定架由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)向前運(yùn)動(dòng),因此,步進(jìn)電機(jī)精度間接影響著測(cè)量精度。理論上,步進(jìn)電機(jī)在固定距離上分的步長(zhǎng)越小,精度越高,但實(shí)際 上,步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)都是有一定負(fù)載的,細(xì)分?jǐn)?shù)越大,細(xì)分電流就越小,步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩越小,這樣會(huì)導(dǎo)致有的步距很大,有的步距很小,甚至停不下來,因 此,應(yīng)該選擇最佳的步距,同時(shí)通過對(duì)斬波電流的調(diào)整提高步進(jìn)電機(jī)精度[6]。
非常重要的一個(gè)影響測(cè)量準(zhǔn)確性的因素是激光位移傳感器測(cè)量方向與導(dǎo)軌的不垂直性。
測(cè)量方向與y軸有一個(gè)夾角α(規(guī)定安逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正),如果左邊直線斜率為k1,大于零,右邊直線斜率為k2,斜率小于零。
因此,計(jì)算到得角度和精度值都會(huì)明顯變化。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
