高速激光內徑檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于智能儀器與裝置領域，涉及一種高速激光內徑檢測設備，利用激光具有在金屬等物件表面良好的檢測效果，利用激光三角法獲得被測內徑的測量點位置的相對坐標信息。為了能夠不間斷高效穩定360°的采集內徑所需的各種數據，創新性的將激光測距探頭與滑環相結合，使得激光測距探頭可以直接與電機相連從而能360°高速旋轉，并利用高精度電控直線導軌實現內徑數據的全面采集，從而進行內徑的高精度測量。通過驗證，該激光內徑檢測方法能夠符合對內徑無損檢測的需求，友好的上位機平臺，遠程無線實時反饋相關數據。本發明所提出的測量方法，可以推廣到其他能夠反光物體內徑壁的高精度尺寸檢測系統中。
【專利說明】
高速激光內徑檢測系統
技術領域
[0001 ]本發明屬于智能儀器與裝置領域，涉及一種高速激光內徑檢測設備，尤其是在石 油鉆探管道內徑缺陷檢測及各種異型內徑的檢測。
【背景技術】
[0002] 內徑檢測作為孔徑檢測中重要的一個環節一直都是檢測的重點與難點，內徑的高 精度檢測對于石油鉆探、武器炮管等行業都有重要的應用。盡管當前國內外已存在一些對 內徑檢測的技術，但其普遍存在檢測精度差，檢測效率低，需要耗費大量的人力等缺點，已 經不能適應當今現代化生產線對于自動生產的要求。國內外學者關于內徑檢測方法的研 究，基本上分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。常見的采用千分尺等接觸式測量方法 存在著速度慢、易劃傷物件內表面且需要耗費大量的人力。另一種采用非接觸式測量包括 多普勒效應法、激光杠桿法、激光干涉儀等方法，盡管精度滿足要求，但是效率低、不能縱深 測量、測量所得的技術較少、更不能全自動測量、不符合工廠實際生產的需要。
[0003] 本發明利用激光具有直線度好，抗干擾能力強并能無損檢測等眾多優點，以及巧 妙的利用導電滑環將旋轉體連通、無損輸送信號的優點，提出了一種基于激光的高效快速 內徑檢測方法。開發了一套高速激光內徑檢測系統，實現了對內徑的各種不同直徑內徑的 高效無損檢測。
【發明內容】
[0004] 高效快速的內徑掃描一直是業內的一個難題，尤其是管壁內徑的檢測。利用激光 具有在金屬等物件表面良好的檢測效果，利用激光三角法獲得被測內徑的測量點位置的相 對坐標信息。為了能夠不間斷高效穩定360°的采集內徑所需的各種數據，創新性的將激光 測距探頭與滑環相結合，并利用高精度電控直線導軌實現內徑數據的全面采集，從而進行 內徑的高精度測量。通過驗證，該激光內徑檢測方法能夠符合對內徑無損檢測的需求，友好 的上位機平臺，遠程無線實時反饋相關數據。本發明所提出的測量方法，可以推廣到其他能 夠反光物體內徑壁的高精度尺寸檢測系統中。具體采用的技術方案如下：
[0005] 高速激光內徑檢測系統以激光位移傳感器（1)為主要的數據獲取工具，與電動精 密水平直線滑臺（4)、閉環伺服電機(3)、高品質導電滑環(2)、異型加工連接件(連接高品質 滑環和伺服電機）（6)、異性加工零件(7)、伺服電機固定臂(8)進行剛性連接，完成對工件主 要數據的采集。激光位移傳感器由一塊異型加工零件（7)固定于高品質導電滑環（2)的一 端，高品質導電滑環(2)的另一端由剛性聯軸器（圖中未標出）與閉環伺服電機(3)連接，閉 環伺服電機(3)被固定于電動精密水平直線滑臺（4)上，整體結構由異型加工連接件(連接 高品質滑環和伺服電機）（6)將導電滑環與伺服電機固定，加強整個系統的穩固性。閉環伺 服電機(3)由單片機(圖中未標出）控制做旋轉運動，使激光位移傳感器（1)做360°的旋轉運 動，并由碼盤(圖中未標出）記錄實時的角度，激光位移傳感器(1)記錄被測工件到激光位移 傳感器（1)之間的距離，采集工件內壁表面的相關信息。電動精密水平直線滑臺（4)在單片 機（圖中未標出）的控制下使整個系統做前后的往復運動，從而采集縱深方向的數據。將被 測工件固定于定位工裝夾具（5)上，開啟上位機（圖中為標出），通過WiFi網絡與系統相連 接，上位機控制系統復位到最佳位置，按啟動按鈕發出工作指令，即可全自動完成數據采 集，數據分析并將數據存儲于微型計算機中。高速單片機系統收到計算機發來的信息后，激 光位移傳感器（1)由起始位置開始采集第一組數據經由單片機進行數據轉換并與當前的位 置信息一同存儲在單片機上的內存卡中，同時經由WiFi網絡將第一組數據回傳到上位機 中，上位機進行相應的數據計算并儲存，并將位置示意圖顯示在電腦屏幕上從而完成一組 數據的采集。單片機發出指令控制伺服電機旋轉一個單位的角度既帶動激光位移傳感器旋 轉過一個單位角度，之后的采集與前面類似。完成一圈數據的采集后，由單片機發出指令控 制電動精密水平直線滑臺向前移動一個單位的距離，然后再按上面所述進行下一圈的采 集。直到完成整個工件內徑數據的采集，單片機回傳給上位機一個指令，即完成內徑采集的 整個過程，上位機顯示出工件的示意圖，并能以不同的顏色表示出工件的缺陷等數據。
