非接触式激光平面检测系统

　　摘 要:传统的接触式平面检测精度低、稳定性差及对对象物检测条件要求苛刻,已逐渐被现代非接触式平面检测所替代。非接触式激光平面检测系统以其高精度、高分辨率及不受对象物材质、颜色或倾斜度的影响等优点,可对任何对象物进行平面检测。介绍系统结构和激光位移传感器的工作机理,并进行平面定性检测和定量检测试验,用OpenGL绘制及拟合三维曲面。试验结果表明,该系统平面检测结果较好地反映出对象物平面起伏情况,并且达到系统的精度要求。
　　关键词:激光位移传感器;非接触式平面检测;平移台控制;OpenGL;三维拟合曲面
　　中图分类号:TP29 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)03-134-03
　　
　　Non-contact Laser Flatness Measurement System
　　LI Xuebao,XU Jun,DENG Linhua,SONG Tengfei
　　(Yunnan Observatory,National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Kunming,650011,China)
　　Abstract:The traditional contact flatness measurement with low accuracy,poor stability and harsh condition of the measured target,which has been increasingly substituted by the modern non-contact flatness measurement.The non-contact laser flatness measurement system can measure the surface flatness of any target without being affected by the material,color or angle of the target,which holds the merits of high accuracy and excellent resolution.The overall structure of the system and the working principle of the laser displacement sensor are presented.The qualitative test and the quantitative test of flatness measurement have been carried on,and 3-D fitting curved surface has been drawn in OpenGL.It is proved that the results of the test reflect the surface undulation situation and reach the precision.
　　Keywords:laser displacement sensor;non-contact flatness measurement;control of X-Y stage;OpenGL;3-D fitting curved surface
　　收稿日期:2009-07-28
　　
　　0 引 言
　　
　　随着科学技术的迅猛发展,具有非接触、高精度、稳定性好、可自动化及易于与计算机相结合等特点的激光位移检测技术在自动检测、机器人视觉、计算机辅助设计与制造等领域得到了广泛的应用,已将逐渐取代传统的接触式检测技术,成为现代检测技术最重要的手段和方法[1]。
　　非接触式激光平面检测系统主要利用激光位移传感器与平台运动控制系统来检测对象物平面平整度。位移传感器用来测量目标物体的距离,按与对象物的接触类型它分为两类:主要有使用差动电压等形式的接触式与使用磁场、超声波、激光等形式的非接触式。由于非接触式激光位移传感器具有高精度表面扫描的特点,系统选择基恩士公司的LT-9001 Series型激光位移传感器,该激光位移传感器可以对任何对象物进行高精密度的位移测定,例如可以对微细工件、粗面工件的高度进行测定,还可以测量电路板上的焊锡以及测定透明体的表面和厚度[2]。平台运动控制系统选择丹纳赫公司的ULTIMAC-G型控制器和二维电动平移台。云南丽江天文工作站2.4 m天文望远镜终端的拼接CCD相机为了得到更清晰的天体图像,将采用该非接触式激光平面检测系统,对拼接CCD相机平面平整度进行检测。
　　
　　1 系统结构与激光位移传感器工作机理
　　
　　1.1 系统结构
　　系统的整体结构如图1所示。从图1可以看出,整个系统由上位机、激光位移传感器和平台运动控制系统三部分组成。激光位移传感器由激光位移控制器、感测头和监视器组成。平台运动控制系统主要由平移台运动控制器、驱动器、电源和二维电动平移台组成。系统的部分设备如图2所示。图2列出了激光位移传感器感测头和二维电动平移台。图3为激光位移传感器感测头测量对象物原理。参考距离根据被测对象物的变化可测量范围为2 mm,基准距离为30 mm,激光位移传感器显示解析度为0.3 μm,线性度达到满量程的0.3%,即精度达到6 μm。
　　图1 非接触式平面检测系统的整体结构图
　　图2 设备图片
　　图3 激光位移传感器感测头测量对象物原理图
　　1.2 激光位移传感器工作机理
　　在激光位移传感器中,激光束通过调整音叉透过高速上下移动的物镜,在受测对象物上聚集为一焦点,同时反射光也会在针孔位置集合为一点,并使受光元件受光,通过测定物镜的具体位置,从而准确地测定目标物离参考位置的距离,并不受材质、颜色或倾斜度的影响。图4为感测头的焦点分别为对准和没有对准对象物时的情况[2]。
　　图4 焦点分别为对准和没有对准对象物的情况
　　上位机与激光位移传感器中的控制器之间通过RS 232串行口进行通信,串口信号格式为:COM1口、波特率9 600、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位,也可以通过手柄控制激光位移传感器中的控制器采集数据[3]。
