III一種雙激光AR卡尺測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)制造對(duì)象的的精密測(cè)量與調(diào)控成為了現(xiàn)在工業(yè)制造與科研實(shí)驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)。激光測(cè)量作為具有悠久歷史與長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景的高精度測(cè)量方法正在當(dāng)今的社會(huì)生活中發(fā)光發(fā)熱，并由此衍生出了許多測(cè)量?jī)x器。在實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用中，當(dāng)今的激光測(cè)量裝置只局限在測(cè)量出探頭到測(cè)量面之間的距離，但是在測(cè)量物體厚度時(shí)往往面臨諸多問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)實(shí)踐性的問(wèn)題，本文研究了一種雙激光AR卡尺測(cè)量系統(tǒng)，用于高精度測(cè)量中小型物品的厚度。本測(cè)量系統(tǒng)以原有的成熟的激光測(cè)量技術(shù)為理論基礎(chǔ)，利用經(jīng)典的卡尺模型作為技術(shù)模型，達(dá)到高效精準(zhǔn)測(cè)量物品厚度的目的。本文首先在理論上分析了設(shè)計(jì)方法的可行性，并且根據(jù)理論要求，設(shè)計(jì)出測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)物模型。在理論支持并且與實(shí)物模型相結(jié)合的前提下，利用LabVIEW軟件編寫了相應(yīng)的在機(jī)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理界面，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，本測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差不超過(guò)±0.05mm，并沒(méi)有因系統(tǒng)的設(shè)計(jì)造成無(wú)法高精度測(cè)量的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：激光測(cè)量；AR卡尺；在機(jī)檢測(cè)目錄14970摘要 12268第1章緒論 5110111.1課題研究背景及意義 5295151.2激光測(cè)量技術(shù) 882401.2.1激光測(cè)量簡(jiǎn)介 847291.2.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 13292161.3課題研究的內(nèi)容 162899第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18174622.1引言 18177342.2硬件系統(tǒng)介紹 18213362.2.1系統(tǒng)原理 18307352.2.2激光器介紹 20217782.3測(cè)量過(guò)程 23298892.4本章小結(jié) 2326878第3章軟件界面程序編寫 24276703.1引言 24302873.2編程環(huán)境 25174943.2.1功能實(shí)現(xiàn) 25242253.2.2界面及程序 26254213.3通訊單元 29308623.4本章小結(jié) 3013615第4章數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析 3160304.1引言 31162184.2數(shù)據(jù)處理 31215474.2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境 31179974.2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 3178304.2結(jié)果分析 3221394.3本章小結(jié) 3314109第5章總結(jié)與展望 34232565.1全文總結(jié) 34171705.2展望 349687參考文獻(xiàn) 36緒論1.1課題研究背景及意義儀器測(cè)量是工業(yè)發(fā)展與科學(xué)研究的必要工具手段，是用來(lái)精確認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的必然舉措。在當(dāng)今社會(huì)生活中下，機(jī)械制造和設(shè)備運(yùn)行與測(cè)量關(guān)系密不可分。測(cè)量方式的形式是多樣的，有在機(jī)同步測(cè)量，也有離線線下測(cè)量。但殊途同歸的是，隨著制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，這二者都會(huì)順應(yīng)時(shí)代的洪流，向著更高精度、更快響應(yīng)速度、更強(qiáng)大性能的更高、更快、更強(qiáng)的方向發(fā)展[1]。非接觸式測(cè)量就是這個(gè)方向上的必由之路。并且，在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)橫行的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，CAD技術(shù)與CAM技術(shù)也扮演者推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要角色。如果沒(méi)有這些高效的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)，想要使機(jī)械零件的生產(chǎn)過(guò)程變得便捷化與經(jīng)濟(jì)化是不可能的。更不用說(shuō)，隨著科學(xué)技術(shù)的深度發(fā)展，零件的專用性也越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致零件要么體積龐大，要么機(jī)構(gòu)復(fù)雜繁瑣，給加工帶來(lái)了十足的挑戰(zhàn)。這就要求我們需要更高精度與更高實(shí)用性的測(cè)量?jī)x器。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)今的精密測(cè)量技術(shù)卻是逐漸暴露出它的弊病[2]:1.測(cè)量效率低測(cè)量效率低下的首要問(wèn)題就是測(cè)量?jī)x器本身效率低下或測(cè)量數(shù)據(jù)收集效率導(dǎo)致測(cè)量效率低下。對(duì)于測(cè)量?jī)x器本身效率低下的問(wèn)題，有個(gè)典型的例子就是三坐標(biāo)測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量要經(jīng)歷搬運(yùn)，定位，打點(diǎn)測(cè)量等多道工序，這樣的重重準(zhǔn)備會(huì)浪費(fèi)許多處理時(shí)間。除此之外，由于數(shù)據(jù)收集效率低下導(dǎo)致測(cè)量效率低下的例子更是比比皆是：老式的人工測(cè)量工具，不僅要求繁瑣，且讀數(shù)記錄麻煩，測(cè)量精度并不高。這些現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的測(cè)量方法都無(wú)法逃脫效率不夠高的局面[6]。2.在機(jī)測(cè)量的迫切性轉(zhuǎn)項(xiàng)化與零件化的現(xiàn)代工業(yè)制作，使得當(dāng)今的工業(yè)部件越來(lái)越不規(guī)則，并且由此衍生出多種測(cè)量對(duì)象。不僅有要測(cè)量形位公差的，還有測(cè)量孔洞內(nèi)尺寸的，并且還要以非實(shí)體的孔軸為基準(zhǔn)。在這種種復(fù)雜的要求下，通用性強(qiáng)，測(cè)量活動(dòng)度廣的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[3]。但是作為一種離線測(cè)量方法，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量工件的加工狀況，在加工工藝復(fù)雜，加工難度高的工件時(shí)，一旦出現(xiàn)加工失誤，就容易造成巨大的損失。且工件的搬運(yùn)與定位等裝卡行為必然會(huì)照成工件加工的精度降低。然而，在機(jī)測(cè)量就能很好的避免以及解決這一系列問(wèn)題，能夠在加工的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)以及誤差修正。所以，在機(jī)測(cè)量是大勢(shì)所趨，是現(xiàn)代制造的迫切要求[4]。