激光传感器扫描边缘系统定位方法研究*

许增朴， 许敬华， 王永强， 周聪玲

(天津科技大学 机械工程学院，天津 300222)



激光传感器扫描边缘系统定位方法研究*

许增朴， 许敬华， 王永强， 周聪玲

(天津科技大学 机械工程学院，天津 300222)

摘要:非接触式齿轮倒角测量系统物体坐标系与运动平台坐标系的系统定位是通过人工控制XY移动平台携带激光传感器运动使激光点投射到棋盘格左下角点，该方法存在一定的人为误差，增加了齿轮倒角测量的系统误差[1]。提出用激光位移传感器扫描测量标定板右侧和下侧边缘突变点位置坐标来确定标定板右下角点位置坐标信息，棋盘格有效区域左下角点与标定板右下角点间的距离已知，控制XY二维运动平台运动，使激光点投射到棋盘格有效区域左下角点的位置，完成系统定位。

关键词:激光位移传感器； 扫描方向； 上升沿； 下降沿； 最小二乘法

0引言

汽车在换挡过程中，变速箱齿轮连接的平稳性和运动传递的平稳性与倒角齿轮倒角轮廓的精度有直接关系[2]。针对传统的倒角轮廓测量方法，利用机器视觉和激光位移传感器的非接触测量方法应运而生，其测量速度快、非接触、避免工件划伤等优点，使其具有广阔的市场前景。然而，目前非接触式齿轮倒角测量系统物体坐标系与运动平台坐标系的系统定位是通过人工控制XY移动平台携带激光传感器运动使激光点投射到棋盘格左下角点，该方法存在一定的人为误差，增加了齿轮倒角测量的系统误差[3],因此，需要进一步研究非接触式齿轮倒角测量系统的系统定位。

非接触齿轮倒角测量系统使用标定板对系统进行标定，本文所用标定板厚度为3 mm，通过使用激光位移传感器从标定板外侧向标定板内侧进行扫描，激光位移传感器会扫描测量到具有3 mm高度突变的突变点，通过多次扫描获得突变点位置坐标，就可以通过最小二乘法对右侧和下侧突变点位置坐标信息进行直线拟合，两条拟合直线求交点即可获得标定板右下角点位置坐标信息。实验证明：通过这种方法能够实现系统自动定位，免除了操作者通过手工控制完成系统定位。

1激光位移传感器测距原理

激光位移传感器的测距原理如图1，从半导体激光器射出来的光束，经过投光棱镜聚焦，照射在测量对象表面，经过漫反射，一部分反射光经过受光棱镜聚焦，在光位置检测元件形成光点。当被测对象从O移动到A或B，位置检测元件上的光点也相应的从O′点移动到A′点或者B′点[4]。根据激光传感器光位置检测元件上光点的位置就可以计算出相应的被测物体位移量，这就是本实验系统所用激光传感器三角测距原理。

在本实验中，测量标定板上升沿下降沿突变点位置坐标的原理正是利用了激光位移传感器被测对象是固定的，激光位移传感器是固定在XY移动平台上，通过控制移动平台运动，激光位移传感器可以从标定板外侧向上扫描标定板，外侧与标定板上表面有一个高度差，记录产生高度差的上升沿突变点。同理，当从标定板上表面向右移出时，记录产生高度差的下降沿突变点，通过这两个突变点就可以得到标定板左下角点位置信息。

图1　激光位移感器原理图Fig 1　Principle diagram of laser displacement sensor

2测量系统定位原理

如图2所示，棋盘格有效区域与标定板外边缘是平行的，定位板安装在工作台左侧与上方边缘处。该定位板有两个作用，一是在测量系统搭建时作为XY二维运动平台的横纵校准依据，二是在进行坐标系统一工作时，将标定板在工作台上向上向左贴紧定位板，保证定位板与XY二维运动平台的横纵方向一致。利用激光传感器扫描标定板下边缘和右边缘突变点确定标定板右下角点的步骤如下：

1)激光传感器扫描从下往上测量标定板下边缘，标定板厚度3 mm，测量时得到3 mm上升沿突变点P1，P1点与右下角点O的x坐标一样，如图2所示，即

Ox=P1x.

(1)

2)激光传感器扫描从左往右测量标定板右边缘，标定板厚度3 mm，测量时得到3 mm下降沿突变点M1，M1点与右下角点O的y坐标一样，即

Oy=M1y.

(2)

3)重复步骤(1),(2)，分别获取P1,P2,P3,…,P12，M1,M2,M3,…,M12共24个突变点位置坐标。

4)对步骤(3)获取的突变点位置坐标进行最小二乘法拟合，通过两条拟合直线求交点，获得标定板右下角O位置坐标。

图2　坐标系统示意图与所用标定板Fig 2　Diagram of coordinate system and used calibration board

通过以上步骤，求得标定板右下角点O位置信息，又已知标定板有效区域左下角点P与标定板右下角点O位置沿x方向相距65mm,y方向相距218mm，在该测量系统中XY移动平台运动单位是μm，因此,可以计算出棋盘格有效区域左下角点坐标信息，即

Px=Ox-65 000,

(3)

Py=Oy+218 000.