　　二维电动平移台使用的是步进电机,脉冲信号占空比为50%,运动控制器使用开环控制电动平移台运动。由于平台运动控制系统机械加工精密,该系统无需编码器反馈[4]。上位机与平台运动控制器可以通过RS 232串行口或以太网进行连接,本平面检测系统选择后者。非接触式激光平面检测系统软件界面如图5所示[5,6]。
　　图5 非接触式激光平面检测系统软件界面
　　
　　2 平面检测试验及结果
　　
　　2.1 定性检测
　　系统采用10元人民币的盲文作为目标物进行定性检测实验。二维电动平移台水平面两运动轴方向设为X,Y轴,与水平面垂直方向设为Z轴。表1为采集X,Y轴间隔为1.5 mm的16个进行处理过的、Z轴方向单位为μm的数据。图6中的白色折线与X轴、Y轴围成正方形区域,为平面检测范围。
　　表1 10元纸币平面检测数据
　　Y轴X轴
　　0123
　　0-0.230.8132.5831.45
　　
　　11.520.0431.7930.5
　　231.8832.9031.4331.63
　　332.5131.7532.0631.38
　　图6 纸币平面检测区域
　　采集和处理数据的主要操作步骤是:
　　(1) 将纸币放置在平台上,调整感测头与纸币的距离大约在30 mm左右,直至焦点对准纸币且监视器中显示可变化的读数;
　　(2) 按下人机界面中的Start按钮,平台将以设置好的速度、相邻数据点物理间隔和时间间隔进行移动,直到数据采集完为止;
　　(3) 保存步骤(2)中所采集到的数据,取下纸币,对平台进行复位;
　　(4) 重复步骤(2)操作,采集到的为平台表面离基准线间的距离,为了减小平台表面起伏对纸币表面检测的影响,将步骤(2)中采集到的数据减去步骤(4)中的数据;
　　(5) 将最终所得到的数据进行处理和保存,并利用OpenGL拟合三维图形。
　　数据均值(mean),曲面峰值(PV):mean=1N∑3i=0xi∑3j=0yi,N为数据总个数,PV=max{xi,yi}-min{xi,yi},i=0,1,2,3。经过计算,表1检测数据均值为23.99 μm,PV值为33.13 μm。10元被检测区域三维拟合曲面如图7所示。蓝色的点为16个控制点。图7给出运用OpenGL中非均匀有理B样条NURBS曲面拟合的三维曲面图。从中可以看出,该拟合曲面图较好地反映出对象物实际检测区域平面凹凸起伏的情况。
　　图7 10元被检测区域三维拟合曲面
　　2.2 定量检测
　　系统的仪器定量检测试验方法与定量检测的类似,用CCD相机代替纸币,已知CCD相机的平面度为10 μm。表2为采集X,Y轴间隔为508 μm的16个进行处理过的、Z轴方向单位为μm的数据。
　　表2 CCD相机平面检测数据
　　Y轴X轴
　　0123
　　01.480.581.18-1.22
　　13.26-0.62-1.82-3.32
　　2-0.02-0.02-0.920.28
　　32.08-0.320.58-0.62
　　经过计算,表2检测数据均值为-0.001 25 μm,PV值为6.58 μm。与已知CCD相机平面度相比较,系统的实际检测误差为3.42 μm,达到激光位移传感器的理论精度为6 μm范围内的要求。
　　CCD相机被检测区域三维拟合曲面如图8所示。蓝色的点为16个控制点,该图是运用OpenGL中的非均匀有理B样条NURBS曲面拟合的三维曲面图。
　　2.3 OpenGL拟合三维曲面
　　在OpenGL中,系统采用非均匀有理B样条NURBS曲面来拟合三维曲面。u向p阶、v向q阶的NURBS曲面定义为[7]:
　　S(u,v)=∑ni=0∑mj=0Ni,p(u)Nj,q(v)ωi,jPi,j∑ni=0∑mj=0Ni,p(u)Nj,q(v)ωi,j, 0≤u,v≤1
　　式中:{Pi,j}为构成曲面控制点网;{ωi,j}为权因子;{Ni,p(u),Nj,q(u)}为p阶、q阶B样条的基函数,其节点矢量为[8]:
　　U={0,…,0,up+1,…,ur-p-1,1,…,1},
　　V={0,…,0,uq+1,…,us-q-1,1,…,1}
　　这里r=n+p+1,s=m+q+1。
　　图8 CCD相机被检测区域三维拟合曲面
　　系统运用NURBS拟合三维曲面的主要步骤为[9,10]:
　　(1) 创建NURBS对象,定义NURBS对象函数为gluNewNurbsRenderer()。
　　函数原形:GLUnurbs * gluNewNurbsRenderer(void)。
　　(2) 设置NURBS对象的属性,在OpenGL中,设置Nurbs对象的函数为gluNurbsProperty()。
　　函数原形:void gluNurbsProperty(GLUnurbs * nurb,GLenum property,GLfloat value)。
　　(3) 利用控制点、节点序列等,生成和拟合三维曲面。定义NURBS曲面函数为gluNurbsSurface()。
　　函数原形:void gluNurbsSurface(GLUnurbs*nurb,GLint sKnotCount,GLfloat*sKnots,GLint tKnotCount,GLfloat*tKnots,GLint sStride,GLint tStride,GLfloat*control,GLint sOrder,GLint tOrder,GLenum type)。
　　
　　3 结 语
　　
　　非接触式激光平面检测采用的是集光、机电一体化的测量设备系统,系统中的激光位移传感器是一种代替传统接触式测量的新型位移检测装置,具有分辨率高,线性度高和稳定性好等特点,可实现对对象物的高精度、高可靠性的测量。本文中定性检测试验较好地反映出对象物平面实际起伏情况,定量检测试验结果达到了仪器的理论精度为6 μm范围内的要求。该系统能满足现代化生产和科学研究的需要,具有广阔的应用前景。
　　
　　参考文献
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　　[8]贾桂红.NURBS曲线的直线与圆弧数控逼近算法研究[D].北京:华北电力大学,2004.
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