激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設(shè)計

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1、畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設(shè)文（設(shè) 計）計）題 目： 激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設(shè)計激光掃描測徑儀的系統(tǒng)設(shè)計（英文）： System design of a laser-scanned diameter gauge 院 別： 機電學院 專 業(yè)： 機械電子工程 姓 名： 學 號： 指導教師： 日 期： 2010 年 6 月 廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計摘要摘要激光掃描測徑儀系統(tǒng)是一種基于光學技術(shù)、現(xiàn)代激光、電子學、計算機、精密機械等多學科技術(shù)于一體在線檢測系統(tǒng)。它是用可見激光作為光源，把被測對象的幾何尺寸經(jīng)過掃描光學系統(tǒng)和光電變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號，再由計算機

2、進行實時數(shù)據(jù)處理，給出測量結(jié)果，并數(shù)字顯示。論文論述了激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)的工作原理，并對這類系統(tǒng)進行了總體設(shè)計,最后探討了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度的基本因素及解決方法。本設(shè)計具有檢測速度快、精度高、非接觸檢測、閉環(huán)控制等特點,完全適用于回轉(zhuǎn)體直徑尺寸的在線檢測和控制，尤其是熱的、軟的和運動的被測對象。關(guān)鍵字關(guān)鍵字：測徑儀；激光掃描；測量精度；精密結(jié)構(gòu)；單片機 System design of a laser-scanned diameter gaugeABSTRACTLaser scanning caliper gauge is an on-line detection system, w

3、hich integrates many modern technologies such as laser, electronics, computer, precision machinery technology etc. In the system, visible laser is used as the light source. The informations of the geometric dimension of the tested object are obtained through a scanning optical system and transformed

4、 into electrical signals by a photoelectric transformation system. The electrical signals are real-time processed by a computer and the measurement results are displayed through a digital display in the end. In the paper, firstly the working principle of laser scanning caliper gauge was discussed, t

5、hen an intact system of a laser-scanned diameter gauge was designed and the basic factors which influences the accuracy and stability of the system is discussed and the solving methods were put forward. This system has characteristics of detection speed, high precision, non-contact detection, the cl

6、osed-loop control etc. It is completely suitable for on-line detection of the diameter size of a rotary parts especially for hot, soft and movement tested objects.Key words : Laser scanning; Measurement accuracy; Precise structure; Single chip processor激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計1目錄目錄1.緒論.11.1 前言.11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.11.3

7、 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu).31.3.1 系統(tǒng)工作原理.31.3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).31.4 基本功能和主要技術(shù)指標.41.4.1 測徑儀的基本功能.41.4.2 測徑儀的主要技術(shù)指標.42.高性能掃描光學系統(tǒng).52.1 光學系統(tǒng)分析.52.1.1 激光掃描法.52.1.2 激光掃描法必須滿足兩個條件 .62.1.3 激光源的選擇 .72.2 透鏡的設(shè)計 .92.2.1 普通透鏡和 透鏡的區(qū)別 .92.2.2 透鏡參數(shù)的選擇 .102.2.3 設(shè)計要求.112.3 掃描接收光學系統(tǒng)設(shè)計 .122.4 多面體反射鏡 .122.4.1 掃描器件的選擇 .122.4.2 多面體反射鏡技術(shù)規(guī)格和公差 .

8、142.4.3 多面體反射鏡設(shè)計計算 .152.5 光學元件的尺寸及掃描速度計算.173.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.183.1 主體精密機械系統(tǒng).183.2 反射鏡系統(tǒng)設(shè)計.193.3 透鏡系統(tǒng)設(shè)計 .203.4 工件支架設(shè)計 .203.5 步進電機支架及轉(zhuǎn)鏡支撐件設(shè)計.213.6 步進電機的選擇.213.7 多面體轉(zhuǎn)鏡的工藝設(shè)計.224.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).234.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計.234.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理.234.1.2 信號接收元件選用.264.1.3 硬件電路的設(shè)計.274.1.3 主控器的選擇.30廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計24.1.4 總電路圖.314.1.5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計.32

9、4.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn).334.2.1 主程序.334.2.2 計數(shù)子程序.334.2.3 計算直徑子程序.334.2.4 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序.344.2.5 形成控制步進電機脈沖子程序.345.激光掃描檢測系統(tǒng)的精度分析.355.1 基本參數(shù)對測量精度的影響 .355.2 掃描速度對檢測精度的影響誤差分析.365.3 提高儀器檢測精度的途徑.38總結(jié)展望.39參考文獻.40致謝.42激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計11.緒論緒論1.1 前言前言目前，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐漸向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)軌，測試技術(shù)面臨著越來越多的復雜問題，不但要有較高的測量速度及可靠性,而且還要向自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。這勢必將使

10、原有的靜態(tài)、接觸測量轉(zhuǎn)向動態(tài)、非接觸、在線測量。激光掃描尺寸檢測技術(shù)作為一種非常有效的非接觸檢測方法在國外被廣泛地應(yīng)用于工件尺寸的在線檢測，激光掃描測徑儀采用激光掃描方式，對生產(chǎn)線上回轉(zhuǎn)體被測對象實現(xiàn)高速度、高精度、非接觸測量。由于非接觸的特點，對被測對象無任何干擾，因此非常適合熱的、軟的和運動的被測對象。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀光電檢測技術(shù)是一門實現(xiàn)非接觸式測量的高新技術(shù)，是建立在現(xiàn)代光、機、電、計算機等技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合技術(shù)，所涉及的工程技術(shù)內(nèi)容十分廣泛，激光測徑儀在國內(nèi)外的發(fā)展情況的差距正在逐步縮小。國際上一些發(fā)達的工業(yè)國家起步早，自六十年代就陸續(xù)出現(xiàn)一些光電技術(shù)檢測的成果。在

11、單向激光掃描方面，日本 Kenyence 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，掃描式 LS-7000 系列其測量范圍為 0.3-30mm，測量精度為0.003mm，外型尺寸為325.59138mm，取樣速度為 2400 次/s，當測量范圍為 0.04-6mm 時，測量精度達0.0005mm，重復性精度為0.00006mm，美國 BetaLaserMike 公司設(shè)計的型號510-195 激光掃描測徑儀，其測量范圍為 0.38-50mm，重復性精度 0.O005mm。日本三豐 LSM-500S 測量范圍 0.005-2mm，最小解析值 0.00001m，重現(xiàn)性 0.00003m，在20直線性 0.0003mm，位置誤

12、差 0.0004mm，掃描頻率 3200 回/秒。我國激光測徑技術(shù)的研究起步比較晚，但發(fā)展迅速。從八十年代末、九十年代初國內(nèi)一些單位開始研究激光擔描直徑測量技術(shù)，到目前為止，國內(nèi)有許多企業(yè)均采用激光掃描法研制出測量直徑的設(shè)備。特別是近年來取得了一系列的研究成果。如鄭州明銳電子科技有限公司研制的 LDM 系列激光測徑儀、上海傾技儀器科技有限公司研制的 ETD-05A 激光掃描測徑儀、上海科旗自動化儀表有限公司研制的手持式激光測徑儀、河北激光研究所研制的 JCJ-1 激光測徑儀、長春理工大學采用激光掃描技術(shù)研制的 JSY廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計2系列激光掃描多功能檢測儀、雙光路型和反射型三大系

