高速激光内径检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于智能仪器与装置领域，涉及一种高速激光内径检测设备，利用激光具有在金属等物件表面良好的检测效果，利用激光三角法获得被测内径的测量点位置的相对坐标信息。为了能够不间断高效稳定360°的采集内径所需的各种数据，创新性的将激光测距探头与滑环相结合，使得激光测距探头可以直接与电机相连从而能360°高速旋转，并利用高精度电控直线导轨实现内径数据的全面采集，从而进行内径的高精度测量。通过验证，该激光内径检测方法能够符合对内径无损检测的需求，友好的上位机平台，远程无线实时反馈相关数据。本发明所提出的测量方法，可以推广到其他能够反光物体内径壁的高精度尺寸检测系统中。
【专利说明】
高速激光内径检测系统
技术领域
[0001 ]本发明属于智能仪器与装置领域，涉及一种高速激光内径检测设备，尤其是在石 油钻探管道内径缺陷检测及各种异型内径的检测。
【背景技术】
[0002] 内径检测作为孔径检测中重要的一个环节一直都是检测的重点与难点，内径的高 精度检测对于石油钻探、武器炮管等行业都有重要的应用。尽管当前国内外已存在一些对 内径检测的技术，但其普遍存在检测精度差，检测效率低，需要耗费大量的人力等缺点，已 经不能适应当今现代化生产线对于自动生产的要求。国内外学者关于内径检测方法的研 究，基本上分为接触式测量和非接触式测量两大类。常见的采用千分尺等接触式测量方法 存在着速度慢、易划伤物件内表面且需要耗费大量的人力。另一种采用非接触式测量包括 多普勒效应法、激光杠杆法、激光干涉仪等方法，尽管精度满足要求，但是效率低、不能纵深 测量、测量所得的技术较少、更不能全自动测量、不符合工厂实际生产的需要。
[0003] 本发明利用激光具有直线度好，抗干扰能力强并能无损检测等众多优点，以及巧 妙的利用导电滑环将旋转体连通、无损输送信号的优点，提出了一种基于激光的高效快速 内径检测方法。开发了一套高速激光内径检测系统，实现了对内径的各种不同直径内径的 高效无损检测。
【发明内容】
[0004] 高效快速的内径扫描一直是业内的一个难题，尤其是管壁内径的检测。利用激光 具有在金属等物件表面良好的检测效果，利用激光三角法获得被测内径的测量点位置的相 对坐标信息。为了能够不间断高效稳定360°的采集内径所需的各种数据，创新性的将激光 测距探头与滑环相结合，并利用高精度电控直线导轨实现内径数据的全面采集，从而进行 内径的高精度测量。通过验证，该激光内径检测方法能够符合对内径无损检测的需求，友好 的上位机平台，远程无线实时反馈相关数据。本发明所提出的测量方法，可以推广到其他能 够反光物体内径壁的高精度尺寸检测系统中。具体采用的技术方案如下：
[0005] 高速激光内径检测系统以激光位移传感器（1)为主要的数据获取工具，与电动精 密水平直线滑台（4)、闭环伺服电机(3)、高品质导电滑环(2)、异型加工连接件(连接高品质 滑环和伺服电机）（6)、异性加工零件(7)、伺服电机固定臂(8)进行刚性连接，完成对工件主 要数据的采集。激光位移传感器由一块异型加工零件（7)固定于高品质导电滑环（2)的一 端，高品质导电滑环(2)的另一端由刚性联轴器（图中未标出）与闭环伺服电机(3)连接，闭 环伺服电机(3)被固定于电动精密水平直线滑台（4)上，整体结构由异型加工连接件(连接 高品质滑环和伺服电机）（6)将导电滑环与伺服电机固定，加强整个系统的稳固性。闭环伺 服电机(3)由单片机(图中未标出）控制做旋转运动，使激光位移传感器（1)做360°的旋转运 动，并由码盘(图中未标出）记录实时的角度，激光位移传感器(1)记录被测工件到激光位移 传感器（1)之间的距离，采集工件内壁表面的相关信息。电动精密水平直线滑台（4)在单片 机（图中未标出）的控制下使整个系统做前后的往复运动，从而采集纵深方向的数据。将被 测工件固定于定位工装夹具（5)上，开启上位机（图中为标出），通过WiFi网络与系统相连 接，上位机控制系统复位到最佳位置，按启动按钮发出工作指令，即可全自动完成数据采 集，数据分析并将数据存储于微型计算机中。高速单片机系统收到计算机发来的信息后，激 光位移传感器（1)由起始位置开始采集第一组数据经由单片机进行数据转换并与当前的位 置信息一同存储在单片机上的内存卡中，同时经由WiFi网络将第一组数据回传到上位机 中，上位机进行相应的数据计算并储存，并将位置示意图显示在电脑屏幕上从而完成一组 数据的采集。单片机发出指令控制伺服电机旋转一个单位的角度既带动激光位移传感器旋 转过一个单位角度，之后的采集与前面类似。完成一圈数据的采集后，由单片机发出指令控 制电动精密水平直线滑台向前移动一个单位的距离，然后再按上面所述进行下一圈的采 集。直到完成整个工件内径数据的采集，单片机回传给上位机一个指令，即完成内径采集的 整个过程，上位机显示出工件的示意图，并能以不同的颜色表示出工件的缺陷等数据。
