基于激光扫描法测量弹体直径的研究

  摘要:传统的弹药弹体检测一般采用机械式接触测量,但测量速度和精度都受到外界条件的制约。随着生产与科学技术的迅速发展,对检测的精度和效率提出了越来越高的要求。基于此种原因,我们在光电测量方法的基础上进行研究,通过对激光扫描测量法的改进,完成了对弹丸直径的快速精确测量。并对可能产生的误差进行分析。  关键词:弹体直径 激光扫描法 误差分析  中图分类号:TG83 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)10-0091-02  1、引言  检测技术是保证产品质量的重要手段,其水平高低已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。产品的竞争实质上是质量的竞争,而产品质量的提高,除设计与加工精度的提高外,往往更有赖于检测精度的提高。生产自动化程度的发展,产品数量的增长,在一定程度上也受到检测效率的制约。对于军事工业而言,弹药弹体检测技术是关系弹体生产质量的重大关键性技术,随着新型武器的研制与科学技术的迅速发展,对检测的精度和效率提出了越来越高的要求。因此,提高检测精度和检测效率是检测技术的主要发展方向。传统的弹药弹体尺寸检测是采用手工测量方法,即将游标卡尺卡在弹体尺寸需要检测的位置,通过人工读数来判断弹体尺寸是否合格。这种手工测量方法,不仅费时费力,并且精度不高,满足不了现代生产自动化的需要。  长期以来,国内外学者对弹体直径测量进行了大量的研究,但是在大直径尺寸测量方面一直没有理想的方法和仪器出现,尤其在机械加工行业中,大直径尺寸的精密测量尚未得到很好解决。用现有的或大型千分尺进行测量既费时又达不到精度要求。所以,进行精确的大直径工件几何尺寸测量研究的意义十分重大。  2、硬件条件限制分析  当被测弹药直径尺寸跨度较大时,无论怎样改进系统结构,光学系统中的镜片尺寸都会很大,其结果是:不仅镜片加工困难,而且像差很大,因此测量误差很大,无法保证测量精度。  根据误差分析和光学设计经验,f-θ透镜尺寸≤80mm的情况下的像差较易保证。因此,针对待测炮弹外径测量范围,作出以下分级:  (a)小尺寸直径  (b)大尺寸直径>60mm。  两个尺寸段无法用一台设备兼容,因此,我们需要对上述小尺寸直径测量系统进行改进,以满足对大尺寸弹丸直径的测量  3、小尺寸弹丸直径测量系统  测量系统由激光器、扫描多面棱镜、扫描透镜、接收透镜、光电接收器等组成。  3.1 测量原理  图1是激光扫描测量系统测量原理图。激光器发出的激光束照射到扫描棱镜上,扫描棱镜由扫描电机带动以恒定角速度高速旋转,扫描光束经过f-θ透镜后形成与光轴平行并以恒定线速度扫描的扫描光束。  扫描电机和扫描棱镜是关键器件,它决定了测量区域扫描光束线速度v的稳定性、光束的平行性和准直性,从而决定了仪器的测量精度。f-θ透镜的作用是将匀角速度扫描的光束变换为与光轴平行的像方匀线速度扫描的平行光束。f-θ透镜的精度不仅影响扫描线速度v随垂直位置变化的特性,决定了仪器的线性指标,而且还影响扫描光束的平行性和准直性,决定了仪器的测量精度与测量的重复性。扫描电机的速度稳定性、轴向和径向跳动,以及扫描多面棱镜的形位误差等影响光束的线速度v的稳定性和扫描光束入射的准确性,决定了仪器的重复性和稳定性。扫描激光光强的稳定性、光电信号边缘检测的准确性、光学系统的安装误差等对的检测精度起到至关重要的影响作用。  3.2 测量过程  激光器发出的激光以恒速对被测弹体进行扫描,经聚光透镜到达光电接收器,根据光电接收器接受光强的变化阈值(参看图2)确定扫描时间t。若扫描速度为ν,对工件扫描时间为t,则被测工件直径D:  3.3 误差分析  影响扫描法测量弹径误差的因素包括多个方面。如扫描速度不是常值而是扫描棱镜转角Φ的函数,此时可以用平均扫描速度来求激光扫描尺寸检测系统的误差。其中平均扫描速度(为有效扫描口径的半径角),测量的三个基本参数为电机的转速、光学系统的焦距、时钟脉冲的频率,这些误差对测量精度的影响关系式为:  由式(1-3):若激光脉冲频率,;设计焦距为,;电机转速为,,  被测弹径,则:  4、大尺寸弹丸直径测量系统  由扫描测量头(两台)、光栅尺、直线滚珠导轨、滚珠丝杠、控制电机、计算机系统等组成。  4.1 测量原理  大尺寸直径的弹丸测量依然采用激光扫描法测量原理。和小尺寸直径弹丸测量不同的是,大尺寸弹径测量要用两个扫描头,而且在测量前要对扫描头之间的距离进行标定。  测量前,将两台扫描头移出被测区域,并用标准尺标定出两个扫描头的距离(设为L)。  4.2 测量过程  测量时,在电机的驱动下,两个扫描头同时向被测弹丸待测部位靠近,如图3所示,当两个扫描头发出的激光束与被测弹丸的外径相切时,经过光电转换,光电接收器的输出电压分别出现两个下降沿,在通过实验确定阈值后,阈值处就分别对应一个触发脉冲,该触发脉冲便是两个光栅尺的计数指令,此时两个扫描头相向运动的距离分别为和,则被测弹径(D)为:  (1-4)  4.3 误差分析  (1)基础距离L标定误差:  此项误差为系统误差,可通过测量标准件等方式予以消除。  (2)扫描头移动距离测量引起的误差:  (a)由光栅尺引起误差:  光栅尺测量精度为0.005,则由此引入的测量误差为0.001。  (b)由于边缘阈值判断引起的误差:  采用像元间距为7的CCD相机,经光学系统后,分辨率可达0.003mm,由此引起的误差为0.001mm。  (3)测量总误差为:  由于采用两侧扫描方法进行测量,实际引起的误差为左右两个扫描系统误差和,按最大极限误差累计,可得:  5、结语  本文较详细的介绍了使用改进后的激光扫描法测量弹丸直径的方法。对其关键原理进行了论述,检测效率和精度都达到了预期目标,证明了该测量方法的可行性。此设计方案可普遍适用于一般弹丸弹体的检测。  参考文献  [1]于海蓉.特种弹药弹体尺寸自动检测系统测量方法和软件设计研究.[硕士学位论文]国防科技大学,2003.  [2]“弹药静态参数测试系统研制方案”.长春理工大学,2005.09.  [3]张明明.弹箭静态参数综合测试系统.[硕士学位论文]南京理工大学,2005.  [4]宋涛.曲臂花键轴跳动误差非接触检测技术研究.[硕士学位论文]长春理工大学,2003.  [5]阎荫棠.几何量精度设计与检测.北京:机械工业出版社,1996.08.  [6]孙长库.叶声华编著.激光测量技术.天津:天津大学出版社,2001.07.  [8]李岩,花国梁.精密测量技术.北京:中国计量出版社,2001.08  [9]Jone P Bentley. Principles of Measurement System. Longman,1983.


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