3.高精度的非接觸測(cè)量在以往的社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中，接觸式測(cè)量的已經(jīng)能夠滿足當(dāng)時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)要求，一定精度水平的的測(cè)量數(shù)據(jù)往往能夠?qū)崿F(xiàn)成產(chǎn)目標(biāo)。但是隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展與生產(chǎn)力的進(jìn)一步解放，現(xiàn)在的生產(chǎn)對(duì)象往往具有更高的精度需求。就比如上世紀(jì)80年代，我們國(guó)家的主要機(jī)械生產(chǎn)對(duì)象是拖拉機(jī)等工農(nóng)業(yè)器械，但現(xiàn)在更多需要的是飛機(jī)、火箭等精度要求更高的高科技機(jī)械。在這樣的社會(huì)背景下，非接觸測(cè)量開始嶄露頭角。一方面，對(duì)于工件而言，非接觸測(cè)量不會(huì)壓迫工件，避免的由于物理接觸造成的形變誤差，能夠提供較高的測(cè)量精度。另一方面，對(duì)測(cè)量?jī)x器本身來(lái)講，非接觸測(cè)量能留出足夠的安全距離，不會(huì)被尖銳或高溫的工件損壞探頭，從而擁有較高的使用壽命。所以，實(shí)現(xiàn)高精度的非接觸測(cè)量是當(dāng)今工業(yè)測(cè)量的大勢(shì)所趨。我們談及的非接觸測(cè)量]從字面上理解就能看出，是一種在不接觸被測(cè)對(duì)象外輪廓表面的情況下，收集被測(cè)對(duì)象的外部信息的測(cè)量方法。非接觸測(cè)量是在上世紀(jì)60年代，順應(yīng)光電效應(yīng)以及電磁效應(yīng)的發(fā)展才進(jìn)入科學(xué)家們的研究方向中去，并且以不與被測(cè)物體接觸的獨(dú)特特性被廣泛研究。非接觸測(cè)量問(wèn)世以來(lái)，解決了接觸式測(cè)量由于接觸擠壓造成的無(wú)法避免的工件形變與損傷。且非接觸測(cè)量也擴(kuò)大了工程制造中的測(cè)量對(duì)象的范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)地較軟的、溫度較為苛刻的測(cè)量對(duì)象的高精度測(cè)量。在討論非接觸測(cè)量時(shí)，我們必不可少會(huì)談及的就是激光測(cè)量。激光三角測(cè)量時(shí)基于激光技術(shù)的一種測(cè)量方法，也是當(dāng)今最為廣泛應(yīng)用的測(cè)量方法?！叭菧y(cè)量法”[5]是利用三角形的穩(wěn)定性，運(yùn)用三角關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)三角形邊的長(zhǎng)度測(cè)量或者三角形頂點(diǎn)的位置定位的方法。早在十七世紀(jì)與十八世紀(jì)的大航海時(shí)代，人們就已經(jīng)運(yùn)用幾何中的三角法來(lái)航海與測(cè)繪，粗略定位船只與島嶼的位置。隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，三角法迎來(lái)了它的新生。在現(xiàn)代工業(yè)中，三角法結(jié)合激光技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)達(dá)到了測(cè)量領(lǐng)域的更高水平：快速，實(shí)時(shí)，非接觸，高精度等等。激光三角測(cè)量結(jié)合了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、光電成像技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)。作為一種具有高度的科學(xué)擬合性測(cè)量技術(shù)，正被人們?cè)絹?lái)越重視。光電檢測(cè)技術(shù)是第三次工業(yè)革命中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的測(cè)量技術(shù)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)關(guān)聯(lián)精密。而激光三角測(cè)量完全繼承了它精準(zhǔn)迅速的優(yōu)點(diǎn)。再結(jié)合舊式三角測(cè)量法的簡(jiǎn)便，成就了一個(gè)新舊結(jié)合的成功典范。非接觸測(cè)量的方式有很多：包括超聲波式、電渦流式、電容式等等。但與上述的測(cè)量方法相比，激光測(cè)量具有很多優(yōu)點(diǎn)，陳列如下[6-8]：由于集成了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，激光測(cè)量的體積很小，且操作簡(jiǎn)單；由于采用非接觸測(cè)量，并且利用激光光源，所以它的測(cè)量精度很高，且適用范圍很廣，對(duì)測(cè)量對(duì)象的要求比較低；應(yīng)用前景廣大，由于體積小且精度高，十分便于應(yīng)用于各種測(cè)量場(chǎng)合。例如，既可以測(cè)量距離也可以測(cè)量厚度，或者對(duì)測(cè)量體表面進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。不僅如此受益于激光測(cè)量?jī)x的小巧結(jié)構(gòu)，激光測(cè)量?jī)x不僅可以單獨(dú)測(cè)量，還可以作為大型儀器中的一部分。目前市面上的激光測(cè)量?jī)x，尤其是激光三角測(cè)量?jī)x，都是有其固定的測(cè)量參數(shù)。在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，應(yīng)用的測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度與測(cè)量范圍都是固定的，是無(wú)法改變的。不經(jīng)如此，受限于其激光光源是單束激光，現(xiàn)有的點(diǎn)激光測(cè)量?jī)x都只能做到一個(gè)方向上的測(cè)距。如果要對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行更加詳細(xì)的測(cè)量，比如測(cè)量物體厚度，則需要改變探頭的方向。并且，在調(diào)整完傳感器的測(cè)量方向后，還需要保證前后兩次的光軸在同一軸線上。這樣的操作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且精確度不高。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度的專項(xiàng)測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了雙激光卡尺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了厚度測(cè)量方面，光軸不統(tǒng)一以及無(wú)法標(biāo)定的問(wèn)題，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。1.2激光測(cè)量技術(shù)1.2.1激光測(cè)量激光測(cè)距（laserdistancemeasuring）顧名思義，就是在利用原有的激光技術(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用激光快速，抗干擾性強(qiáng)，單色性好以及光的波動(dòng)性等優(yōu)良特征來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量。從上世紀(jì)10年代末期開始，關(guān)于光的受激輻射的研究就進(jìn)入了科學(xué)家們的眼簾，并且一直被廣泛看好。到了上世紀(jì)50年代初，激光事業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了新的突破，湯斯和普洛克霍爾福分別發(fā)明了微波放大器。在此基礎(chǔ)上，歷經(jīng)接下來(lái)的十年發(fā)展，第一臺(tái)紅寶石激光器得以出世，我國(guó)也是不甘其后在1961年就擁有了自己的機(jī)器。為建立一個(gè)完整的研究體系，我國(guó)的科學(xué)家將“Laser”統(tǒng)一命名為“激光”或“激光器”。從此開啟了科技發(fā)展的又一新篇章。圖1-1：湯森與脈塞裝置圖1-2：世界上第一臺(tái)激光發(fā)射裝置大方向上激光器可以分為連續(xù)和脈沖兩種。更加細(xì)化地分類則可以將連續(xù)激光器分為相位測(cè)量與三角測(cè)量?jī)煞N。