基于激光三角法的工件厚度测量系统研究
随着制造强国战略的实施，提高制造质量成为重中之重的任务。对诸如航天器薄壁、火箭燃料贮箱等高端工件厚度的测量精度、效率要求也对应升高。传统接触式的人工抽检测量办法，存在工件易损伤、测量效率和精度不高、废品率得不到降低等问题，因此，在线、非接触式测量系统成为了首选的解决方案。鉴于激光三角法在非接触式自动化测量领域的广泛运用，其精度、量程、可靠性均有出色的表现。本文采用激光三角法以图像检测方式测量工件厚度，搭建了在线、非接触式测厚系统，主要研究如下： （1）构建了非接触式测厚系统的光路结构。采用适合漫反射的直射式激光三角法作为本系统光学测量结构；设计了恒聚焦光路充分保障成像聚焦清晰，提高光斑成像质量，并推导了光学系统参数；针对传统光学参数选取方法缺点，提出使用智能优化算法选取光学系统参数，建立了SSA-LT光学参数优化模型，可根据设定目标对光学参数进行麻雀全局组合优化，降低实验工作量，提升选取效率，为光学系统参数智能优化提供了新思路。 （2）设计了一套基于FPGA和虚拟仪器技术的CCD驱动及数据采集系统，成功获得了质量较好的CCD光斑数据。完成了以图像传感器模块、CCD采集模块、时序控制模块为主的硬件设计，以CCD驱动时序、模数转换时序、数据采集程序、图像检测为主的软件设计；提出对时序进行两段式编程的思路，设计了严格的驱动时序保证信号质量；该系统结合了FPGA与虚拟仪器的优势获取稳定的光斑信号，能够快速搭建可靠、灵活的测厚系统，为系统在线测量奠定基础。 （3）开发了图像检测系统，可实现CCD灰度数据显示、VMD图像降噪、亚像素光斑中心定位算法、厚度计算等功能，对提高光斑中心精度具有重要意义；为了提取光斑有效特征信号，提出基于变分模态分解的CCD图像降噪，剔除了各类噪声，获得了对称性良好的高质量光斑图像数据，而传统方法降噪会使得图像细节特征丢失；对降噪后的图像使用高斯拟合法进行亚像素光斑中心定位，得到了准确、稳定的光斑中心坐标，达到亚像素级别。 依照系统的整体测量方案，搭建了实验平台；开展系统标定实验，得到拟合曲线；对系统性能进行测试，在10mm的测量量程，测量误差不超过±8.45μm，均方差小于1.21μm，阐述了误差来源。通过实验证明该系统能实现在线、非接触式、精度较好的工件测厚。
工件厚度;非接触式测量系统;激光三角法;光学参数;智能优化
重庆理工大学
硕士
测试计量技术及仪器
程瑶
2022
中文
TH161.11;TP274
2022-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）