轧辊光电检测系统论文.doc

第一章绪论 11.1引言 11・2课题来源、研究目的及意义 21. 3大直径检测的国内外现状 21. 4本文研究的主要内容及主要技术指标 3第二章系统总体方案设计 42・1方案分析 42. 2检测方案的比较分析与选择 6第三章系统的总体结构及工作原理 83. 1系统的组成 83.2系统的总体结构及功能 83. 3系统检测原理 93. 4系统的基本功能 10第四章系统的各分系统设计 114.1半导体激光测头设计 4. 2光栅位移检测系统设计 4. 3精密机械系统设计 4计算机控制与数据处理系统设计“第五章系统的误差分析 1系统直径检测主要误差来源及分析1119202425255. 2系统直径检测误差的合成 305. 3系统度检测误差来源与分析 3133致 谢 错误!未定义书签5. 3误差分析结论34第一章绪论1・1引言随着制造技术的迅速发展，各种先进的加工方法的出现，对现代检 测技术的要求也越来越高，越来越严从某种意义上而言，检测技术的 发展必须超前于加工技术的发展，才能满足人们对精密加工的要求，检 测技术的发展又对加工技术起到了促进作用目前，高速度、高精度、 非接触检测技术己发展成为检测技术中最重要、最尖端的组成部分，而 以红外、激光、CCD, PSD等为传感器的光电检测技术也就成为非接触 式检测技术的代表。

在很多领域已得到了广泛的应用也取得了显著的 技术经济效益以非接触、高精度、高速度为特征的光电检测技术己成了检测的主 要趋势，涌现出一大批适用于各种场合的光电检测仪器巴 现在国际上 主要利用光电检测方法进行各种形位误差、尺寸要素的测量，采用的原 理和方法也是多种多样的激光检测技术⑵是目前检测领域最先进、应用最广泛的检测技术之 -o利用激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，可实 现多种参数的高精度、高效率的非接触检测而且抗干扰能力强， 较高的测量速度和可靠性，便于实现自动化、智能化对解决国防及民 用工业牛产中的产品零件检测难题起到了极其重要的作用利用激光进 行非接触检测的测试设备得到了长足的发展，日益受到世界各国的重 视木文利用激光半导体测头、光栅位移检测技术、精密机械技术和计 算机实时控制与数据处理⑶技术，研制了轧辗光电检测系统，实现了对 大型工件的外径（450伽〜e2500nini）、圆度误差进行非接触、检 测轧银光电检测系统是一种涉及光学、精密机械、电子学、现代传感技术、自动控制和计算机等多学科领域的先进光电检测系统，检测精度 高，检测功能多，检测速度快可对不同结构形状的大直径回转体类零 件的外径尺寸、圆度进行非接触、动态或静态检测。

1・2课题来源、研究目的及意义1.2. 1课题来源木课题是钢铁业技术改造项目，是对轧辘多个参数进行测量的一项 重要测试设备1.2.2研究目的及意义在钢铁工业中，轧机上轧制金属板，金属泊和金属带时，轧辘的工作 表面磨损较快.因此，在每台轧机旁都设置有小规模的专用轧银磨床段 工，以便随时重磨已磨损的轧鶴轧银的径尺寸和纵向廓形的测量通常采用手动表式卡规或滚轮式 表式卡规进行这种测量费时，测量精度低•为此提出了一种采用激光测 头和光栅位移检测技术对加工中的轧鶴进行检测的方法，可实现轧 银多个部位的外径尺寸及圆度进行高速、高精度的非接触检测木 系统对提高轧鶴的加工质量、减少废品率和保证板材的性能具有重要意 义1・3大直径检测的国内外现状近年来，对径向尺寸的检测出现了许多新的检测方法⑷测量方法 基本上可分为三大类:机械方法、光学方法、其它方法1、 机械测径法机械方法因检测原理简单、使用方便、检测成本低而在检测内外径, 特别是大型工件内外径时被广泛釆用，但总的说來检测精度不高，例如: 大型外径千分尺和内径千分尺、“尺法、弦高法、滚轮法、卡钳式检 测方法、坐标测量机检测法2、 光学测径方法⑸釆用光学原理对径向尺寸进行检测。