不同激光器的發(fā)光光源往往不同，用于不同的場(chǎng)合。連續(xù)的激光光源多由惰性氣體制作而成，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)相位式測(cè)量。連續(xù)的激光測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍很大，可以達(dá)到40公里，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間工作。而為了實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)量，激光器一般采用半導(dǎo)體光源。此外，在實(shí)現(xiàn)脈沖測(cè)量時(shí)，一般采用紅寶石等固體制作激光光源。脈沖式的激光測(cè)量?jī)x精度一般較低，但是可以用是超遠(yuǎn)距離測(cè)距，所以相對(duì)于超遠(yuǎn)距離的探測(cè)量程，精度較低也在可以接受的范圍。傳統(tǒng)激光測(cè)距儀的工作原理十分簡(jiǎn)單，類似于超聲波測(cè)距，都是測(cè)量信息介質(zhì)的傳輸時(shí)間來(lái)確定距離的數(shù)值。激光測(cè)量?jī)x的體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度較高，相對(duì)其他的光學(xué)測(cè)量?jī)x器激光測(cè)量?jī)x的精度更是提升了數(shù)十倍到數(shù)百倍之多。所以早期的激光測(cè)量?jī)x被廣泛地運(yùn)用在軍事領(lǐng)域。包括戰(zhàn)地測(cè)量、目標(biāo)定位以及設(shè)備高度測(cè)定等方面。在現(xiàn)代軍事方面具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值。此外，隨著生產(chǎn)力的解放，激光測(cè)量?jī)x的制造成本不斷下降，激光測(cè)量在工業(yè)方面也開始大放異彩。這些測(cè)量效率高、測(cè)量精度高、適應(yīng)范圍廣的激光測(cè)距儀在工業(yè)制造、能源以及交通[9-11]等多方面起到了重要的作用。雖然上文已經(jīng)提及激光測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理，但不同的測(cè)量方式往往利用了激光的不同屬性，在后期數(shù)據(jù)處理得到測(cè)量距離的方式也往往不同。本小節(jié)主要介紹當(dāng)今主要的三種測(cè)量方式的測(cè)量原理及特點(diǎn)。脈沖式測(cè)量?jī)x的原理就是上面已經(jīng)熟知的原理，是最為經(jīng)典與簡(jiǎn)便的原理。如圖1-3所示：激光由發(fā)射器發(fā)射，經(jīng)過(guò)被測(cè)目標(biāo)表面的漫反射回到激光接收器。整個(gè)過(guò)程由計(jì)時(shí)器精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，得到時(shí)間間隔，從而推導(dǎo)出間距。當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)，得到激光脈沖的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t時(shí)。 圖1-3：脈沖式激光測(cè)量原理圖D=1由公式1-1可以看出，脈沖式激光測(cè)量的精確度主要取決與脈沖信號(hào)到回波信號(hào)之間時(shí)間測(cè)量的精度，故多適用于超遠(yuǎn)距離測(cè)距，再要求較為精密的測(cè)量工程中往往無(wú)法達(dá)到測(cè)量要求。相位式激光測(cè)量?jī)x的則是應(yīng)用激光波的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量距離的。如果確定了激光的頻率，那么在已知光速的情況下，只需要知道一個(gè)相位差就能通過(guò)波長(zhǎng)求得距離。外部將高頻信號(hào)傳入測(cè)量?jī)x，測(cè)量?jī)x并不用進(jìn)行計(jì)時(shí)，只需要分析解出前后相位，再作差，再結(jié)合已知的高頻信號(hào)頻率就可以推算出相應(yīng)的距離。原理如圖1-4所示：圖1-4:相位式激光測(cè)量原理如原理所示，測(cè)量距離D根據(jù)式(1-2)求得D=c在公式（1-2）中，c是物理常量，表示光速，ΔΦ表示相位差。在這個(gè)測(cè)量方法中，最大的難點(diǎn)是相位差的確定。由于相位差測(cè)量精度在采樣頻率一致的情況下隨著原始信號(hào)頻率的增高而逐漸變大。所以為了確保測(cè)量的相位差的準(zhǔn)確度，對(duì)于高頻信號(hào)一般將其相位差信息轉(zhuǎn)到頻率較低的信號(hào)上。由于測(cè)量的相對(duì)誤差與承載的低頻信號(hào)的頻率反相關(guān)，所以為了確保精度，進(jìn)行處理所轉(zhuǎn)移的這個(gè)信號(hào)的頻率應(yīng)該保持一定的高度。確定了處理信號(hào)后，再對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換求解。此外，對(duì)于頻率較低的原始信號(hào)，則無(wú)需對(duì)再次轉(zhuǎn)換，只需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣變換就能得到其相位差信息。激光三角測(cè)距原理如圖1-5所示，激光器向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光，激光經(jīng)物體表面的漫反射進(jìn)入透鏡組，再通過(guò)透鏡組投射到CCD上，并完成成像。當(dāng)物體在標(biāo)準(zhǔn)距離附近發(fā)生移動(dòng)時(shí)，由于光路的改變，反射光在傳感器上的投影距離也會(huì)發(fā)生改變[12]。圖1-5：三角式激光測(cè)量原理由圖1-5可知，反射光線D’D與豎直方向和CCD的夾角分別是α和β，將凸透鏡的焦距設(shè)為f，物體真實(shí)的移動(dòng)距離設(shè)為為S。那么DO為物鏡距離L,OD’為像鏡距離L’，投射后的移動(dòng)距離為S’。由圖2-2可以判定三角形OFE和三角形O'F'E'相似，由此可知:E'F'EF并結(jié)合公式（1-4）：E'F'=S'EF=EDF'D'=S'cosDF=EDBA=可得：S'sin由高斯成像公式可知：1u+1推到可得：S=S'(L?f)對(duì)于式中的“?”，由于測(cè)量的位置是在標(biāo)準(zhǔn)位置上下移動(dòng)的，所以在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量位置的上下應(yīng)取不同的符號(hào)，根據(jù)其幾何原理，當(dāng)測(cè)量的實(shí)際位置在標(biāo)準(zhǔn)位置上方時(shí)應(yīng)當(dāng)取“+”，反之則是“-”。由圖中幾何關(guān)系可以知道，利用凸透鏡中心到下平面的距離H和夾角α可以確定成像的位置：H=L?cos再根據(jù)CCD的縱向距離I、角度α以及夾角β，我們能夠確定：γ=I=(L+L')sin結(jié)合高斯成像公式，即可得到角β的大?。害?arctanH一般來(lái)講，傳感器的感光單元長(zhǎng)度是所以單個(gè)感光單元長(zhǎng)度的總和。也就是說(shuō)：S’=n*m,n為單元數(shù)量，m為單個(gè)單位的長(zhǎng)度。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離時(shí)測(cè)量點(diǎn)的投影應(yīng)該在測(cè)量的中間部位，那么顯而易見的是在傳感器收集處的成像范圍是S∈?n?K=dS由此計(jì)算測(cè)距系統(tǒng)的分辨率m為：m=μ放大倍數(shù)指的是實(shí)際移動(dòng)距離與傳感器上的移動(dòng)距離之比。激光三角式位移傳感器優(yōu)點(diǎn)在于，即使遠(yuǎn)距離測(cè)量仍然能夠通過(guò)調(diào)整激光光源發(fā)射的激光屬性來(lái)獲得較小的激光束，從而可以得到較高的精確度。由于其測(cè)量距離范圍由內(nèi)部光學(xué)器件及布局設(shè)計(jì)而定，所以激光測(cè)量?jī)x往往可以通過(guò)不同的內(nèi)部設(shè)計(jì)，完成特定的測(cè)量任務(wù)。傳感器與被測(cè)目標(biāo)之間在測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有物理意義上的接觸，這使得非接觸式測(cè)量不僅解決了接觸式測(cè)量由于接觸擠壓造成的無(wú)法避免的工件形變與損傷以及由此導(dǎo)致的測(cè)量誤差，還擴(kuò)大了工程制造中的測(cè)量對(duì)象的范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)地較軟的、溫度較為苛刻的測(cè)量對(duì)象的高精度測(cè)量[13]。