[0006] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的高速單片機采用飛思卡爾公司生產的 MC9S12XS128MAL單片機或者Texas Instruments公司生產的單片機（由于不同的場合需要 有兩套不同的方案KMC9S12XS128MAL單片機是一款16位MCU，擁有豐富且強勁的外圍，穩 定、編程簡單。在該高速激光內徑檢測系統中，MC9S12XS128MAL單片機作為整個系統的"大 腦"，通過一定的程序算法，實現了整個系統的運動控制、與上位機的通信和作業等功能，發 揮著主要作用。
[0007] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的激光位移傳感器（1)，采用的基恩士公司生 產的IL-065C0MS激光位移傳感器，由于采用了超分辨率演算法，通過識別因目標工件表面 狀態的變化而產生的CMOS入光波形的不同，而自動進行最佳的波形處理。類似金屬細線以 及樹脂、橡膠等以往難以檢測的工件，也可無調諧地實現穩定檢測。能確實、穩定地檢測各 種目標物，使射線動力、擋板時間、入光增益(增幅率)轉為可變狀態。采用數字回路，實現了 100萬倍的動態范圍。相應檢測目標物及表面狀態而進行實時控制，從而實現了穩定檢測。 通過采用獨特的非球面鏡頭，實現了等級最小傳感器構造。測量范圍為55mm到105mm，重復 精度2mm。
[0008] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的高品質導電滑環（2)，結構詳見圖3,為了實 現伺服電機能帶動激光位移傳感器旋轉，同時又能使信號能穩定不失真傳導到高速單片機 中，于是模仿電機中電刷能夠將電能以極低的損耗傳輸到電樞中而且不懼電樞的高速旋轉 及其磨損的原理，創新性的使用高品質導電滑環(2)，使得本來激光位移傳感器（1)不能作 高速旋轉現狀成為可能。在實驗中我們對導電滑環在高速旋轉中電信號傳導的噪聲進行測 試，伺服電機以600轉每分鐘旋轉，將滑環的一端接入5V、占空比為50%、頻率為1000Hz的方 波，另一端接入示波器中，用以模擬在階躍響應下，滑環是否能準確的傳導電信號，示波器 結果如圖5。實驗表明，采用貴金屬的導電滑環在高速旋轉的條件下，雖然有些許底噪，但依 然能夠高效穩定低噪聲的傳導電能及信號，完全符合試驗設備設計需求。
[0009] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的閉環伺服電機(3)，采用微控制器進行閉環 控制，采用矢量型閉環控制技術使閉環伺服電機(3)位置控制更加的精準，脈沖響應頻率最 高可達200KHZ，在256細分的情況下可以實現51200脈沖每轉，控制精準，符合本發明對精準 的需要。
[0010] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的電動精密水平直線滑臺（4)，采用的是森創 公司生產的電動精密水平直線滑臺，該直線滑臺具有高穩定性，不會有脈振，精度高非常適 合本發明的需要，采用的是THB7128步進電機驅動器是一款專業的兩相步進電機驅動，可實 現正反轉控制接口采用高速光耦隔離，八種細分可調，自動半流減少發熱量，大面積散熱片 不懼高溫環境使用，抗高頻干擾能力強，輸入電壓防反接保護，過熱、過流短路保護，驅動器 具有噪音小，震動小，運行平穩的特點。
[0011] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的異型加工連接件(連接高品質滑環和伺服電 機）（6)如圖6所示，創新性的使用該異型結構完美解決連接高品質滑環和伺服電機之間的 連接。
[0012] 本發明高速激光內徑檢測系統所述的采用WiFi網絡，使得遠距離監控實際生產成 為可能。