按瞄准工件的方式可进一步分为:影像法瞄准;衍射法瞄准;接触式瞄准及激光光线瞄准等3、其它测径方法测量直径除了主要采用光学与机械方法外，近年来还出现了其它一 些方法，如气动法、超声波法等综上所述表明，对大尺寸的测量，特别是大型工件内外径（超过500mm）的测量发展十分缓慢，手段依然停留在传统的机械方法上， 满足不了加工现场提出来的越来越苛刻的要求对于高精度的零件，其 尺寸实际上是处于无法测量的状态己满足不了加工现场提出来的越来 越苛刻的要求1. 4本文研究的主要内容及主要技术指标1.4. 1本文研究的主要内容木文主要针对大型工件轧辘的外径、圆度误差检测进行研究主要 研究以下内容：1. 硏究轧辘外径、圆度误差的光电非接触检测方法；2. 轧辘光电检测系统总体方案设计；3. 轧辘光电检测系统各分系统设计；4. 检测系统测量误差分析，对影响系统精度的误差来源进行讨论， 推导dH吴差修正公式，提出改善系统精度方法1.4.2系统主要技术指标测量范围：50nini〜4）2500mm分辨率：0. 001mm直径检测精度：±（30+D/100） um （D—被测件尺寸mm） 圆度误差检测精度：± 0.05mm第二章系统总体方案设计2- 1方案分析2. 1.1双边激光扫描与半导体激光测头相结合的检测方案该检测方案总体结构如图2.1所示。

激光扌?i 描接收 器1机 构2光栅位移 检测系统3激光打描 发射器2工件（轧机）半导体激 光测头二维平- 移机构描发射 器1爲堂沸帶一手十 十++ +十 F+-差动平轮1十 十++ +移机构+ A•十激光扫描 接收器2手 轮 3上下 调整 机构1手 轮 2L! 7激光扫描检测光栅位移检测半导体澈光测系统控制器系统控制器头控制器主控制器r图2」双边激光扫描与半导体激光测头相结合的检测方案总体结构整个系统由两套激光扫描检测⑹系统构成的双边激光扫描检测系 统、一套半导体激光测头、三套光栅位移检测系统、一个完成尺寸和形 位误差控制与测量数据处理的主控制器⑺、一台完成测量控制与显示的 计算机、一套可完成双边激光扫描检测统平行与垂直移动的精密机械机 构、一套可完成半导体激光测头平行与垂直移动的精密机械机构及相应 的系统安装、调整和定位等机构组成2.1. 2两套半导体激光测头与光栅位移检测系统相结合检测方案该检测方案的总体结构如图2. 3所示图2. 3两套半导体激光测头与光栅位移检测系统相结合的检测方案总体结构图整个测量系统由两套半导体激光测头、两套光栅位移检测系统、一 个完成外径测量数据处理的主控制器、一台完成测量控制与显示的计算 机、两套可完成激光测头安装、调整、定位和微调机构等组成。

2. 1. 3单套半导体激光测头移动和旋转与光栅位移检测系统相结 合的检测方案该检测方案的总体结构如图2. 4所示采用一个半导体激光测头、 一套光栅位移检测系统、精密机械系统、计算机控制与数据处理系统检 测轧辗的外径、圆度利用己知三角形的三点（A、B、C）坐标值，可以确定三角形的外接圆 直径和圆心坐标的原理，由电控平移动系统控制的光栅位移检测系统给 出检测点的横坐标值x,半导体激光测头给出检测点的纵坐标y检测 出轧辘外圆上的三点A、B、C三点坐标后，计算出三角形三边长a、b、 c,根据公式，D= i "be ,计算出该三72a2b2 + 2c2b2 + 2a2c2 -a4 -b4 -c4角形外接圆直径对轧辘同一截面外径多次检测，根据外径的检测结果 和圆度定义由计算机计算出轧辗圆度光柳位移检测系统图2.4单套半导体激光测头移动和旋转与光栅位移检测系统相结合的检测方案总体结构图2. 2检测方案的比较分析与选择“双边激光扫描与半导体激光测头检测方案”中，激光扫描系统的 激光发射系统和接收系统Z间的距离较大，使得整个检测系统体积较 大，定位与安装复杂；检测时用标准件标定，属于相对测量，测量连较 长，易将由标准件引起的误差传递到检测系统。