綜上所述，脈沖式激光測(cè)距儀一般用于超遠(yuǎn)程的距離測(cè)量，且絕對(duì)誤差很大，不適用于本課題的研究。同樣，相位式的激光測(cè)量?jī)x在測(cè)量本課題的≤70mm的測(cè)量范圍時(shí)，采樣的壓力會(huì)很大，由此產(chǎn)生的誤差也會(huì)很大。而三角激光測(cè)量?jī)x則是再小測(cè)量范圍內(nèi)的精度很高，響應(yīng)很快，非常適合本課題的研究。1.2.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光三角測(cè)量的發(fā)展很早，Selcom公司早在上世紀(jì)七十年代就已經(jīng)擁有了初步的產(chǎn)品，收到了業(yè)內(nèi)的充分關(guān)注。隨著激光測(cè)量的推陳出新，激光測(cè)量?jī)x的性能不斷提高，也逐漸能出現(xiàn)在我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域,成為社會(huì)中測(cè)量的不二之選。經(jīng)過(guò)四五十年的蓬勃發(fā)展，激光三角測(cè)量在眾多科研人員的不懈努力下已經(jīng)發(fā)展得十分成熟。為了滿足當(dāng)今不斷更迭的測(cè)量要求，原本簡(jiǎn)易的激光測(cè)量?jī)x也特化為各種各樣的專項(xiàng)型測(cè)量?jī)x器，擁有十分豐富的應(yīng)用種類。按照入射角度來(lái)分，現(xiàn)在市面上常見的激光測(cè)量?jī)x可以分為直射式與斜射式兩個(gè)大類。如果按照檢測(cè)方式來(lái)分類，則可以分為反射式與透射式，但是透射式一般不常見到。按照光源形式還可以分為點(diǎn)光源式和片光源式。反射式三角測(cè)量?jī)x包括直射和斜射兩種。前者的測(cè)量原理在上節(jié)已經(jīng)有所描述。斜射式的三角測(cè)量法原理則可通過(guò)下述簡(jiǎn)圖1-6來(lái)描述。兩者在信號(hào)接收部分的結(jié)構(gòu)是完全相同的，區(qū)別僅在于發(fā)射的激光光束與垂直方向是否有夾角。這種測(cè)量方法一般用于散射性不好的物體表面測(cè)量。圖1-6：斜射式原理圖至于透射式三角測(cè)量法，這個(gè)測(cè)量方法與傳統(tǒng)三角測(cè)量的不同點(diǎn)在于，它的激光發(fā)射器射出的是散射光，而非傳統(tǒng)式的平行激光。這樣的好處就在于能夠有效解決測(cè)量面過(guò)于光滑的問(wèn)題，但是這種方法的測(cè)量對(duì)象比較單一，主要針對(duì)一些類似透明材質(zhì)的測(cè)量對(duì)象。這些測(cè)量對(duì)象同有的特點(diǎn)就是散射能力很差，表面光滑容易產(chǎn)生反射。此測(cè)量方式并沒(méi)有大范圍推廣的另一個(gè)重要原因就是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且由于激光并不是平行光，所以測(cè)量精度也并不理想，只能滿足在特殊情況下的測(cè)量要求。在所查找的文獻(xiàn)中，只有劉明、曾理江曾利用這種方法測(cè)量了蜻蜓翅膀形狀[14]。測(cè)量原理如圖1-7所示：圖1-7：透射式原理圖在基于激光三角測(cè)量的原理的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在很對(duì)科研人員在其各個(gè)組成部件上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使得其能夠完成不同的測(cè)量任務(wù)以及提高相應(yīng)的測(cè)量精度。那么在考慮可優(yōu)化的部分時(shí)，其基本組成就可分為三部分：光源，光路以及接收部分。但是猶豫光路部分是三角測(cè)量原理的測(cè)量基礎(chǔ)，基本很難改變，所以許多開發(fā)者就將目光投向了光源部分以及接收部分。在這兩者上的更新使得三角測(cè)量法擁有了更加廣闊的應(yīng)用方向，使得三角測(cè)量煥發(fā)新春。首先是在激光方面的優(yōu)化：對(duì)于全面性、整體性的優(yōu)化以及對(duì)精確度的優(yōu)化。在對(duì)于全面性的優(yōu)化方面，考慮到傳統(tǒng)光源只有一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量反饋，測(cè)量信息少，且對(duì)測(cè)量對(duì)象的位置要求很高，科研人員選擇使用片光代替了原有的點(diǎn)激光，并在此基礎(chǔ)上衍生出了“光切法”測(cè)量方法?！肮馇蟹ā币唤?jīng)面世便憑借其全面性強(qiáng)，方便快捷，測(cè)量效率高等優(yōu)良特點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)光發(fā)熱。劉江、姜麗華等人就在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了板型的在線測(cè)量[15]；在對(duì)其整體性信息采集的應(yīng)用方面，其多用于測(cè)量對(duì)象的表面信息快速采集。吳克如、嚴(yán)岸等人就利用其這方面的特性完成了對(duì)斷裂面的三維信息采集并且進(jìn)行了三維模型重建[16][17]。此外，在對(duì)于精確度方面的優(yōu)化則是將傳統(tǒng)的高斯激光換成了擾動(dòng)更小的無(wú)衍射激光。傳統(tǒng)的高斯激光多是通過(guò)透鏡將半導(dǎo)體激光進(jìn)行光路處理后的結(jié)果，這樣產(chǎn)生的高斯光束的焦深會(huì)大大限制測(cè)量系統(tǒng)的范圍，而如果只是簡(jiǎn)單的增加一個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，則會(huì)大大增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。改用無(wú)衍射光束后，該光束的光斑大小不會(huì)隨著傳播距離的增加而增大，從而解除了焦深對(duì)量程的限制。該方法是由周麗萍等人[18]在研究過(guò)DwrninJ提出的無(wú)衍射光束的概念后才應(yīng)運(yùn)而生的。它很好地解決了以往激光測(cè)量系統(tǒng)量程小精度低的問(wèn)題。在接收部分的優(yōu)化則是對(duì)實(shí)時(shí)性與精度方面的提升，但提升的方式則是多種多樣。接收部分的主要元件就是光電轉(zhuǎn)換器件，依托于光電器件的快速發(fā)展，測(cè)量?jī)x器的更新?lián)Q代也十分迅速。在實(shí)時(shí)性方面：原始的光敏器件，如PSD與CMOS只能實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平，這就要求測(cè)量部分還需要一個(gè)數(shù)據(jù)處理裝置。受限于體積，處理裝置大多是單片機(jī)，但是單片機(jī)有限的處理速度又極大限制了儀器的效率以及精度，這成為了實(shí)時(shí)測(cè)量的一大絆腳石。為了解決這一問(wèn)題，DSP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以DSP為處理核心的處理裝置計(jì)算能力及響應(yīng)速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的實(shí)時(shí)性。在解決了測(cè)量實(shí)時(shí)性的問(wèn)題后，精度問(wèn)題也得到了巨大的發(fā)展。從最開始的線陣CCD到面陣CCD再到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CCD相機(jī)，CCD的成像面積越來(lái)越大并且成像分辨率越來(lái)越高。除了在硬件方面的革新，還可以使用兩個(gè)線陣CCD組合使用的方式來(lái)提升系統(tǒng)的分辨率和量程。激光三角測(cè)量在前人的不懈研究下應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，使用效果也越來(lái)約滿意?，F(xiàn)在的激光測(cè)量不僅僅是簡(jiǎn)單的位移測(cè)量，更能實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度、直徑等工業(yè)常用尺度的測(cè)量[19][20]；在測(cè)量量程方面，它不僅能滿足大量程的高相對(duì)精度測(cè)量,還能對(duì)極小尺寸對(duì)象的測(cè)量達(dá)到滿意的測(cè)量效果；在測(cè)量廣度方面，如今的測(cè)量?jī)x已經(jīng)不僅僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的一維測(cè)量還能實(shí)現(xiàn)面測(cè)量[21]。