[0013] 本發明的有益效果在于:提出了一種基于激光的高效快速的金屬等可反光物體內 徑的測量方法，解決了內徑表面高精度無損測量的難題，同時該方法適用于各種小直徑及 大直徑的內徑表面測量，不僅是圓形內徑，各種方形及異形內表面都可測量。創新性的使用 類似電機電刷的導電滑環，將激光位移傳感器直接安裝在伺服電機上，完美高效的解決了 高效快速檢測內徑的問題。具有測量速度快、效率高、重復性好、抗干擾能力強等優點。
【附圖說明】：
[0014] 圖1是本發明的結構示意圖；
[0015] 圖2是本發明的電路板設計圖；
[0016]圖3是本發明的尚品質導電滑環不意圖；
[0017] 圖4是本發明的激光位移傳感器的結構示意圖；
[0018] 圖5是本發明的高品質滑環測試結果圖；
[0019] 圖6是本發明的異型加工連接件(連接高品質滑環和伺服電機)的三維圖
[0020] 其中，各標號的含義如下：
[0021] 1.激光位移傳感器
[0022] 2.尚品質導電滑環
[0023] 3.閉環伺服電機
[0024] 4.電動精密水平直線滑臺
[0025] 5.定位工裝夾具
[0026] 6.異型加工連接件(連接高品質滑環和伺服電機）
[0027] 7.異型加工零件
[0028] 8.伺服電機固定臂
[0029] 9.被測件
[0030] 10.滑環轉子導線
[0031] 11.設備靜止部分
[0032] 12.滑環定子導線
[0033] 13.設備旋轉軸
[0034] 14.線性 CCD
[0035] 15.信號處理器
[0036] 16.激光發射器
[0037] 17.被測工件
[0038] β:基準面的反射光與線性CCD傳感器感光面所成夾角
[0039] f:鏡片Μ的焦距
[0040] Θ:激光發出的光束與基準面反射光的夾角
[0041 ] b:鏡片Μ到線性(XD傳感器感光面的距離
[0042] D:被測物件到激光位移傳感器之間的距離
[0043] S:基準面到激光位移傳感器之間的距離
[0044] d:被測物體反射光在線性CCD傳感器上的成像和基準面在線性CCD傳感器的像之 間的距離
[0045] a:基準面到鏡片Μ之間的距離
[0046] L:量程范圍
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0048] 本發明包括機械設計、硬件電路設計和軟件設計。機械設計開發了高速激光內徑 檢測系統能穩定高效運行的全套設備，包括：（1)、高品質導電滑環(2)、閉環伺服電機(3)、 電動精密水平直線滑臺（4)、定位工裝夾具(5)、異型加工連接件(連接高品質滑環和伺服電 機）（6)、異型加工零件(7)、伺服電機固定臂(8)。硬件設計開發了機器人控制系統的最小系 統及外圍電路，WiFi網絡，伺服電機驅動電路。機械設計開發了基于Windows的上位機操作 平臺用于遠程控制整套系統的穩定運行。
[0049] 核心控制器MC9S12XS128MAL單片機的硬件最小系統包括電源電路、時鐘電路、復 位電路以及下載電路。本發明采用電源適配器供電，其輸出電壓為24V，再由線性電源模塊 降壓降為5V才能供單片機穩定運行，為了能使采集到數據能實現遠程傳輸的功能及對該系 統的遠程控制采用了研華公司的EKI-1352 WiFi模塊。
[0050] 因為該激光內徑檢測系統設計的初衷就是為了解決高效高精度內徑檢測的難題， 故我們采用了基于漫反射原理的基恩士IL-065高精度激光位移傳感器，如圖4所示。由激光 發生器發射出的光束射到反光鏡上，其反射光在線性CCD的感光芯片上留下一個光點。當待 測物體表面位于量程之間時由于反射，同樣會將光束反射到線性CCD上加上起始距離便可 以很快速的算出被測物體與激光位移傳感器之間的距離。如圖4。
[0051] 由斯凱普拉夫拉格成立的條件可知，只要激光發射器發出光束的光軸、凸透鏡平 面及線性CCD傳感器三者位于同一條直線上時，由成像關系便有：
[0053]式(1)中β:基準面的反射光與線性CCD傳感器感光面所成夾角。
[0054] f:鏡片Μ的焦距。
[0055] Θ:激光發出的光束與基準面反射光的夾角。
[0056] b:鏡片Μ到線性C⑶傳感器感光面的距離。
[0057]再結合相似三角形的相似關系易得式(2):
[0060]式（3)中：
[0061 ] D:被測物件到激光位移傳感器之間的距離。
[0062] S:基準面到激光位移傳感器之間的距離。
[0063] d:被測物體反射光在線性CCD傳感器上的成像和基準面在線性CCD傳感器的像之 間的距離。
[0064] a:基準面到鏡片Μ之間的距離。
[0065] 將上面兩式進行合并化簡就能利用激光三角法算出被測物體到激光位移傳感器 之間的距離D。