(4)

由以上公式计算得到标定板有效区域左下角点P(Px,Py)，之后,就可以通过控制XY移动平台携带激光传感器运动到角点P，完成系统定位。

3最小二乘法

实际测量过程中，所测突变点位置包括x,y两个方向坐标，设定最小二乘直线目标方程为

y=f(x)=kx+b.

(5)

根据最小二乘原理，误差平方为

(6)

误差的平方和最小为准则,分别对k和b求偏导并令偏导为0

(7)

求解式(7)得到目标直线系数k和b

(8)

(9)

将k和b带入式(5)即可得到最小二乘拟合直线方程。

4正确使用激光位移传感器

在实验过程中，发现激光传感器在测量时未能正确使用会对实验精度有比较大的影响。因此，正确使用激光传感器能减小实验误差，提高系统精度[6]。

激光位移传感器入射光线与反射光线所成平面与被扫边缘平行，这时入射光线与反射光线同时到达被测物边缘，不存在反射光线被遮挡问题。然而，当激光位移传感器入射光线与反射光线所成平面与被扫边缘垂直，这时会存在一个发射源或者接收源谁先靠近被测物的问题。如图3，被测量块固定，传感器向左扫描，当传感器发射出来的激光束还未到达被测物上升沿边缘时，反射光线被被测物侧面遮挡，传感器接收不到反射线，误认为此时是量块上升沿突变点。故在测量过程中一定要注意避开这种扫描方式。倘若入射光线首先靠近被测物，则不会出现反射光线被遮挡问题，可以正确检测到突变点。因此，在使用激光位移传感器时选择正确的测量方式对系统测量精度或者测量成败有决定性作用。

图3　传感器扫描方式Fig 3　Sensor scanning mode

5实验与数据分析

本实验对标定板右下边缘分别测量12次，软件界面设置8个文本编辑框控件，用于显示突变点位置坐标信息。

实验所测数据见表1。

表1　突变点坐标测量数据

Matlab可视效果好，用Matlab拟合测量得到的标定板右下边缘点[7]，拟合效果图如图4。

拟合出两条直线方程

y1=-82.021 9x-9.906 6×106,

(10)

y2=-82.021 9x+1.464 4×105.

(11)

图4　数据拟合效果图Fig 4　Data fitting effect

通过这两条直线方程联立，求得交点为

O(-122 581.75,147 788.39).

代入式(3)、式(4)，得到标定板有效区域

左下角P点位置信息

P(-187 581.7,365 788.39).

然后就可以给XY移动平台X方向-187 581μm、Y方向365 788.39μm的指令控制其运动，实验结果表明:XY移动平台可以携带激光传感器运动，并且红色激光点可以准确照射到棋盘格有效区域左下角黑色角点，完成系统定位。

6结论

本文利用实验平台测量系统，对激光位移传感器的正确使用方法进行了实验，并正确使用激光位移传感器扫描测量突变点位置坐标，对所获取坐标信息进行最小二乘法直线拟合，通过两条直线求交点获得系统相对原点，完成系统定位。该方法能够减少人为参与，极大减少系统误差。

参考文献:

[1]刘国浩.齿轮倒角测量方法的研究[D].天津：天津科技大学，2014.

[2]闵建苹.汽车变速器齿轮啮合运动研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]赵继聪.激光传感器原理及应用[J].科技向导,2011,22(9):102-103.

[4]王涛.变速器齿轮倒角尺寸检测中的视觉测量技术[J].MC现代零部件，2014,14(2):80-81.

[5]张新华.齿轮倒角轮廓激光测量系统研究[D].天津：天津科技大学，2011.

[6]李冬冬.激光三角法在物面倾斜时的测量误差研究[J].传感器与微系统,2015,34(2):28-29.

[7]唐昌建.Matlab基础及应用[M].成都：四川大学出版社，2006:123-135.

Research on system localization method of laser sensor scanning edge*

XU Zeng-pu, XU JING-hua, WANG Yong-qiang, ZHOU Cong-ling

(College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300222,China)

Abstract:Non-contact measurement system gear chamfering object coordinate system and system positioning of coordinates of movement platform is to bring laser sensor to move so as to make laser spot to project onto lower left corner point,checkerboard XY mobile platform via manual control,this method has some human error,which increases in system measurement error gear chamfering[1].Present measurements with using laser displacement sensor to scan calibration plate and the lower edge of the right side of point mutations in the lower right corner location coordinates to determine the calibration board position coordinate information from the lower left corner of the effective area of the checkerboard point between the calibration plate lower right corner is known,control XY motion of two-dimensional motion platform,laser spot is projected onto location of the lower left corner point of checkerboard in active area,complete system positioning.

Key words:laser displacement sensor; sanning direction; rising edge; falling edge;least squares method

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0049—03

收稿日期：2015—04—28

*基金项目：天津市科技支撑计划资助项目(13ZCZDGX01400)

中图分类号:TP 274

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0049—03

作者简介:

许增朴(1952-)，男，河北安国人，教授，研究方向为机械参数测量与控制。