此外，在社會(huì)應(yīng)用方面，三角測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等醫(yī)療技術(shù)[22]方面，并且利用其測(cè)量實(shí)時(shí)性廣泛應(yīng)用于工業(yè)與交通測(cè)量。1.3課題研究的內(nèi)容本文首先分析了激光測(cè)距的原理，并分析了各種測(cè)距方法的優(yōu)劣，從而選擇了小范圍精度較高的三角激光測(cè)量法，并且針對(duì)激光測(cè)距對(duì)厚度測(cè)量方面出現(xiàn)的操作復(fù)雜、光軸難以保持同軸以及對(duì)測(cè)量坐標(biāo)標(biāo)定的問(wèn)題提出了解決方法，設(shè)計(jì)了基于三角激光測(cè)量法的雙激光AR卡尺設(shè)計(jì)系統(tǒng)，此外，還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸與處理的軟件界面，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的在機(jī)觀測(cè)與處理，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，滿足了數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了后續(xù)的展望。本文的主要章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一章：緒論。主要介紹了激光測(cè)距的相關(guān)原理、研究背景以及研究現(xiàn)狀。分析激光測(cè)距各種測(cè)量方法的特點(diǎn)和在應(yīng)用過(guò)程中的不足，并依此說(shuō)明本課題研究的目的和意義。第二章：系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。本章主要介紹整體設(shè)計(jì)原理，以及系統(tǒng)中硬件的選型，并分析系統(tǒng)的可行性。第三章：軟件界面設(shè)計(jì)與程序編寫。主要介紹應(yīng)用的軟件以及基于軟件制作的上位機(jī)界面與后臺(tái)操作程序。第四章：數(shù)據(jù)處理與結(jié)果可行性分析。主要介紹了再當(dāng)前系統(tǒng)下，對(duì)測(cè)量目標(biāo)測(cè)量的測(cè)量精確度分析，確定系統(tǒng)的可行性。第五章：總結(jié)與展望。主要介紹了本課題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中以及在實(shí)踐操作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)改進(jìn)的方向以及后續(xù)怎樣進(jìn)一步完善提出初步的意見。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1引言目前市面上的激光測(cè)量?jī)x，尤其是激光三角測(cè)量?jī)x，都是有其固定的測(cè)量參數(shù)。在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，應(yīng)用的測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度與測(cè)量范圍都是固定的，是無(wú)法改變的。不僅如此，受限于其激光光源是單束激光，現(xiàn)有的點(diǎn)激光測(cè)量?jī)x都只能做到一個(gè)方向上的測(cè)距。如果要對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行更加詳細(xì)的測(cè)量，比如測(cè)量物體厚度，則需要改變探頭的方向。并且，在調(diào)整完傳感器的測(cè)量方向后，還需要保證前后兩次的光軸在同一軸線上。這樣的操作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且精確度不高。本章對(duì)測(cè)量厚度的激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，使得測(cè)量能夠簡(jiǎn)便化，精準(zhǔn)化。2.2硬件系統(tǒng)介紹2.2.1系統(tǒng)原理圖SEQ圖\*ARABIC2-1：硬件組成示意圖整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖2-1所示。在整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，借鑒了經(jīng)典的卡尺工作模型，但是相比較于原始的卡尺,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度更高，實(shí)時(shí)性更好。本系統(tǒng)由四大部分組成：兩側(cè)的激光測(cè)距探頭、固定探頭的導(dǎo)軌底座、與探頭相連的傳感器放大器以及最后的計(jì)算機(jī)上位機(jī)控制。但是非固定的軌道也導(dǎo)致本系統(tǒng)面臨一個(gè)原始卡尺并不存在的問(wèn)題：共軸測(cè)量難以保證，并且，本系統(tǒng)并沒(méi)有原始零點(diǎn)，測(cè)量時(shí)需要兩端測(cè)量，所以，相比手動(dòng)卡尺，本系統(tǒng)仍需要一個(gè)標(biāo)定的過(guò)程。如圖2-2所示：本系統(tǒng)的測(cè)量原理十分簡(jiǎn)明：利用三角測(cè)量?jī)x，我們能輕松得到測(cè)量探頭到被測(cè)物的距離Xi（X1與X2），那么在保證同軸測(cè)量的情況下，只需要利用一個(gè)已知厚度的標(biāo)定模塊，就能推算出兩個(gè)測(cè)量探頭投影屏之間的距離。維持此距離不變，就能測(cè)量出其他未知厚度的目標(biāo)。而被測(cè)物體的精度由標(biāo)準(zhǔn)量塊精度，探頭探測(cè)精度與光軸位置精度共同決定。圖2-2:測(cè)量厚度原理圖D=X?X在參考了傳統(tǒng)卡尺的結(jié)構(gòu)模型之后，首先要確保兩個(gè)激光探測(cè)頭的光軸一致，那么在水平方向上需要制作一個(gè)高度一致且軌跡為直線的導(dǎo)軌，如圖2-3.圖2-4所示。并在導(dǎo)軌的一段合適距離中（滿足測(cè)量量程要求）設(shè)置兩探頭的固定卡槽，以確保在后期標(biāo)定完成后，標(biāo)定的總體長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變化。圖2-SEQ圖\*ARABIC3：測(cè)量部分示意圖側(cè)視圖圖2-SEQ圖\*ARABIC4：測(cè)量部分示意圖俯視圖2.2.2激光器介紹上世紀(jì)80年代，日本基恩士（Keyence）公司率先在在市場(chǎng)上亮相了基于三角激光測(cè)量的測(cè)距產(chǎn)品，并依靠著它超高的性能與性價(jià)比在世界上風(fēng)靡一時(shí)?；魇抗疽步璐苏碱I(lǐng)的世界上50%以上的激光測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)，如今基恩士公司推出了三個(gè)系列的激光測(cè)量?jī)x來(lái)滿足市場(chǎng)上絕大多數(shù)的測(cè)量需求，包括IL系列、LK-G系列和LK-G5000系列產(chǎn)品。本課題選擇的就是基恩士公司IL系列產(chǎn)品中的IL-S025激光傳感器和IL-1000傳感器放大器。激光探頭IL-S025，如圖：圖2-5：IL-S025實(shí)物圖圖2-6：IL-S025實(shí)物介紹如圖2-4，在IL-S025的工作面，有兩個(gè)小的透鏡窗口，其中小的透鏡是激光發(fā)射器，在工作時(shí)有此處發(fā)射連續(xù)的激光光束。較大的透鏡窗口是激光接收器，接收由測(cè)量物體表面反射回來(lái)的激光光束。在設(shè)備工作之前，要先確定兩個(gè)透鏡的表面干凈光滑，沒(méi)有污漬與裂痕。邊緣的兩個(gè)安裝孔則需要緊密連接在平整的平臺(tái)上如圖2-5所示：圖2-7：IL-S025安裝示意圖若探測(cè)頭非正常安裝（沒(méi)有橫向安裝），則激光接收器接收的光束中會(huì)有很多來(lái)自激光發(fā)射器側(cè)的平臺(tái)反射光，從而制造了很多干擾光，檢測(cè)值會(huì)發(fā)生很大的變化，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。