13、列十余種型號產(chǎn)品。測量范圍在 0.01mm 至 236mm 不等，分辮率為0.01mm、0.001mm 和 0.00001mm 不等，測量精度已達0.001mm。 圖 1-1 LDM25/LDM50 激光測徑儀 圖 1-2 LDM60XY 激光雙向測徑儀 圖 1-3 激光透明管測徑儀 LDM25T 測量范圍 0.1-25mm 精度 0.002mm 分辨率 0.001mm 圖 1-4 手持式激光測徑儀 LDM-01H型 號量 程精 度重復性誤差分辨力LDM-01HA0.010001mm0.5m0.2m0.00001mmLDM-01HB0.010001mm1.0m0.5m0.00001mmLDM-

14、02HA0.010002.5mm0.5m0.2m0.00001mmLDM-02HB0.010002.5mm1.0m0.5m0.00001mm激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計31.3 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)1.3.11.3.1 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用半導體激光器為光源，激光器光束通過多面體掃描轉(zhuǎn)鏡和掃描光學系統(tǒng)后，形成與光軸平行的連續(xù)高速掃描光束，對被置于測量區(qū)域的工件進行高速掃描，并由放在工件對面的光電接收器接收，投射到光電接收器上的光線在光束掃描工件時被遮斷，所以光電接收器輸出的是一個方波脈沖，寬度與工件直徑成正比。若掃描速度為 V，掃描時間為 t，則被測工件的尺寸

15、D 為D=vt (1-1)由于掃描速度由系統(tǒng)參數(shù)確定為，那么工件尺寸就是掃描時間 t 的函數(shù)，式中 t可通過對時鐘脈沖計數(shù)器來準確求得。原理構(gòu)圖如下圖 1-5 激光測徑儀原理圖1.3.21.3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)激光掃描測徑儀在線檢測系統(tǒng)設(shè)計原理要求，以及測量數(shù)據(jù)處理和控制的要求，系統(tǒng)主要有以下幾部分組成:1）由光學機械掃描器的掃描光學系統(tǒng)構(gòu)成的激光掃描發(fā)射器；2）由接收光學系統(tǒng)與光電變換電子學系統(tǒng)構(gòu)成的激光掃描接收器；3）數(shù)據(jù)處理的核心單片機系統(tǒng)；4）D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、反饋、通訊等接口電路；廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計45）上位計算機(PC 機)、打印機、顯示器 CRT。

16、整個系統(tǒng)是一個光學技術(shù)、現(xiàn)代激光技術(shù)、電子學技術(shù)、計算機技術(shù)、精密機械技術(shù)等多學科綜合技術(shù)的自動檢測系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如下：圖 1-6 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖1.4 基本功能和主要技術(shù)指標基本功能和主要技術(shù)指標1.4.11.4.1 測徑儀的基本功能測徑儀的基本功能我們研究的測徑儀應(yīng)該具備以下功能:1）尺寸測量 可以對工件直徑進行非接觸的測量，這也是本儀器目的所在。2）誤差修正 系統(tǒng)誤差可以利用標準件進行修正。3）輸出多樣化 測量結(jié)果可以直接數(shù)字顯示或接 PC 機顯示、打印。4）報警功能 根據(jù)公差帶設(shè)置上、下限，超差時可以提供聲光報警。5）閉環(huán)控制 采用閉環(huán)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度。1.4.21.

17、4.2 測徑儀的主要技術(shù)指標測徑儀的主要技術(shù)指標激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計51）測量范圍: 0.5mm-30mm2）分辮率:0.01mm3）重復性精度:0.002mm。2.高性能掃描光學系統(tǒng)高性能掃描光學系統(tǒng)2.1 光學系統(tǒng)分析光學系統(tǒng)分析2.1.12.1.1 激光掃描法激光掃描法 圖 2-1 激光掃描法原理圖從圖 2.1 中可以看出激光掃描法的測量原理，由于工件被激光掃描而產(chǎn)生光強調(diào)制作用，這個光強調(diào)制信號攜帶有被測信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，即可得到測量值。通常用此原理測量被測工件的直徑 D，此時被測工件直徑值 D 可由(2-1)式給出:D=v（）=vt (2-1)21tt 式中，v 為掃描

18、速度；t 為有效信號時間。在 v 一定時，只要測出工件遮擋掃描光束的時間 t，便可得到工件直徑尺寸D，而 t 可通過時鐘脈沖計數(shù)準確地測得。從(2-1)式看來，系統(tǒng)的測量原理似乎很簡單，只涉及 v 和 t 兩個參量，實際上，激光掃描光學系統(tǒng)是一動態(tài)光學系統(tǒng)，其動態(tài)特性主要取決于掃描速度特性，要想實現(xiàn)高精度測量，就必須特殊設(shè)計具有良好動態(tài)特性的掃描光學系統(tǒng)，下面對它進行討論。系統(tǒng)工作的理論掃描速度 v 為廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計6v=2式中 掃描轉(zhuǎn)鏡角速度;f 為掃描光學系統(tǒng)焦距。當 、 確定后，v 為常數(shù);但是由于光學系統(tǒng)本身的固有特性，實際掃描速度v 并不是常數(shù)，而是激光束光斑沿光學系統(tǒng)

19、主面移動的速度，也就是像高H 隨時間的變化率。由光學原理可推導出其掃描速度特性方程 v 為fR2)2(cos12)2(cos)cos(coscoscos)2cos()(sin)(sinsinv222(2-2)掃描速度；R掃描轉(zhuǎn)鏡的內(nèi)切圓半徑；掃描轉(zhuǎn)鏡的角速度；掃描光學系統(tǒng)的焦距；掃描轉(zhuǎn)鏡上激光束的入射角；掃描轉(zhuǎn)鏡的角位移。從式(2-1)中可以看出，激光掃描檢測系統(tǒng)的直徑測量原理只涉及 v 和 t 兩個參數(shù)，而式(2-2)又表明實際掃描速度 v 并不等于理論掃描速度 2，而是隨著 的變化而變化的，并與 、R、 有關(guān)，當 v0 時，就會引起測量誤差；而且掃描時間也和系統(tǒng)的時鐘頻率、電機轉(zhuǎn)速等有關(guān)。

20、可見， v 和 t 都不是絕對獨立的參數(shù)。到此為止我們對激光掃描法作了深刻的剖析，通過采用激光掃描技術(shù)，能夠把空間尺寸測量轉(zhuǎn)換為脈沖時間間隔測量，從而明顯地提高測量精度和抗干擾性能，它適用于在線測量。2 2. .1 1. .2 2 激激光光掃掃描描法法必必須須滿滿足足兩兩個個條條件件1）掃描速度應(yīng)是均勻的 ;2）掃描光束應(yīng)和光軸保持平行。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計7根據(jù)光學系統(tǒng)的光學行為特性，一般光學系統(tǒng)滿足不了這兩個要求。由式 (2-2)可知在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，掃描速度是 的函數(shù)，及掃描速度 v 隨 角的變化而變化，并且不是常數(shù)。另一方面，由于采用多面體轉(zhuǎn)鏡，掃描光束在轉(zhuǎn)鏡上的反射點、回轉(zhuǎn)中