[0066] 下面以檢測一根鋼管為例說明本發明所述的高速激光內徑檢測系統工作過程：
[0067] 首先安裝支架與待測鋼管，接通電源，在啟動上位機點擊復位按鈕，系統將進行自 動系統標定。接著表定完成后，上位機發出響聲提示檢測正式開始，單片機控制伺服電機帶 動激光位移傳感器旋轉，每轉過一個單位角度，記錄一組數據存儲并發給上位機，上位機接 收后在屏幕上自動顯示，然后當采集完一圈既360°后單片機控制電動平移臺向前移動一個 單位長度，單片機再次控制伺服電機旋轉360°，單片機不停控制伺服電機旋轉，存儲數據發 送給上位機，電動平移臺向前移動，直至整個鋼管的數據全部被采集完。最后系統自動復 位，等待操作命令。
[0068] 本發明提出了一種基于激光的高效快速的金屬等可反光物體內徑的測量方法，解 決了內徑表面高精度無損測量的難題，同時該方法適用于各種小直徑及大直徑的內徑表面 測量，不僅是圓形內徑，各種方形及異形內表面都可測量。創新性的使用類似電機電刷的導 電滑環，將激光位移傳感器直接安裝在伺服電機上，完美高效的解決了高效快速檢測內徑 的問題。具有測量速度快、效率高、重復性好、抗干擾能力強等優點。
[0069] 以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所 示的也只是本發明的實施方式之一。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離 本發明創造宗旨的情況下，采用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經 創造性的設計出與該技術方案相似的技術方案與實施例，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高速激光內徑檢測系統，其特征在于:包括:激光位移傳感器（1)、高品質導電滑 環(2)、閉環伺服電機(3)、電動精密水平直線滑臺（4)、定位工裝夾具(5)、異型加工連接件 (6) 連接所述的高品質導電滑環(2)和所述的閉環伺服電機(3)、異型加工零件(7)、伺服電 機固定臂(8)、核心控制器、電路板、電源適配器、WiFi模塊、微型計算機、電機控制器，所述 的激光位移傳感器(1)固定在所述的異型加工零件(7)內，用于實時掃描被測件與所述的激 光位移傳感器(1)的相對距離，所述的高品質導電滑環(2)被包裹于所述的異型加工連接件 (7) 中，用于連接所述的激光位移傳感器（1)和所述的閉環伺服電機(3)實現電能和數據的 高效穩定傳輸，所述的伺服電機固定臂(8)用于將所述的閉環伺服電機(3)固定在所述的電 動精密水平直線滑臺（4)上；電路板中包含高速單片機及內存卡放置外置的控制箱中，所述 的高速單片機控制2個電機包括所述的閉環伺服電機(3)和所述電動精密水平直線滑臺（4) 的運動，同時能夠采集所述的激光位移傳感器（1)中得到的數據，經由所述的高品質導電滑 環(2)傳輸，并將這些數據進行計算存儲在內存卡中，同時能將數據通過WiFi網絡發給遠程 上位機，由上位機進行計算并顯示最終檢測的結果，通過在基于Windows的上位機操作平臺 上進行控制及圖像顯示，在所述的高品質導電滑環（2)連接下下，所述閉環伺服電機(3)能 夠直接帶動激光位移傳感器(1)進行高速的360°無間歇旋轉，而激光位移傳感器(1)的旋轉 就能直接采集內徑的各種數據。2. 根據權利要求1所述的高速激光內徑檢測系統，其特征在于:所述的核心控制器為高 速單片機，通過程序算法運算，實現激光內徑檢測的運動控制與上位機的通信等功能。3. 根據權利要求1所述的高速激光內徑檢測系統，其特征在于"激光位移傳感器（1)在 所述閉環伺服電機(3)和所述高品質導電滑環(2)的帶動下旋轉并實時采集數據"。4. 根據權利要求1所述的高速激光內徑檢測系統，其特征在于:所述的電動精密水平直 線滑臺（4)能夠帶動激光位移傳感器(1)、高品質導電滑環(2)和閉環伺服電機(3)做縱深運 動，從而不僅能采集圓周量，也能采集縱深量以此能完成被測機件內徑的三維立體掃描。5. 根據權利要求1所述的高速激光內徑檢測系統，其特征在于:采用WiFi通信網絡連接 遠程基于Windows的上位機操作平臺和高速激光內徑檢測系統的數據和命令傳輸。
【文檔編號】G01B11/12GK106091961SQ201610361600
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】宋麗梅, 朱騰達, 楊燕罡, 郭慶華, 習江濤, 謝安明, 楊凈慧
【申請人】天津工業大學