與激光探頭相匹配的，傳感器放大器的選型是IL-1000，如圖2-6所示：圖2-8：IL-1000與IL-S025IL-S025激光探測(cè)頭在與IL-1000傳感器放大器連接后，能夠滿足再20mm-30mm的探測(cè)區(qū)間，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小1μm的探測(cè)精度，它的采樣速率為0.33/1/2/5ms（可在4此外，IL-S025與IL-1000的環(huán)境耐受性也比較強(qiáng)：具有IP67防護(hù)等級(jí)；可以抗10000lx白熾燈環(huán)境干擾；在無(wú)冷凝與冰凍的條件下，工作溫度環(huán)境可以從-10℃~50℃，工作濕度環(huán)境可以從30%相對(duì)濕度到80%相對(duì)濕度；可在10至55Hz，1.5mm雙振幅，X、Y和Z軸分別2個(gè)小時(shí)的震動(dòng)環(huán)境下保持測(cè)量的高精度。且該測(cè)量系統(tǒng)體積較小，質(zhì)量較輕，便于移動(dòng)測(cè)量。2.3測(cè)量過(guò)程1、首先如圖2-1所示在導(dǎo)軌上的合適距離安裝探頭與傳感器放大器等器件；2、在被測(cè)物體出固定上標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊D標(biāo)；3、移動(dòng)兩側(cè)的測(cè)量探頭，使得兩個(gè)傳感器放大器能夠成功得出讀數(shù)X1,X2；并且由公式（2-1）易得：總長(zhǎng)L=D標(biāo)+X1+X2，完成標(biāo)定；4、取下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊，換上需要測(cè)量的物體，并得出兩側(cè)數(shù)據(jù)X1’，X2’；5、將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上位機(jī)界面，從而得出處理后的數(shù)據(jù)。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了三角激光測(cè)量?jī)x的發(fā)展歷史，對(duì)與測(cè)量物體厚度的激光探測(cè)探頭以及傳感器放大器進(jìn)行了選擇，并從精度，抗干擾能力方面解釋了選擇IL-S025與IL-1000的原因。此外，本章還進(jìn)一步講解介紹了測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理，并根據(jù)其測(cè)量原理制作出物理架構(gòu)并點(diǎn)明安裝要點(diǎn)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)收集提供了平臺(tái)。軟件界面程序編寫3.1引言在在機(jī)測(cè)量[3][23]沒(méi)有普遍應(yīng)用的時(shí)候，工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量檢測(cè)都需要由人工來(lái)進(jìn)行測(cè)量。人工檢測(cè)的數(shù)值精度浮動(dòng)很大，而且由于數(shù)據(jù)傳輸效率以及重復(fù)工作耗費(fèi)大量人力導(dǎo)致其測(cè)量效率都很難讓人滿意。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量數(shù)據(jù)的處理實(shí)時(shí)性得到了保證，這使得在機(jī)測(cè)量成為可能。在機(jī)測(cè)量通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)修改工業(yè)制造過(guò)程中的出現(xiàn)的種種誤差，從而避免了工件直接因?yàn)檎`差造成質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況，大大降低了生產(chǎn)的成本，為工業(yè)生產(chǎn)提供了有效的生產(chǎn)保障。在機(jī)測(cè)量是提高測(cè)量精度和效率的一種十分有效方法，并且已成為現(xiàn)代制造質(zhì)量檢測(cè)體系中不可缺少的一部分。在機(jī)測(cè)量將激光測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，不僅發(fā)揮了了激光測(cè)量技術(shù)響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì),還可以在測(cè)量過(guò)程中及時(shí)收集工件的制造信息。現(xiàn)階段，利用工件的在機(jī)測(cè)量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的測(cè)量加工同步進(jìn)行已經(jīng)成為加工復(fù)雜零件的不二之選，是高質(zhì)高效加工的重要環(huán)節(jié)。由于在機(jī)測(cè)量的百利而無(wú)一害，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究進(jìn)行得如火如荼，并且都取得了不俗的成果。在國(guó)外，BesicI將非接觸測(cè)量與接觸測(cè)量相結(jié)合，利用CMM掃描得到了極其平整的規(guī)則零件。在零件的表面，誤差甚至低于7μm，這也進(jìn)一步證明了在機(jī)測(cè)量的的巨大優(yōu)勢(shì)與可行性[24]。此外，Ko注重于在機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，利用在機(jī)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了對(duì)零件的的三維模型重構(gòu)[25][26]。在國(guó)內(nèi)，在機(jī)測(cè)量的發(fā)展也是不遑多讓。大連理工大學(xué)將在機(jī)測(cè)量應(yīng)用于流水化作業(yè)，在在機(jī)測(cè)量的巨大作用下，經(jīng)過(guò)一次加工的零件仍然能保持較高的精密度，能夠接著進(jìn)行下一步加工[27]，將在機(jī)測(cè)量的在機(jī)調(diào)整與信息收集應(yīng)用得淋漓盡致。華中科技大學(xué)也利用在機(jī)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜曲面對(duì)象的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)搭建[28]。由此可見，在機(jī)測(cè)量是當(dāng)前測(cè)量與控制的大勢(shì)所趨，本章就基于數(shù)據(jù)傳輸單元，編寫了測(cè)量數(shù)據(jù)在機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)處理的顯示界面。3.2編程環(huán)境LabVIEW是一個(gè)成熟的具有大量函數(shù)庫(kù)的開發(fā)環(huán)境，擁有不弱于C和BASIC的開發(fā)能力。但是LabVIEW與其他開發(fā)語(yǔ)言有些不同。其最大差異點(diǎn)在于：其他編程語(yǔ)言基本上都是采用程序，代碼等文本型語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，例如C++，Java，python等等，而LabVIEW恰恰相反，它采用模塊化，功能化的編寫方式，將輸入、輸出、邏輯關(guān)系等需要實(shí)現(xiàn)的功能用更加直觀的圖片化方式來(lái)表達(dá)。與C和BASIC編程語(yǔ)言一樣，作為一個(gè)通用的編程系統(tǒng)，LabVIEW有一個(gè)可以完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)采集、分析、顯示及存儲(chǔ)等等功能。除此之外LabVIEW與其他環(huán)境相同的一點(diǎn)是，在這個(gè)開發(fā)環(huán)境中，也仍然有許多便利的工具用來(lái)對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的模塊進(jìn)行整理。例如：?jiǎn)尾綀?zhí)行，設(shè)置斷點(diǎn)等等，在調(diào)試修改程序中起到非常大的作用。在LabVIEW中，系統(tǒng)往往使用圖標(biāo)來(lái)代替現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物，并將圖標(biāo)賦予實(shí)物所能實(shí)現(xiàn)的功能。并且LabVIEW的編程思維也與傳統(tǒng)的編程方法相左。傳統(tǒng)的思維方式是用指令決定其運(yùn)行的順序；而在LabVIEW中，可以通過(guò)明顯的數(shù)據(jù)流流向看到每個(gè)模塊的運(yùn)行順序，包括邏輯順序。LabVIEW可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。