21、心和光學系統(tǒng)的焦點三者不重合，從而產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，在光軸方向的離焦量由下式給出 : （2-coscos-1KRf3）其中，K=，這就意味著掃描光束不是從掃描透鏡的焦點射出的掃描22sincos光束，不和光軸平行，因而存在準直誤差。并且由式 (2-3)可以看出，準直誤差也是轉(zhuǎn)角 的函數(shù)，所以激光掃描檢測系統(tǒng)也是一種動態(tài)光學系統(tǒng)，其動態(tài)特性主要取決于速度特性和準直特性。要想獲得微米級的測量精度，就必須設(shè)計出具有良好動態(tài)特性的特殊光學系統(tǒng)。我們設(shè)計了一種 透鏡，其成像特性可由下式給出 : H= (2-4)式中:H像高；焦距；入射光與光軸的夾角 (rad)。2 2. .1 1. .3 3 激激光光源源的

22、的選選擇擇激光光源與普通光源比較，具體亮度高、方向性、單色性和相干性好等優(yōu)點，是高精度測量的理想光源。早期的激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)，均采用氦氖 (He-Ni)激光器做光源。氦氖激光器屬于氣體激光器，工作物質(zhì)是氦氣和氖氣，激光管用硬質(zhì)玻璃制成，管子電極間施加幾千伏電壓，使氣體放電。在適當放電條件下，氦氖氣體成為激活介質(zhì)，如果管子軸線上安裝高反射比的反射鏡作為反射腔，可獲得激光輸出。這種激光單色性好，發(fā)散角小于 2mrad，光束直徑 0.2-lmm，可以直接用于激光掃描檢測系統(tǒng)。但是氦氖激光采用玻璃管和高壓電源，極易產(chǎn)生慢漏氣、放電管內(nèi)元件放電、陰極濺射、工作氣體吸附和滲透等情況，影響激光器壽命，激光器

23、壽命只有20005000 小時，國產(chǎn)激光器壽命更短。另外由于使用高壓電源，激光器正極極易與廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計8附近導體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而使激光器損壞。所以成為激光掃描檢測系統(tǒng)故障率最高的器件。近年來，隨著半導體激光器的不斷成熟，人們更多使用半導體激光器。半導體激光器工作物質(zhì)是半導體材料。最常用的材料是砷化稼，其結(jié)構(gòu)原理與二極管十分相似。半導體激光器除具有超小型、高功率、響應(yīng)快等優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點 :1）啟動電壓低:半導體激光器只需要 2-6V 的電源電壓，而 He-Ni 激光器則需要 1500v 的高壓才能啟動。2）電能轉(zhuǎn)換效率高:半導體激光器的轉(zhuǎn)換效率與 He-Ni 激光器的轉(zhuǎn)

24、換效率相比高得多。3）壽命長:使用壽命約為 10000 小時。正由于半導體激光器具有上述特點，所以在本系統(tǒng)中我們選擇半導體激光器作為光源。另外，由衍射光斑直徑公式d=1.22/NA 可知，只有光源的波長 較短，才能獲得足夠小的光斑，因此我們選擇波長為 =635nm 的半導體激光器，它能使光學系統(tǒng)的體積和整體外形尺寸大大減小，利于移動、安裝、調(diào)試。本系統(tǒng)采用揚州聯(lián)創(chuàng)光電有限責任公司生產(chǎn)的 DLM1854-18.4AS 半導體激光器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：主要技術(shù)參數(shù)： 波 長：635nm 出瞳功率：140mW工作電壓：DC 3V5V 運轉(zhuǎn)方式：連續(xù)式調(diào)制頻率：01MHz 使用壽命：1 萬 小時接口

25、電平：TTL 電平光斑直徑：最小光斑直徑1mm光束發(fā)散度：0.11.5mrad 光學系統(tǒng)：光學鍍膜玻璃透鏡工作溫度：-10+60 存儲溫度：-40+80激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計9圖 2-2 半導體激光器2 2. .2 2 透透鏡鏡的的設(shè)設(shè)計計激光掃描檢測系統(tǒng)是一個動態(tài)光學系統(tǒng)，想要獲得微米級的測量的精度，就必須采用具有良好動態(tài)特性光學系統(tǒng)，一般采用 透鏡作為掃描發(fā)射光學系統(tǒng)，能夠很好的解決這一問題。2 2. .2 2. .1 1 普普通通透透鏡鏡和和 透透鏡鏡的的區(qū)區(qū)別別如圖 2-3 所示，設(shè)透鏡焦距為 掃描角度為 ，普通透鏡如圖校正了畸變，其像高為: （2-tanH f8）將此式兩邊對時間

26、t 求導，那么有: （2-dtdsecdtdH2 f9）廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計10圖 2-3 通透成像情況由此可見，對以等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦平面上的掃描速度不是一定的。對 透鏡而言，為得到一定的掃描速度，像高必須為 : (2-10) fH這樣，對時間 t 微分的結(jié)果為 (2-11)ff2dtddtdH其中 是掃描元件恒定的角速度，這樣要求 透鏡要故意產(chǎn)生正畸變，當掃描角度 增大時，實際像高比幾何光學確定的理想像高要小，是它的/tan 倍，其線畸變?yōu)? (2-12)tan(tanHfff其相對畸變量為: (2-13)%100tantanDr具有式(2-13)所給出的畸變像差量的透鏡，

27、當入射光以等角速度偏轉(zhuǎn)入射時，在焦面上的掃描速度就是等速的，由于此透鏡的像高等于，故常簡稱為 透鏡。 透鏡與普通透鏡的區(qū)別見圖 2-4 所示，圖 2-4 中比較 透鏡與普通透鏡的 H 與 之間的關(guān)系，隨著 的增大，兩者之間的差別越來越明顯，在線性地保持掃描角度和掃描位置關(guān)系方面， 透鏡起到了重要的作用。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計11圖 2-4 透鏡與普通透鏡的區(qū)別2 2. .2 2. .2 2 透透鏡鏡參參數(shù)數(shù)的的選選擇擇1）F 數(shù)由于使用高亮度激光光源，所以不必象普通透鏡那樣根據(jù)光源亮度決定F 數(shù)，只是根據(jù)所必需的光點尺寸決定 F 數(shù)，即使由于透鏡 F 數(shù)弱也可以用，因為這有利于像差校正。2）