两套半导体激光测头与光栅位移检测系统相结合的检测方案” 中，定位与安装复杂；方案中需用标准件标定，检测连较长，易将由标 准件引起的误差传递到检测系统；两套光栅位移检测系统的光栅尺与轧 辘直径检测线不重合，由此引起的阿贝误差较大整个检测系统体积较 大，不易与架体连接单套半导体激光测头移动与光栅位移检测系统相结合的检测方 案”中，采用单套半导体激光测头，利用电控平移台将半导体激光测头 和光栅位移检测系统的光栅位移检测系统集成在一起；只需检测轧车昆外 圆或上三个点的坐标值，由计算机算出要检测的直径值，测量连比较短, 误差來源因素较少系统便于安装在磨石夹板上，实现对轧车昆的非接触、 高速度、检测；通过对上述各检测方案的分析比较，根据车间加工和检测条件，本 文最终选择了“单套半导体激光测头移动和旋转与光栅位移检测系统相 结合的检测方案”并对该方案的总体结构与分系统进行了设计第三章 系统的总体结构及工作原理3. 1系统的组成系统主要由半导体激光测头、光栅位移检测系统、精密机械系统和 计算机控制与数据处理系统四大部分组成，具体如下：3. 2系统的总体结构及功能系统总体结构如图3.1所示图3.1轧辗光电检测系统总体结构图图中：1 一磨石夹板，2—联接板，3—精密电控平移台，4一激光测头测杆,5—激光测头，6—被测件（轧辗），7—标尺光栅，8—读数头，9一步进电机，10 一导轨，11 一丝杠3. 3系统检测原理3. 1轧辗外径的检测原理该检测系统安装在固定磨石的夹板上，磨石沿轧车昆轴线移动的方向 为该检测系统的Z轴；光栅位移检测系统的标尺光栅作为系统的X轴； 半导体激光测头发射光学系统的光轴作为系统的Y轴。

检测时，调整刀 架位置，使半导体激光测头在测量范围内，激光测头检测到轧车昆外圆A 点，如图3.1所示，由光栅位移检测系统给出横坐标值州，由激光测头 给出纵坐标值儿由计算机控制可以使得激光测头移动到A点和C点，同样原理可以 测得轧辗外圆上B（兀2、儿）、C（兀3、几）点的坐标值则q =』（兀2—兀3）2+（儿一儿）2 ， = Jg —兀 3），+（/ —旳尸 ，(3. 1)(3.2)C = Jg—兀 2）2+（必一"）2已知AABC的三边尺寸，可得到轧辗外圆直径:_ 2abcL)= J2d%2 + 2c%2 + 一亍一戻一疋3. 3. 2圆度误差检测原理对轧辘检测可采用加工过程中的检测，轧辘的中心一定是回转 中心沿被加工工件的径向调整半导体激光测头使其读数最小，此点与 工件的圆心连线与激光测头的发射光学系统光轴重合，其调整位置如图 3. 2所示此时停止移动，将检测系统各部位锁定图3. 2激光测头调整位置图yo激光测头加工停止后使轧辗回转一周，测量出多个必值，那么轧馄的圆度误差办即为:fR — ^max y min(3.3)圆度误差检测原理图如图3. 4所示4系统的基本功能1. 系统误差可通过计算机软件进行修正；2. 能根据不同模式的不同精度要求，进行多次检测；3. 能预置上，下偏差界限，超差吋予以声光报警；4. 能根据要求，给出模拟量或数。