在不改變硬件的條件下，能通過(guò)改變軟件程序從而改變顯示窗口，具有極大的便捷性與適用性。本章也應(yīng)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的在機(jī)測(cè)量與數(shù)據(jù)收集處理，并用C++進(jìn)行了一部分功能對(duì)照。3.2.1功能實(shí)現(xiàn)在軟件的設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)五個(gè)功能：顯示當(dāng)前測(cè)量值；實(shí)現(xiàn)標(biāo)定；顯示厚度；求取測(cè)量值及厚度的平均值與方差；求取厚度測(cè)量精度。在模式方面，擬實(shí)現(xiàn)三個(gè)模式，普通顯示模式；標(biāo)定模式以及數(shù)據(jù)處理模式。普通顯示模式：在接入通訊單元開始工作后，應(yīng)能夠直接顯示兩側(cè)的測(cè)量讀數(shù)。標(biāo)定模式：點(diǎn)擊標(biāo)定按鈕，開啟標(biāo)定模式，手動(dòng)輸入，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊的厚度，激光探頭則是實(shí)時(shí)讀出當(dāng)前的兩端讀數(shù)，得到總的長(zhǎng)度X，在標(biāo)定模式開啟的情況下，點(diǎn)擊確定按鈕，保存當(dāng)前總長(zhǎng)。數(shù)據(jù)處理模式：關(guān)閉標(biāo)定模式，利用之前存儲(chǔ)的總長(zhǎng)X以及兩端讀數(shù)，結(jié)合公式（2-1）可以得到被測(cè)物體的厚度D，點(diǎn)擊平均按鈕，可以開啟數(shù)據(jù)處理模式，在被測(cè)厚度確定的情況下，收集多組數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（3-1）求平均以及求方差，從而進(jìn)一步通過(guò)公式（3-2）確定測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。xS2精確度的求取為：Q=|3.2.2界面及程序如圖3-1所示：選擇合適波特率并且正常連接通訊單元后，該系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)正常工作。此前端界面中，用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理輸入窗口僅有一個(gè)，就是用于輸入此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)塊厚度數(shù)據(jù)的“標(biāo)準(zhǔn)厚度”，并通過(guò)標(biāo)定計(jì)算顯示總長(zhǎng)數(shù)據(jù)；在顯示界面中間三個(gè)窗口則可以顯示兩側(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)X1、X2，以及運(yùn)算后的厚度D；在切換為數(shù)據(jù)處理模式后，則通過(guò)下方的七個(gè)顯示窗口顯示處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。圖3-1：上位機(jī)前端界面圖3-2：標(biāo)定模塊框圖如圖3-2，此處的程序框圖為選擇標(biāo)定模式時(shí)用于保留總長(zhǎng)數(shù)據(jù)的程序框圖。圖3-3：顯示模式的程序框圖如圖3-3，此處程序是普通顯示模式程序，將通訊單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)解析后直接顯示。圖3-4：標(biāo)定后的顯示模式程序框圖如圖3-4此程序?yàn)閷?shí)現(xiàn)標(biāo)定及顯示厚度的程序模塊，將兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)定的總長(zhǎng)進(jìn)行處理，得到厚度D。圖3-5：數(shù)據(jù)處理模塊在選擇數(shù)據(jù)處理模式后，通過(guò)上圖的程序處理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)平均值、方差以及厚度精度的確定。3.3通訊單元通訊單元采用DL-RS1A通訊單元，如圖所示：圖3-2：DL-RS1A實(shí)物圖將DL-RS1A與傳感器放大單元連接之后，再將其與串口轉(zhuǎn)接相連接，從而實(shí)現(xiàn)將測(cè)量數(shù)據(jù)收集至計(jì)算機(jī)單元。連接方式如圖3-3所示：圖SEQ圖\*ARABIC6：串口連接方式3.4本章小結(jié)本章介紹了當(dāng)前在機(jī)檢測(cè)與控制的必要性與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在機(jī)測(cè)量的發(fā)展?fàn)顩r，簡(jiǎn)單介紹了LabVIEW的基本功能與編程特性。并基于LabVIEW軟件與本課題的實(shí)驗(yàn)方法給出了相應(yīng)的上位機(jī)測(cè)量界面，在測(cè)量界面中，按照一定操作流程能夠便捷直觀地得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)精度。數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析4.1引言在科學(xué)研究中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)是為了使系統(tǒng)在社會(huì)成產(chǎn)中擁有真正的使用效果，使得其能夠解決社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題。因此，本課題僅僅滿足與完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是不可取的，還應(yīng)該分析系統(tǒng)完成后得到數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到本系統(tǒng)的測(cè)量精度以及應(yīng)用前景。因此數(shù)據(jù)分析是完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一環(huán)，也是驗(yàn)證系統(tǒng)合理性與適用性的重要的一環(huán)。4.2數(shù)據(jù)處理4.2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室溫23℃，正常大氣壓強(qiáng)下，20%空氣濕度的室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量得出的。在室內(nèi)，無(wú)明顯機(jī)械振動(dòng)干擾，無(wú)顯著電磁干擾與電磁屏蔽，無(wú)風(fēng)力干擾，無(wú)強(qiáng)光源干涉干擾。實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為干凈，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度高。4.2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將LabVIEW中收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出可得到詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：再參考公式（3-1）、（3-2）當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模塊大小為50mm時(shí)，得到數(shù)據(jù)如表一所示：表一：標(biāo)定厚度為50mm的數(shù)據(jù)標(biāo)定厚度為50（單位：mm）次數(shù)左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D精度總長(zhǎng)標(biāo)定2.34-1.27500.0108%51.0714.322.1144.644.322.1144.6424.322.1144.644.322.1144.6434.312.1244.644.3172.11344.6444.312.1144.654.3152.11344.64354.312.1144.654.3142.11244.644可知，在此種標(biāo)定模式下，精度能夠達(dá)到0.0108%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的0.05%，是能夠符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)將標(biāo)定模塊大小換為30mm時(shí)，得到的數(shù)據(jù)如表二所示：表二：標(biāo)定厚度為30mm的數(shù)據(jù)標(biāo)定厚度為30（單位：mm）次數(shù)左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D精度總長(zhǎng)標(biāo)定3.942.47300.0118%36.411-2.174.7233.86-2.174.7233.862-2.174.7333.85-2.174.72533.8553-2.184.7233.87-2.1734.72333.864-2.184.7333.86-2.1754.72533.865-2.174.7233.86-2.1744.72433.86由表中數(shù)據(jù)可知：當(dāng)標(biāo)定模塊的大小時(shí)30mm時(shí)，測(cè)量的精度為0.0118%，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期目標(biāo)的。