28、 和 在掃描范圍一定的情況下，盡可能用大的 角小的 ,這種選擇能使透鏡的尺寸和反射器的尺寸減小，從而使 反射鏡表面的不均勻、反射角不準確以及掃描器不穩(wěn)定等造成的誤差減小，使由于棱鏡表面角度不均勻和掃描器軸承不穩(wěn)造成的不利影響較小。由于入射光瞳即位于掃描器上，又處于透鏡前焦面上，所以選取較小的焦距可以使掃描器與物鏡之間的距離減小， 使結(jié)構(gòu)緊湊。但是大的 角也會給物鏡設(shè)計帶來困難，而且 受掃描器性能限制。實際上， 如果 較小，則像方工作距相應(yīng)也小，不便操作，因此應(yīng)充分利用掃描器轉(zhuǎn)角 ，同時滿足掃描器范圍的要求，由此確定 。在 F 數(shù)較小時， 和 都不可能大，特別是為了獲得均勻大小的光點尺寸，常?？?/p>

29、慮遠心光學系統(tǒng)，若此時掃描角與焦距都較大，則透鏡也大，制造也有困難。透鏡的通光口徑要根據(jù)測量范圍、被測件的振動幅度以及中心位置的可能移動范圍選取定。同時為了形成較好的平行光掃描，希望光學系統(tǒng)的相對孔徑D/ 盡可能小，但是焦距太大會使測頭的體積增大，所以一般相對孔徑D/ 取 1/41/6。廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計122.2.32.2.3 設(shè)計要求設(shè)計要求 1）結(jié)構(gòu)類型 透鏡多屬小孔徑、大視場并具有遠心光路的光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有正光焦度。一般光源為單色光，光學系統(tǒng)不需要消色差，軸上軸外均達到或接近衍射極限的像質(zhì)要求。為控制高級本征衍射像差，通常不使用易產(chǎn)生高級像差的膠合面，即由多片分離的單透鏡

30、構(gòu)成。一般透鏡片數(shù)越多，所能達到的精度指標也越高。本設(shè)計選用兩個透鏡組成的負-正型結(jié)構(gòu)，如圖 2-5 所示。它可使像方工作距較長，物方工作距短，從而使結(jié)構(gòu)緊湊且又易于操作。 圖 2-5 兩個透鏡組成的負-正型結(jié)構(gòu)2）光焦度分配及像差校正 從降低高級像差考慮，正透鏡宜采用高折射率低色散玻璃，負透鏡應(yīng)采用低折射率 玻璃。光焦度分配應(yīng)注意兩點：首先應(yīng)滿足總光焦度要求，其次是平像場。2 2. .3 3 掃掃描描接接收收光光學學系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計計在回轉(zhuǎn)體直徑測量系統(tǒng)中，設(shè)計聚焦透鏡作為掃描接收光學系統(tǒng)，光電接收器放置在掃描接收光學系統(tǒng)的后焦面上。根據(jù)透鏡的性質(zhì)知道，平行光經(jīng)過透鏡后的會聚點并不是一個理想點

31、，而是一個衍射斑，其直徑d=1.22f/D，式中，f為會聚透鏡焦距； 為激光波長;D 為激光束直徑。由上式可以看出 :f越小，d就越小。因此要設(shè)計焦距短的會聚透鏡作為掃描接收光學系統(tǒng)。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計132 2. .4 4 多多面面體體反反射射鏡鏡2 2. .4 4. .1 1 掃掃描描器器件件的的選選擇擇激光掃描無論是哪種方式都需要有光學掃描器。實現(xiàn)此功能的有振鏡掃描、聲光掃描、電光掃描和多面體轉(zhuǎn)鏡掃描。目前以旋轉(zhuǎn)多面體掃描應(yīng)用最廣泛。圖 2-6 轉(zhuǎn)鏡的基本種類多面體轉(zhuǎn)鏡掃描的缺點：1)多面體的加工精度要求高；2)掃描電機的均勻性要求嚴格；3)與多面體相關(guān)的光學部分調(diào)整復雜，精度要求

32、高。在掃描過程中，多面體的各小平面反射面繞多面體中心 O 旋轉(zhuǎn)， 如圖 2-7 所示， 盡管轉(zhuǎn)鏡以勻速旋轉(zhuǎn)，反射光的掃描軌跡嚴格說不是勻角速度，掃描軌跡必然產(chǎn)生非線性誤差。這誤差是由多面體反射面與其外接圓矢高R 所引起的。 （2-14）2/cos1 RR）（廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計14 圖 2-7 非線性誤差示意圖但它也有以下優(yōu)點：1)掃描角度大，通常可大于 30；2)在較長的掃描寬度上具有高的分辮率； 3)反射面上鍍?nèi)瓷淠?，反射率高、光能損失??；4)實現(xiàn)掃描機構(gòu)簡單。多面體反射鏡之所以如此廣泛地被使用，是與目前的精密加工技術(shù)的發(fā)展分不開的。決定激光光束掃描用的多面體反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)是面

33、數(shù)，每個面面積的大小和材料是通過對掃描分辮率、掃描速度、激光束的利用率，反射鏡的旋轉(zhuǎn)速度和機械強度之間的關(guān)系，以及加工精度等進行綜合考慮而確定的。本儀器采用旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡掃描方式，通過多面體反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)完成掃描任務(wù)，所以多面體反射鏡本身的精度及其回轉(zhuǎn)精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精度。影響旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡掃描質(zhì)量的誤差來源主要有多面掃描反射鏡各反射面的面形誤差、各反射面間的分度誤差、反射面的塔差及轉(zhuǎn)軸晃動引起的掃描點位置誤差等。多面體反射面的面形誤差將造成掃描系統(tǒng)在主掃描方向上掃描位置偏離理想位置，所以必須對掃描轉(zhuǎn)鏡的形位公差予以嚴格的限制。2 2. .4 4. .2 2 多多面面體體反反射射

34、鏡鏡技技術(shù)術(shù)規(guī)規(guī)格格和和公公差差從上面的分析中我們知道旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡的制造精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精度，為此，旋轉(zhuǎn)多面體必須滿足一定的規(guī)格和公差要求。其技術(shù)規(guī)格和公差有以下一些項目，如圖 2-8 所示：1、機械特性：1）面數(shù) N 及各面的面形誤差； 2）反射面到中心的距離 A 和公差；3）反射面寬度 B 和公差；4）反射面與反射面的角度 C 及公差；5）裝配孔的直徑 D 和公差；如圖 2-8激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計15圖 2-8 棱鏡尺寸規(guī)格圖2 2、光光學學特特性性：1）反射面的平面度； 2）表面反射率；3）表面質(zhì)量；4）基體材料：a、一般情況下選用銘與銘合金； b、高速時選用不銹鋼或被合

35、金； c、特殊低速時選用石英、硼硅玻璃和可切削的陶瓷。3 3、物物理理特特性性：1)基體材料選擇；2)運轉(zhuǎn)速度；3)工作溫度；4)工作和存放溫度范圍。有關(guān)各項的允許值主要由對像質(zhì)的要求來決定，例如 :激光仿真用的 16 面多棱反射鏡，其各面的分度誤差以及各面對轉(zhuǎn)軸的傾斜公差在2以內(nèi)，各面對中心軸的偏離為 0.003mm，平面度在 /10 以下。對于多面體反射鏡的臨界轉(zhuǎn)速 v，其確定方法如下： (2-15)E2v 其中 密度屈服極限E材料的彈性模數(shù)。2 2. .4 4. .3 3 多多面面體體反反射射鏡鏡設(shè)設(shè)計計計計算算我們采用高慣性局部照明的旋轉(zhuǎn)多面體作為掃描偏轉(zhuǎn)元件。如圖 5 所示利用反射光