[0006] 本发明高速激光内径检测系统所述的高速单片机采用飞思卡尔公司生产的 MC9S12XS128MAL单片机或者Texas Instruments公司生产的单片机（由于不同的场合需要 有两套不同的方案KMC9S12XS128MAL单片机是一款16位MCU，拥有丰富且强劲的外围，稳 定、编程简单。在该高速激光内径检测系统中，MC9S12XS128MAL单片机作为整个系统的"大 脑"，通过一定的程序算法，实现了整个系统的运动控制、与上位机的通信和作业等功能，发 挥着主要作用。
[0007] 本发明高速激光内径检测系统所述的激光位移传感器（1)，采用的基恩士公司生 产的IL-065C0MS激光位移传感器，由于采用了超分辨率演算法，通过识别因目标工件表面 状态的变化而产生的CMOS入光波形的不同，而自动进行最佳的波形处理。类似金属细线以 及树脂、橡胶等以往难以检测的工件，也可无调谐地实现稳定检测。能确实、稳定地检测各 种目标物，使射线动力、挡板时间、入光增益(增幅率)转为可变状态。采用数字回路，实现了 100万倍的动态范围。相应检测目标物及表面状态而进行实时控制，从而实现了稳定检测。 通过采用独特的非球面镜头，实现了等级最小传感器构造。测量范围为55mm到105mm，重复 精度2mm。
[0008] 本发明高速激光内径检测系统所述的高品质导电滑环（2)，结构详见图3,为了实 现伺服电机能带动激光位移传感器旋转，同时又能使信号能稳定不失真传导到高速单片机 中，于是模仿电机中电刷能够将电能以极低的损耗传输到电枢中而且不惧电枢的高速旋转 及其磨损的原理，创新性的使用高品质导电滑环(2)，使得本来激光位移传感器（1)不能作 高速旋转现状成为可能。在实验中我们对导电滑环在高速旋转中电信号传导的噪声进行测 试，伺服电机以600转每分钟旋转，将滑环的一端接入5V、占空比为50%、频率为1000Hz的方 波，另一端接入示波器中，用以模拟在阶跃响应下，滑环是否能准确的传导电信号，示波器 结果如图5。实验表明，采用贵金属的导电滑环在高速旋转的条件下，虽然有些许底噪，但依 然能够高效稳定低噪声的传导电能及信号，完全符合试验设备设计需求。
[0009] 本发明高速激光内径检测系统所述的闭环伺服电机(3)，采用微控制器进行闭环 控制，采用矢量型闭环控制技术使闭环伺服电机(3)位置控制更加的精准，脉冲响应频率最 高可达200KHZ，在256细分的情况下可以实现51200脉冲每转，控制精准，符合本发明对精准 的需要。
[0010] 本发明高速激光内径检测系统所述的电动精密水平直线滑台（4)，采用的是森创 公司生产的电动精密水平直线滑台，该直线滑台具有高稳定性，不会有脉振，精度高非常适 合本发明的需要，采用的是THB7128步进电机驱动器是一款专业的两相步进电机驱动，可实 现正反转控制接口采用高速光耦隔离，八种细分可调，自动半流减少发热量，大面积散热片 不惧高温环境使用，抗高频干扰能力强，输入电压防反接保护，过热、过流短路保护，驱动器 具有噪音小，震动小，运行平稳的特点。
[0011] 本发明高速激光内径检测系统所述的异型加工连接件(连接高品质滑环和伺服电 机）（6)如图6所示，创新性的使用该异型结构完美解决连接高品质滑环和伺服电机之间的 连接。
[0012] 本发明高速激光内径检测系统所述的采用WiFi网络，使得远距离监控实际生产成 为可能。
[0013] 本发明的有益效果在于:提出了一种基于激光的高效快速的金属等可反光物体内 径的测量方法，解决了内径表面高精度无损测量的难题，同时该方法适用于各种小直径及 大直径的内径表面测量，不仅是圆形内径，各种方形及异形内表面都可测量。创新性的使用 类似电机电刷的导电滑环，将激光位移传感器直接安装在伺服电机上，完美高效的解决了 高效快速检测内径的问题。具有测量速度快、效率高、重复性好、抗干扰能力强等优点。