當(dāng)將標(biāo)定模塊大小降為10mm時(shí)，得到的數(shù)據(jù)如表三所示：表三：標(biāo)定厚度為10mm的數(shù)據(jù)標(biāo)定厚度為10（單位：mm）次數(shù)左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D左側(cè)X1右側(cè)X2厚度D精度總長(zhǎng)標(biāo)定3.443，57100.311%17.011-3.980.4320.56-3.980.4320.562-3.990.4320.57-3.9850.4320.5653-3.980.4320.56-3.9830.4320.5634-3.980.4420.55-3.9830.43320.565-3.980.4420.55-3.9820.43420.558分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量的精確度為0.311%，要大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的要求。4.2結(jié)果分析結(jié)合上節(jié)的數(shù)據(jù)：標(biāo)定塊大小50mm30mm10mm測(cè)量精度0.0108%0.0118%0.311%測(cè)量物體大小44.644mm33.86mm20.558mm分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著被測(cè)物體體積的減小，測(cè)量的精度逐漸降低，且再第三組數(shù)據(jù)中測(cè)量精度明顯已經(jīng)不符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)所用的探頭范圍是25mm±5mm，也就是說(shuō)，在標(biāo)定模塊確定的情況下，被測(cè)物體的大小最多只能在標(biāo)定模塊厚度的上下20mm浮動(dòng)，那么當(dāng)標(biāo)定模塊越小，所能測(cè)量的目標(biāo)一定是越小的。再加上激光顯示的精度是小數(shù)點(diǎn)后兩位，為固定數(shù)值，則標(biāo)定模塊越小，測(cè)量目標(biāo)越小，顯示精度不變時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量精度會(huì)下降，這是必然的趨勢(shì)。但在分析第三組數(shù)據(jù)的精度變化過(guò)大時(shí)，本人分析可能為實(shí)驗(yàn)的操作誤差：在標(biāo)定塊越來(lái)越小的趨勢(shì)下，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)對(duì)標(biāo)定快的準(zhǔn)確性要求較高，如果標(biāo)定塊無(wú)法成功正確標(biāo)定，例如10mm的標(biāo)定塊，對(duì)外界的抗干擾能力較差就會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)精度要求大大降低的狀況。4.3本章小結(jié)本章主要陳列了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同標(biāo)定情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)情況，通過(guò)不同條件下的數(shù)據(jù)對(duì)比分析出了：當(dāng)標(biāo)定模塊越小，則測(cè)量模塊越小，測(cè)量精度越低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)了進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，有可能出現(xiàn)的操作失誤從而導(dǎo)致的結(jié)果誤差過(guò)大的問(wèn)題?？偨Y(jié)與展望5.1全文總結(jié)激光測(cè)距法以其簡(jiǎn)單、靈活、非接觸等特性在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文針對(duì)激光測(cè)量在測(cè)量物體厚度時(shí)產(chǎn)生的操作復(fù)雜，光軸不準(zhǔn)等問(wèn)題展開討論，設(shè)計(jì)出了便捷直觀的雙激光卡尺系統(tǒng)。本文主要完成的工作內(nèi)容如下：查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)，了解了現(xiàn)有激光測(cè)距儀器的發(fā)展?fàn)顩r。分析并理解了了現(xiàn)有激光三角測(cè)量方式的原理及特點(diǎn)。充分了解了激光三角法在測(cè)量領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和在應(yīng)用過(guò)程中的不足，并依此提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向和系統(tǒng)要求。根據(jù)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，并從理論上分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。3.構(gòu)建了測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)物系統(tǒng)與在機(jī)測(cè)量的觀測(cè)界面，并在實(shí)驗(yàn)中得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)踐中證明了系統(tǒng)的可行性以及精確度的可靠性。5.2展望本系統(tǒng)雖然已經(jīng)滿足了對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)物體測(cè)量的精確度要求，但是整體系統(tǒng)仍然有很大的提升空間：本系統(tǒng)是針對(duì)≤70mm，的器件，在，測(cè)量范圍中仍具有較大的提升空間，考慮是否可以通過(guò)變焦型激光測(cè)量?jī)x達(dá)到在保持測(cè)量精度的同時(shí)具備較廣泛的測(cè)量范圍。本系統(tǒng)測(cè)量的對(duì)象多是形狀較為標(biāo)準(zhǔn)的物體，對(duì)于曲面彎折幅度較大或者不規(guī)則的測(cè)量對(duì)象的測(cè)量結(jié)果誤差較大，考慮是否可以通過(guò)改變光源形式，從點(diǎn)光源變?yōu)榫€光源，來(lái)適應(yīng)測(cè)量對(duì)象的多樣性?；蚴抢盟惴ú僮鳈C(jī)器控制被測(cè)物體使其表面始終垂直于光軸，從而獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的后期數(shù)據(jù)處理較為基礎(chǔ)，并沒(méi)有進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，可以編寫相應(yīng)算法，使得數(shù)據(jù)形式更加立體化。本系統(tǒng)的光軸同軸是將探頭外殼以及導(dǎo)軌平行度高作為先決條件的，在更高精度測(cè)量中難以應(yīng)用，考慮使用相應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)利用機(jī)器對(duì)光軸進(jìn)行校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)光軸的同軸化。參考文獻(xiàn)羅勝彬,宋春華,韋興平,李航.

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