36、進行掃描。當多面鏡發(fā)生 角位移時，反射光發(fā)生 2 的角位移。當入射光照射到多面鏡棱角 時，反射光被分裂為兩部分，一部分繼續(xù)完成掃描，另一部分開始新廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計16的掃描。這時掃描光的強度是變化的。實際上照明光束遇到多面鏡棱角 這段時間形成掃描空程。所以，這種掃描是間斷的。多面鏡的面數(shù)與掃描角有關(guān)。為減小掃 描空程，應(yīng)加大每一反射面的線度，即加大多面體的半徑，使尺寸加大，但又受到掃描電機及轉(zhuǎn)速的限制，因此，合理設(shè)計多面鏡就必須弄清掃描角，光斑尺寸，掃描空程，多面體半徑及多面鏡數(shù)等之間的相互關(guān)系。 設(shè)光斑尺寸為 2。 旋轉(zhuǎn)多面體半徑為 R， 面數(shù)為 N， 一次掃描多面鏡的角位移0為

37、 ( 等于反射光掃描角的一半) 為 N/360/45cos)/180(cos/45cos)/180cos(cos.0101RNosRN（2-16）空程角 為=N/360= （2-/45cos)/180(c cos/45cos)/180cos(cos0101RNosRN17）我們定義為掃描效率，則360/NN/360/）（N= （2-/36018）令 X= / )1 (cos)/360cos(NY=45cos)2/cos(45cos)/180cos(N則 R= （2-2/12220)1(2/) 1(21YXXYX19）根據(jù)給定的掃描角 2( 相應(yīng)的 =) 和多面體掃描效率 就可以根據(jù)上面的公式求

38、出旋轉(zhuǎn)多面體的半徑 R 和多面體的面數(shù) N。因為是局部照明掃描， 所以多面體的厚度應(yīng)大于光束的尺寸 2。在給定掃描的情況下， 在設(shè)計多面鏡時， 掃描效率多0大才合理呢?以 =18為例看一下多面鏡半徑 R 和面數(shù) N 如何隨掃描效率 變化。當 =18，=3.037mm 。R - 曲線如圖 2-9 所示， 由圖可見，當 0.7 后， R0隨 增大而迅速增大。當 l 時，R 。多面體半徑太大，面數(shù)多，這給加工和激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計17安裝調(diào)試帶來很大困難，所以我們認為在上面給定的條件下。掃描效率在 0.40.6 之間比較合理。圖 2-9 R- 曲線本系統(tǒng)掃描寬度約 100 mm，轉(zhuǎn)鏡掃描 2 =

39、22.7，給出一些余量，2 取 30，所以 =15，掃描效率 =50，面數(shù) N=12，/36015/5 . 0360 X=cos15=0.9659/ )1 (cos)/360cos(NY=cos15cos45=0.683045cos)2/cos(45cos)/180cos(NR=9.2272/12220)1(2/) 1(21YXXYX0而=3.037mm，所以掃描用旋轉(zhuǎn)多面體半徑 R=28.02mm，而多面體厚度 h 應(yīng)大于02=6.074mm，因此，取 h=8mm。旋轉(zhuǎn)多面體材料用鋁合金。 0至此，我們所采用的掃描器參數(shù)為：掃描范圍：l =2=2(15/180 )220=115.13 mm；

40、掃描角 2=30；掃描光點直徑=0.01 mm；分辨率0d1=100poin/mm;掃描頻率 2000Hz；電機轉(zhuǎn)速 600 轉(zhuǎn)min；多面體面數(shù) N= l2；多0d面體厚度 h=8mm；多面體小平面反射率85；多面體小平面平面度小于10=670nm/10=67nm ；多面體外接圓半徑 R= 30 mm。 2.5 光學元件的尺寸及掃描速度計算光學元件的尺寸及掃描速度計算廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計18設(shè)晶體的振蕩頻率為 =10MHz，電機轉(zhuǎn)速為 n=600 轉(zhuǎn)/min，多面體的面數(shù)為N=12， 透鏡焦距為=220mm，則電機轉(zhuǎn)動的角速度f =2 3.14 10=62.8rad/s （2-20）

41、 2 n反射光速轉(zhuǎn)動的角速度=125.6rad/s （2-221）檢測區(qū)內(nèi)光束平行移動的速度(即掃描速度)=125.60.220 =27.632m/s （2-v2f22）一個時鐘脈沖所代表的距離=27.632/102.76 （2-23/n4fm） 是激光掃描尺寸檢測系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)，參數(shù)表征系統(tǒng)的分辨率。越小，系統(tǒng)分辨率越高。本系統(tǒng)中半導體激光器發(fā)射出的激光=635nm，輸出功率=3mw，發(fā)散角2mRad，經(jīng)平面鏡和十二面體轉(zhuǎn)鏡（轉(zhuǎn)速 n=600 轉(zhuǎn)/min）反射后，通過透鏡（f220mm，=55mm）在掃描場中間得到平行掃描細光線，并經(jīng)接受會聚透鏡（1f 120mm，=55mm)聚焦到探

42、測器上，進而轉(zhuǎn)換為電信號。2f 設(shè)十二面體反射面位于透鏡焦面處，標準規(guī)(64mm)在透鏡處，則十二面ff體反射面對光闌的張角為 2=30，設(shè)光線 A 經(jīng) B 點反射到光闌上邊緣時，十二面體反射點法線(見圖 2-10)，入射角為，由于十二面體的轉(zhuǎn)動，在光線 A 經(jīng)反射到光1N闌下邊緣時，十二面體法線變?yōu)榉较?，則=1/2 張角=15，意為十二面體在2N12N BN一次掃描中，掃描光闌八面體僅轉(zhuǎn)動=15，因為是十二面體，每轉(zhuǎn)可掃描十二次，故:掃描速率=掃描次數(shù)/秒=600/60 12=120 次/s因此，相鄰掃描時間間隔為 T=8.33ms激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計19而掃描光闌時間間隔= （2-ms

43、78. 245/15TT24）光線掃速為：V=64mm/2.78ms23.02m/s （2-6/DT25）圖 2-10 光束掃描示意圖3.3.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.13.1 主體精密機械系統(tǒng)主體精密機械系統(tǒng)本精密機械系統(tǒng)最重要的作用是保證光學系統(tǒng)性能參數(shù)的準確性和穩(wěn)定性。溫度變化、應(yīng)力、變形、振動、加工誤差等都會對光學系統(tǒng)的像質(zhì)產(chǎn)生很大的影響;因此，對關(guān)健件的公差和材料給予了嚴格的要求，以確保整個系統(tǒng)的工作性能。箱體采用鑄件結(jié)構(gòu)，分箱蓋和箱底兩部分?？紤]到環(huán)境條件，本儀器采用了箱式全封閉結(jié)構(gòu)，箱蓋和箱底之間加密封物質(zhì)，用緊固件連接。又由于要保證光學系統(tǒng)光軸在一個平面內(nèi)，因此對光學機械部件