【附图说明】：
[0014] 图1是本发明的结构示意图；
[0015] 图2是本发明的电路板设计图；
[0016]图3是本发明的尚品质导电滑环不意图；
[0017] 图4是本发明的激光位移传感器的结构示意图；
[0018] 图5是本发明的高品质滑环测试结果图；
[0019] 图6是本发明的异型加工连接件(连接高品质滑环和伺服电机)的三维图
[0020] 其中，各标号的含义如下：
[0021] 1.激光位移传感器
[0022] 2.尚品质导电滑环
[0023] 3.闭环伺服电机
[0024] 4.电动精密水平直线滑台
[0025] 5.定位工装夹具
[0026] 6.异型加工连接件(连接高品质滑环和伺服电机）
[0027] 7.异型加工零件
[0028] 8.伺服电机固定臂
[0029] 9.被测件
[0030] 10.滑环转子导线
[0031] 11.设备静止部分
[0032] 12.滑环定子导线
[0033] 13.设备旋转轴
[0034] 14.线性 CCD
[0035] 15.信号处理器
[0036] 16.激光发射器
[0037] 17.被测工件
[0038] β:基准面的反射光与线性CCD传感器感光面所成夹角
[0039] f:镜片Μ的焦距
[0040] Θ:激光发出的光束与基准面反射光的夹角
[0041 ] b:镜片Μ到线性(XD传感器感光面的距离
[0042] D:被测物件到激光位移传感器之间的距离
[0043] S:基准面到激光位移传感器之间的距离
[0044] d:被测物体反射光在线性CCD传感器上的成像和基准面在线性CCD传感器的像之 间的距离
[0045] a:基准面到镜片Μ之间的距离
[0046] L:量程范围
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0048] 本发明包括机械设计、硬件电路设计和软件设计。机械设计开发了高速激光内径 检测系统能稳定高效运行的全套设备，包括：（1)、高品质导电滑环(2)、闭环伺服电机(3)、 电动精密水平直线滑台（4)、定位工装夹具(5)、异型加工连接件(连接高品质滑环和伺服电 机）（6)、异型加工零件(7)、伺服电机固定臂(8)。硬件设计开发了机器人控制系统的最小系 统及外围电路，WiFi网络，伺服电机驱动电路。机械设计开发了基于Windows的上位机操作 平台用于远程控制整套系统的稳定运行。
[0049] 核心控制器MC9S12XS128MAL单片机的硬件最小系统包括电源电路、时钟电路、复 位电路以及下载电路。本发明采用电源适配器供电，其输出电压为24V，再由线性电源模块 降压降为5V才能供单片机稳定运行，为了能使采集到数据能实现远程传输的功能及对该系 统的远程控制采用了研华公司的EKI-1352 WiFi模块。
[0050] 因为该激光内径检测系统设计的初衷就是为了解决高效高精度内径检测的难题， 故我们采用了基于漫反射原理的基恩士IL-065高精度激光位移传感器，如图4所示。由激光 发生器发射出的光束射到反光镜上，其反射光在线性CCD的感光芯片上留下一个光点。当待 测物体表面位于量程之间时由于反射，同样会将光束反射到线性CCD上加上起始距离便可 以很快速的算出被测物体与激光位移传感器之间的距离。如图4。
[0051] 由斯凯普拉夫拉格成立的条件可知，只要激光发射器发出光束的光轴、凸透镜平 面及线性CCD传感器三者位于同一条直线上时，由成像关系便有：
[0053]式(1)中β:基准面的反射光与线性CCD传感器感光面所成夹角。
[0054] f:镜片Μ的焦距。
[0055] Θ:激光发出的光束与基准面反射光的夹角。
[0056] b:镜片Μ到线性C⑶传感器感光面的距离。
[0057]再结合相似三角形的相似关系易得式(2):
[0060]式（3)中：
[0061 ] D:被测物件到激光位移传感器之间的距离。
[0062] S:基准面到激光位移传感器之间的距离。
[0063] d:被测物体反射光在线性CCD传感器上的成像和基准面在线性CCD传感器的像之 间的距离。
[0064] a:基准面到镜片Μ之间的距离。
[0065] 将上面两式进行合并化简就能利用激光三角法算出被测物体到激光位移传感器 之间的距离D。