44、的機械設(shè)計，對整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求較高。箱體內(nèi)鑄有不同高度的凸臺，以滿足固定不同光學部件的要求。各光學元件之間的相互位置關(guān)系，僅靠機械加工無法滿足這方面的要求，機械定位部分應(yīng)留有一定的調(diào)整廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計20空間，手工調(diào)整來檢測系統(tǒng)的各光學系統(tǒng)總體參數(shù)的要求。光學窗口采取密封結(jié)構(gòu)。此外，還需要考慮光學機械部件的干涉、材料的選擇、溫度的影響、受力的變形、精密調(diào)整、裝配和加工等一系列因素。設(shè)計的主體精密機械系統(tǒng)如圖 3-1 所示。圖 3-1 精密機械系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)圖3.23.2 反射鏡系統(tǒng)設(shè)計反射鏡系統(tǒng)設(shè)計反射鏡在光學系統(tǒng)中的作用是改變光路以使整個儀器的結(jié)構(gòu)緊湊小巧，而反射鏡的安裝如果

45、出現(xiàn)偏差，入射光的入射點就不能成像到焦點處，經(jīng)過的掃描光線將不是平行光。但是在機械加工過程中又不可避免出現(xiàn)加工誤差，并且在安裝過程中也會存在裝校偏差，這樣就進一步加大了理論設(shè)計和實際生產(chǎn)的偏差。為此，反 射鏡要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖 3-2 圖 3-2 反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計213.33.3 透鏡系統(tǒng)設(shè)計透鏡系統(tǒng)設(shè)計透鏡裝夾機構(gòu)、會聚透鏡裝夾機構(gòu)、傳感器裝夾機f構(gòu)都采用統(tǒng)一基本模型，保持一致的高度寬度以利于光信號的準確傳播?；灸Ｐ蛥⒁娂訄D 3-3圖 3-3 透鏡及其裝夾機構(gòu)f3.43.4 工件支架設(shè)計工件支架設(shè)計 工件支架考慮對稱受力支撐部分設(shè)計成左右兩個 120V 形支撐

46、架，兩個 V 形支架之間間隙保證足夠?qū)挸?，以利于光信號順利通過。考慮到工件直徑的大小，為保持工件都穿過系統(tǒng)光路的中心，本設(shè)計采用墊板來抬高或降低工件支架的高度。工件支架及墊板見圖 3-4 支架采用 HT150 鑄造，灰口鑄鐵抗壓強度一般在 500-650MPa 之間，則支架能承載最大工件重量 M=A=120550MPa=66kN。V 行面壓2mm精加工后采用適當?shù)谋砻嫣幚恚ＷC與工件的接觸精度、強度、壽命。 圖 3-4 工件支架及墊板廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計223.53.5 步進電機支架及轉(zhuǎn)鏡支撐件設(shè)計步進電機支架及轉(zhuǎn)鏡支撐件設(shè)計支撐轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)鏡軸如圖 3-5 示，軸與轉(zhuǎn)鏡采用鍵連接。聯(lián)軸器

47、如圖 3-6 示，聯(lián)軸器與軸采用緊固螺釘連接。電機支架如圖 3-7 示。軸與支架接觸采用外徑軸承6801ZZ，轉(zhuǎn)鏡兩面與電機支架間有內(nèi)徑 15mm 厚度 2.5mm 的墊圈。圖 3-5 轉(zhuǎn)鏡軸圖 3-6 聯(lián)軸器 圖 3-7 轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)裝配圖3.63.6 步進電機的選擇步進電機的選擇步進電機有反應(yīng)式、永磁式和混合式。一般定子繞組有 2，3，4，5 相之分(有特殊例外)。工作時，各繞組按一定次序、時間，把適當?shù)碾妷?、電流加到各個繞組。完成這一功能的就是步進電機的驅(qū)動器。 驅(qū)動器可由通用集成電路和分立元器件搭成，也有專用集成電路。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計23本系統(tǒng)設(shè)計中采用北京斯達特機電科技發(fā)展有限公

48、司生產(chǎn)的 17HS101 型步進電機，步進電機驅(qū)動器采用與其相配套的 SH-2H042Mb 步進電機驅(qū)動器 ，步進電機轉(zhuǎn)速的均勻性對測量精度有一定的影響，而決定其轉(zhuǎn)速的又是驅(qū)動器的頻率，因此選好驅(qū)動器對其運行的平穩(wěn)性有極好的保證。17HS101 型步進電機參數(shù)如下：相數(shù):2;步距角 1.8;相電流 1.7A;驅(qū)動電壓 DC24V;最大靜轉(zhuǎn)矩 0.35Nm;相電阻2.3;相電感 2.88mH;重量 0.24Kg;配套驅(qū)動器 SH-2H042Ma(b);環(huán)境溫度-10+40;絕緣強度 500VDC 100M;絕緣強度:B;混合式方形電機,相同扭矩的電機其長度是 BYG 系列圓形電機的一半。3.73

49、.7 多面體轉(zhuǎn)鏡的工藝設(shè)計多面體轉(zhuǎn)鏡的工藝設(shè)計多面體邊轉(zhuǎn)鏡加工方法不止一種，一般的加工工藝過程如下：1）注模 注模是根據(jù)設(shè)計用溶液（金屬溶液、玻璃溶液等）繞鑄法，預(yù)先形成坯料。此法可以大大降低成本。光學玻璃加工用的是注模法。2）裝夾鏡坯多面體轉(zhuǎn)鏡的關(guān)鍵部分是鏡面本身，由于轉(zhuǎn)鏡制造較復雜，特別是大直徑的轉(zhuǎn)鏡價值昂貴，所以，鏡面與鏡體往往分別加工，然后用環(huán)氧樹脂膠合在一起，形成一個完整的轉(zhuǎn)鏡，裝夾鏡坯時，將一塊塊平面坯料一次裝夾在金屬撐架上，每塊平面鏡可以是玻璃毛坯，也可以是金屬，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)并用螺釘緊固在撐架上，由于棱鏡高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生極大的離心力，緊固工作一定要十分仔細，否則離心力可能使平面

50、鏡表面變形，甚至使鏡體松動。3）金剛石切削鏡面切削加工時在金剛石切削機床上完成的，切削刀具實際是一顆金剛石，加工方式是車削和銑削。切削機床本身精度極高，它的心軸使用了超高精度的氣動軸承支撐這樣就能完成光學表面的成形和精細加工由于金剛石切削機床能夠直接在鏡坯上加工出光學表面，這種方法值得提倡，最常用的多面鏡的坯料是鋁合金，當然也可以用其他材料，如鎳合金，裸露在空氣中的鋁鏡比較嬌嫩，加工后最好鍍上一層介質(zhì)膜保護。廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計24用肉眼觀察，金剛石切削后的表面近似于光學鏡面，但如果用顯微鏡放大，可以觀察到加工后的鏡面就像一塊很密的光柵，光束照射其上，短波段光波（如紫外光）的鏡面反射效

51、率不高。4）拋光經(jīng)過切削加工的鏡面還需拋光。這里所談的拋光與通常的玻璃透鏡或棱鏡拋光一樣，都使用瀝青研磨，瀝青是一種極精細的研磨劑。不銹鋼，鍍鉻板、鈹或者其他類似于玻璃的材料，如石英和硼硅酸玻璃做成的鏡面都能用瀝青拋光。拋光時，把待拋光的多面鏡固定在拋光機上，用瀝青和樹脂膠作拋光劑，同時添加鋁氧粉和水的混合液作為潤滑劑。鋁合金上化學鍍鎳是一種最常見的多邊棱鏡材料，鋁鍍鎳后再拋光，不但光潔度高而且經(jīng)久耐用。4.4.信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)信號接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4.14.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計4.1.14.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理1 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計激光測徑儀數(shù)據(jù)處理部分結(jié)構(gòu)

52、為圖 4-1 所示,包含光電信號放大、整形、變換及計數(shù)電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計25圖 4-1 數(shù)據(jù)處理部分結(jié)構(gòu)圖圖 4-2 波形圖廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計262 2、數(shù)據(jù)處理原理、數(shù)據(jù)處理原理圖 4-2 是光電管的輸出波形圖。當工件沒有置于掃描區(qū)時，光電管之輸出信號為圖中之 A1 所示。當放入被測工件時，光電管信號在光束掃描測件的時間內(nèi)降為零，如圖中 A2 所示。從光電管上輸出的信號經(jīng)過放大整形，削去了前后沿，如圖中之 B1 及B2 所示。B1 是無測件的情況，B2 是有測件的信號。信號 B2 送到脈沖分離電路中，經(jīng)過脈沖分離、整形后輸出被測件脈沖，如圖中 C2

53、 所示。掃描脈沖如圖中 D 所示。顯然D 這個脈沖與測件是否存在無關(guān)。然后把 C2 送到測件計數(shù)器門中，用它來開關(guān)從晶體振蕩器出來的高頻脈沖，只有當測件脈沖出現(xiàn)時，高頻脈沖才能通過門進到測件計數(shù)器中，如圖中 E 所示。高頻脈沖數(shù)與測件直徑成正比。同時，從脈沖分離器選擇出來的掃描信號送到掃描計數(shù)器中，在這里累計掃描次數(shù)。當掃描次數(shù)等于預(yù)先給定的某數(shù)時，便產(chǎn)生一個脈沖送到延時電路中，經(jīng)延時電路產(chǎn)生兩個復制脈沖(f，G)分別作選通信號和置數(shù)清除信號，執(zhí)行電路的邏輯功能，實現(xiàn)電路的一次測讀過程。因此，數(shù)碼管顯示的數(shù)是高頻脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)并不是一次掃描被測件，而是M 次掃描所對應(yīng)的脈沖數(shù)之平均值，可以

54、消除被測件振動所造成的讀數(shù)誤差。另外，電路采用同步供電的方式，它選用 10MHz 的晶體振蕩器作為基頻，利用晶體振蕩源經(jīng)分頻器分頻到 50Hz，用以控制步進電機轉(zhuǎn)速。由式(2-23)可以看出， 決定于電機轉(zhuǎn)速 n、光學系統(tǒng)焦距 f、晶體振蕩頻率 等三個基本參數(shù)。、n、f、r 四個參數(shù)之間是相互聯(lián)系又相互制約的。系統(tǒng)設(shè)計時，一般來說要首先選定 。 的選擇，一般是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方便性選定。當 選定后，根據(jù)所選用的電機，n 也是一定的。所以光學系統(tǒng)參數(shù) f 和電學系統(tǒng)參數(shù) 就要在已確定的咨與 n 的約束情況下，根據(jù)本身的內(nèi)在因素與系統(tǒng)的要求來確定。在某種意義上， 是聯(lián)系光學的、機械與電學的參數(shù)的一個

55、關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)被測件的被測直徑為 D，其對應(yīng)的信號脈沖寬度為 T，則T=D/V （4-1）將式(2-23)代入式(4-1)整理得D=4nfT (4-2)假設(shè)高頻振蕩器的脈沖周期為，頻率為 ，則在 T 時間內(nèi)被測件的被測直徑所0T激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計27包含的高頻脈沖個數(shù) A 為 （4-3）0TTA 由式(4-2)和式(4-3)可得每個高頻脈沖代表的數(shù)值是 (4-4)f n4AD則被測件的被測直徑可由下式給出: (4-5)An4Df當系統(tǒng)確定后，4nf/=常數(shù)，被測尺寸 D 就可由高頻脈沖數(shù) A 確定。4.1.24.1.2 信號接收元件選用信號接收元件選用本系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件采用光電二極管

56、。光電二極管和普通二極管一樣，也是由一 個 PN 結(jié)組成的半導體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦浴５牵?在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉(zhuǎn)換 成電信號。那么，它是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢？大 家知道，普通二極管在反向電壓作用 圖 4-3 光電二極管在處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN 結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電二扳管

57、的主要參數(shù)有最高工作電壓、暗電流、光電流、光電靈敏度、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。而對于業(yè)余制作來講，最為關(guān)切的還是暗電流 、光電流和最高工作電壓。 光電二極管的種類很多。有用 N 型硅單晶制作的 2CU 型硅光電二極管；有用 P 型硅單晶制作的 2DU 型硅光電二極管。2DU 型光電二嵌管，卻有三條引線，分別稱前扳、后極和環(huán)極( 如圖 4-4 中的 2DUA、2DUB )，前極即光敏區(qū)(N)引線；后級為對底(P)引線；環(huán)極是為了減少暗電流、提高管子穩(wěn)定而設(shè)計的，通常接公共極(地線)。廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計28圖 4-4 光電二極管及其符號選用光電二扳管時，如果條件允許的話。盡量選用光照窗口面積

58、大的管子，如2CU1 或 2DUB。但 2CU 型管子暗電流隨環(huán)境溫度變化大，所以在穩(wěn)定性要求較高的光電控制電路上，用 2DU 型光電二扳管最適宜。本系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求很高所以采用 2DU 系列硅光電二極管，其參數(shù)如下：型號2DU2 響應(yīng)度 0.4A/W 反向電壓 50V 暗電流 0.3A 光電流 30100A 上升時間 100ns 峰值波長 900nm 工作光譜范圍 4001100nm。4.1.34.1.3 硬件電路的設(shè)計硬件電路的設(shè)計硬件電路主要有放大電路、整形電路、晶振電路和單片機電路四大部分：1 1、放大電路：、放大電路：光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖 4-5