[0066] 下面以检测一根钢管为例说明本发明所述的高速激光内径检测系统工作过程：
[0067] 首先安装支架与待测钢管，接通电源，在启动上位机点击复位按钮，系统将进行自 动系统标定。接着表定完成后，上位机发出响声提示检测正式开始，单片机控制伺服电机带 动激光位移传感器旋转，每转过一个单位角度，记录一组数据存储并发给上位机，上位机接 收后在屏幕上自动显示，然后当采集完一圈既360°后单片机控制电动平移台向前移动一个 单位长度，单片机再次控制伺服电机旋转360°，单片机不停控制伺服电机旋转，存储数据发 送给上位机，电动平移台向前移动，直至整个钢管的数据全部被采集完。最后系统自动复 位，等待操作命令。
[0068] 本发明提出了一种基于激光的高效快速的金属等可反光物体内径的测量方法，解 决了内径表面高精度无损测量的难题，同时该方法适用于各种小直径及大直径的内径表面 测量，不仅是圆形内径，各种方形及异形内表面都可测量。创新性的使用类似电机电刷的导 电滑环，将激光位移传感器直接安装在伺服电机上，完美高效的解决了高效快速检测内径 的问题。具有测量速度快、效率高、重复性好、抗干扰能力强等优点。
[0069] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离 本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经 创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高速激光内径检测系统，其特征在于:包括:激光位移传感器（1)、高品质导电滑 环(2)、闭环伺服电机(3)、电动精密水平直线滑台（4)、定位工装夹具(5)、异型加工连接件 (6) 连接所述的高品质导电滑环(2)和所述的闭环伺服电机(3)、异型加工零件(7)、伺服电 机固定臂(8)、核心控制器、电路板、电源适配器、WiFi模块、微型计算机、电机控制器，所述 的激光位移传感器(1)固定在所述的异型加工零件(7)内，用于实时扫描被测件与所述的激 光位移传感器(1)的相对距离，所述的高品质导电滑环(2)被包裹于所述的异型加工连接件 (7) 中，用于连接所述的激光位移传感器（1)和所述的闭环伺服电机(3)实现电能和数据的 高效稳定传输，所述的伺服电机固定臂(8)用于将所述的闭环伺服电机(3)固定在所述的电 动精密水平直线滑台（4)上；电路板中包含高速单片机及内存卡放置外置的控制箱中，所述 的高速单片机控制2个电机包括所述的闭环伺服电机(3)和所述电动精密水平直线滑台（4) 的运动，同时能够采集所述的激光位移传感器（1)中得到的数据，经由所述的高品质导电滑 环(2)传输，并将这些数据进行计算存储在内存卡中，同时能将数据通过WiFi网络发给远程 上位机，由上位机进行计算并显示最终检测的结果，通过在基于Windows的上位机操作平台 上进行控制及图像显示，在所述的高品质导电滑环（2)连接下下，所述闭环伺服电机(3)能 够直接带动激光位移传感器(1)进行高速的360°无间歇旋转，而激光位移传感器(1)的旋转 就能直接采集内径的各种数据。2. 根据权利要求1所述的高速激光内径检测系统，其特征在于:所述的核心控制器为高 速单片机，通过程序算法运算，实现激光内径检测的运动控制与上位机的通信等功能。3. 根据权利要求1所述的高速激光内径检测系统，其特征在于"激光位移传感器（1)在 所述闭环伺服电机(3)和所述高品质导电滑环(2)的带动下旋转并实时采集数据"。4. 根据权利要求1所述的高速激光内径检测系统，其特征在于:所述的电动精密水平直 线滑台（4)能够带动激光位移传感器(1)、高品质导电滑环(2)和闭环伺服电机(3)做纵深运 动，从而不仅能采集圆周量，也能采集纵深量以此能完成被测机件内径的三维立体扫描。5. 根据权利要求1所述的高速激光内径检测系统，其特征在于:采用WiFi通信网络连接 远程基于Windows的上位机操作平台和高速激光内径检测系统的数据和命令传输。
【文档编号】G01B11/12GK106091961SQ201610361600
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】宋丽梅, 朱腾达, 杨燕罡, 郭庆华, 习江涛, 谢安明, 杨净慧
【申请人】天津工业大学