59、所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。圖 4-5 光電二級管的工作模式本系統(tǒng)由于對速度精度要求高，實現(xiàn)高的切換速度是首要任務(wù)，所以，設(shè)計時采用光導模式。光電信號放大采用低噪聲寬頻帶運算放大器,以保證光電信號得到無失真放大。具體電路圖：激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計29圖 4-6 光電轉(zhuǎn)換前置放大電路2 2、脈沖分離、整形電路、脈沖分離、整形電路整形轉(zhuǎn)換電路采用 D 觸發(fā)器及組合邏輯電路,將已放大的雙脈沖轉(zhuǎn)換為與光闌寬度及工件直徑對應(yīng)的兩個單脈沖 t 及 T。D 觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)、次態(tài)和

60、輸入信號 D 的關(guān)系為=D。nQ1nQ1nQ圖 4-7 脈沖分離及整形電路3 3、晶振電路、晶振電路本電路的晶振選用石英晶體振蕩器，頻率為 10MHz； 廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計3011G1G2R1R2C2C11ov2ov+-I2v1Iv圖 4-8 晶振電路原理圖4 4、單片機數(shù)據(jù)處理及顯示電路設(shè)計、單片機數(shù)據(jù)處理及顯示電路設(shè)計圖 4-9 數(shù)據(jù)處理單片機數(shù)據(jù)處理及顯示電路5 5、單片機與、單片機與 PCPC 機通訊電路機通訊電路激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計31圖 4-10 單片機與 PC 機通訊接口電路6 6、單片機控制步進電機電路、單片機控制步進電機電路 圖 4-11 單片機與步進電機接口電

61、路 圖 4-12 89C51 單片機封裝引腳圖4.1.34.1.3 主控器的選擇主控器的選擇本系統(tǒng)以 AT89C51 單片機作為主控制器的 CPU，運用匯編語言采用模塊化結(jié)構(gòu)對其進行程序設(shè)計，其層次清晰，各功能模塊的設(shè)計與調(diào)試可分別進行，編程效率高且有利于提高系統(tǒng)的實時性。外界信號的實時響應(yīng)是由中斷實現(xiàn)，相應(yīng)的操作由對應(yīng)的功能模塊完成。它的基本任務(wù)主要包括測量的直徑數(shù)據(jù)實時預(yù)處理、顯示以及與上級計算機通訊等。AT89C51 單片機封裝引腳如圖 4-12。廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計324.1.44.1.4 總電路圖總電路圖激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計334.1.54.1.5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計系統(tǒng)抗干

62、擾設(shè)計硬件系統(tǒng)可靠性由多種因數(shù)決定，其中抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標，所以抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)研制中不可忽視的一個重要內(nèi)容。工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般都是以脈沖的形式進入系統(tǒng)，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條:1）空間干擾，即通過電磁波輻射竄入系統(tǒng);2）過程通道干擾，干擾通過與主機相聯(lián)的前、后向通道進入;3）供電系統(tǒng)干擾。一般情況下空間干擾的強度遠小于其它兩項干擾，而且可以用良好的屏蔽和正確的接地、高頻濾波加以解決，所以硬件系統(tǒng)重點防止供電系統(tǒng)和過程通道干擾。1 1、供電系統(tǒng)的干擾及抗干擾措施、供電系統(tǒng)的干擾及抗干擾措施任何電源和輸電線路都存在內(nèi)阻，因而引起電源的噪聲干擾。為防止從電源系統(tǒng)引入的干擾

63、，硬件系統(tǒng)采取以下幾項措施:1）使用交流穩(wěn)壓器，保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓與欠壓。2）使用低通濾波器，由諧波頻譜分析可知，電源系統(tǒng)干擾源大部分是高次諧波，所以采用低通濾波器讓 50Hz 市電基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。2 2、過程通道干擾及抗干擾措施、過程通道干擾及抗干擾措施過程通道是前向接口、后向接口與單片機或單片機相互之間進行信息傳輸?shù)穆窂剑渲虚L線傳輸是主要干擾因素。系統(tǒng)中傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸時會出現(xiàn)延時、畸變、衰減與通道干擾。為保證長線傳輸?shù)目煽啃裕饕胧┯校?）光電藕合隔離采用光電藕合器將單片機和前、后向通道之間直接的電氣聯(lián)系切斷，有效地防止干擾

64、從過程通道進入單片機。光電藕合器的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾，提高過程通道的信噪比。2）雙絞線傳輸在應(yīng)用系統(tǒng)的長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種，與同軸電纜相比，雖然頻帶較差，但阻抗高，抗共模噪聲能力強，它還能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消，對電磁場有一定的抑制效果。3 3、印制電路板的抗干擾設(shè)計、印制電路板的抗干擾設(shè)計印制電路板是硬件系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，其設(shè)計必須符廣東技術(shù)師范學院本科畢業(yè)設(shè)計34合抗干擾設(shè)計原則，通常印刷電路板設(shè)計要解決的問題包括:電源及地線設(shè)計、信號線走向設(shè)計、元件的配置等。1）電源及地線設(shè)計在硬件系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的重要方法

65、。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率來確定是單點還是多點接屏蔽地。數(shù)字與模擬電路分開，要區(qū)分數(shù)字地與模擬地，分別與電源端地線相連，盡量加大模擬電路的接地面積，降低公共阻抗，減小地電位的波動，數(shù)字電路的接地線最好構(gòu)成閉環(huán)，采用網(wǎng)絡(luò)狀地線，減小地電位差異。電源與地線應(yīng)盡量加粗，其走向最好與數(shù)據(jù)傳遞方向一致，以助于抗干擾能力的增強。2）信號線走向設(shè)計信號線中強、弱信號要分開，走向不要平行，最好垂直交又，減少相互間的干擾，信號線間插入地線，提高信號的可靠性。3）元件的配置元件的配置要使走線簡單，減小布線回路以防止外界磁場干擾，信號、電源和地線走向要合理。4.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)4.2.14.2.1 主程序

66、主程序主程序的主要功能是負責控制步進電機、直徑值的實時顯示、對脈沖進行計數(shù)及直徑值計算，對脈沖讀取及計算每 1s 進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測工件，其程序流程圖如圖 4-14 示。4.2.24.2.2 計數(shù)子程序計數(shù)子程序計數(shù)子程序的主要功能是對輸入脈沖進行計數(shù)。其程序流程圖如圖 4-15 示。4.2.34.2.3 計算直徑子程序計算直徑子程序 計算直徑子程序?qū)?RAM 中讀取脈沖數(shù)應(yīng)用（4-5）式 圖 4-14 主程序流程圖 進行計算及所得直徑值的 BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，其程序流程圖如圖 4-16 示。激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計354.2.44.2.4 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作。程序流程圖如圖 4-17 示。 圖 4-15 計數(shù)子程序流程圖 圖 4-16 計算子程序流程圖 圖 4-17 顯示子程序流程圖4.2.54.2.5 形成控制步進電機脈沖子程序形成控制步進電機脈沖子程序 通過定時中斷調(diào)用本程序輸出高電平和等待中斷時的低電平配合形成可以控制步進電機的脈沖。脈沖子程序：；*；輸出一個 250 us 的