金属工件边缘塌角的测量方法于在河①刘富孙令明（吉林工业大学）李铁柱（东北轻合金加工厂摘要 文章以链片塌角的测量方法为例提出了一种金属工件边缘塌角的测量方法。用激光器作为光源，Ｃ ＣＤ作为接收器件，并用单片机进行数据处理。本方法尤其适用于体积较小、生产数量较多的金属 工件的在线自动测量。关键词边缘塌角激光ＣＣＤ测量经过冲压工艺生产出来的金属工件，在冲压 过程中将产生边缘塌角。若塌角太大，则为不合格产品，需要剔除；若塌角符合标准，则需要将带 有塌角的面按一个方向统一装配。所以在链条产品生产过程中，需要对塌角的大小进行测量或对带 有塌角的面进行区分。由于塌角处于工件边缘，用微波等方法进行测量时，有效信号往往淹没在边 缘效应中而难以提取。尤其象链片这样体积小、厚度薄、塌角微小而生产量又相当大的金属产品， 生产过程中急需一种能在线测量并自动区分塌角的装置。本文仅就塌角信号的提取和信号处理等关 键技术进行讨论。１测量原理平行光垂直照射在平滑的金属平面，反射光按原光路返回；而照射在 塌角上时，将按与塌角垂直的方向发出反射光。用ＣＣＤ对这个塌角的反射光进行探测［１，２］ ，并经过信号的放大、检波、计数等处理［３］，通过计算得出塌角的大小。系统框图如图１所示 。图１检测原理框图Ｆｉｇ．１Ｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ２反 射光光强的计算Ｈｅ－Ｎｅ激光器的输出功率为Ｐ＝１２ｔ１ＩｓＡ（２ＬＧα１＋ｔ１－１）（ １）式中Ａ——激光束平均截面，ｍ２；Ｉｓ——饱和光强，Ｗｍ２；ｔ１——部分反射光的透射 率；Ｌ——增益介质长度，ｍ；α１——部分反射镜的损耗率；Ｇ——增益介质的小汛号增益系数 。由于要求所使用激光器发出的平行光的发散角很小，所以传输过程中光束发散可忽略不计，则其 能量损失亦可忽略不计。Ｓ１为光斑（即激光束）的面积，Ｓ２为塌角的面积。塌角表面接收的激 光能量为Ｐ１＝（Ｓ２／Ｓ１）Ｐ（２）由于塌角一般都很小，因此激光的能量在这一点上损失很 多。金属表面光的吸收率ｋ为ｋ＝ｋ０／ｎ＝αλ／（４πｎ）（３）式中ｋ０、α——为电介质 材料对光的吸收系数，ｎ——电介质材料对波长为λ的光的折射率，ｋ和ｎ可以通过以下关系式近 似求得：ｎ＝１＋ｋ２＝ｓｉｎφｔａｎφ（４）ｋ＝ｔａｎ（２ψ）（５）式中φ——主入射角 ，ψ为主方位角。可见，此吸收率不但与材料有关，还与光入射角度有关。反射光强可以由下式近 似算出：Ｐ２＝Ｐ１（１－ｋ）＝（１－αλ４πｎ）Ｓ２２Ｓ１ｔ１ＩｓＡ（２ＬＧα１＋ｔ１ －１）（６）由于Ｓ１≈Ａ，故Ｐ２＝１２Ｓ２ｔ１Ｉｓ（１－αλ４πｎ）（２ＬＧα１＋ｔ１ －１）（７）实验证明，此光强高出所选ＣＣＤ的接收灵敏度４］。３ＣＣＤ位置的计算图２示出 待测链片及其边缘塌角。检测塌角尺寸ｈ是否在规定范围内。ａ．俯视图ｂ．Ａ－Ａ视图图２链 片及边缘塌角的形状Ｆｉｇ．２Ｓｈａｐｅｏｆｃｈａｉｎｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｅｄｇｅ ｆｌａｗ图３中，某检测点的反射光长度为Ｌ，宽度为Ｗ。激光照射点到检测点的距离为Ｍ。激光 束与反射光近边（反射光ａ）的夹角为α，反射光束ｂ与反射光的夹角为β。已知Ｍ，用ＣＣＤ与 单片机联合测出Ｌ，通过标定即可算出塌角的大小；Ｗ为ＣＣＤ安装的可调范围。为使接收效果最 佳，ＣＣＤ的安装应使反射光垂直照射在光敏元上，因此ＣＣＤ的感光部位要正对着塌角，它的三 维位置讨论如下：沿ｘ轴方向，Ｍｍｉｎ≤Ｍ≤Ｍｍａｘ当Ｍ太大时，一方面将使Ｌ超出ＣＣＤ的 最大可接收长度Ｌｍａｘ，使测量不准确，另一方面，反射光的能量减小，对ＣＣＤ灵敏度的要求 增高，因此Ｍｍａｘ由Ｌｍａｘ和ＣＣＤ灵敏度决定。当ＣＣＤ距离激光照射点太近，激光管发出 的杂散将干扰ＣＣＤ。沿ｙ轴方向，ＣＣＤ只要不超出Ｗ的范围即可。沿ｚ轴方向，应使ＣＣＤ的 中心在φ角的位置。φ角满足下式（如图２）：φ＝α＋β／２（８总之，在调试实验中，ＣＣＤ 的安装应三维调整，找出最佳位置。４单片机系统单片机系统对数据进行进一步处理，计算出ＣＣ Ｄ接收的反射光长度，经过标定以后，可以算出塌角的大小，并对杂散光进行判别，以提高测量精 度。程序框图如图３示。图４程序框图Ｆｉｇ．４Ｐｒｏｇｒａｍｃｈａｒｔ５实验结果选用腔长 为１５ｃｍ的Ｈｅ－Ｎｅ激光器，配以适当的电源，其输出功率经过一定时间后趋于稳定，因此在 使用该仪器时需要先对激光器进行预热。为验证所提方法的效果，采用ＴＣＤ－１４２Ｄ作为接收 器件，进行链片自动分选实验。实验共进行五组，每组１００个链板，进行连续测试。结果表明， 这种方法平均选出率为９８．２％、误选率为０．５％，能够满足选出率和误选率的要求，并能准 确测量塌角的大小。６结论１）此方法能满足链片的测量与分选要求。２）链片的塌角为圆弧状， 是一个较典型的塌角形状。此方法能更好地测量直线塌角，亦能推广到测量或区分其它复杂形状的 塌角的测量。参考文献１工件表面轮廓的ＣＣＤ在线测试．全国光电技术与系统学术会，１９８８ （６）：１５９～１６０２线阵ＣＣＤ在非接触测量中的应用．全国光电技术与系统学术会，１９ ８８（６）：１６３～１６４３纪明．ＣＣＤ驱动电路的设计思想·长春光学精密机械学院学报， １９９１，１４（２）：１～５４魏泽斌等．微光ＣＣＤ摄像器件灵敏阈研究．光学学报，１９８ ８，８（１２）：１１２３～１１２７ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＥｄｇｅＦｌａｗｏｎＭｅｔ ａｌＷｏｒｋｐｉｅｃｅＹｕＺａｉｈｅＬｉｕＦｕＳｕｎＬｉｎｇｍｉｎｇ（ＪｉｌｉｎＵｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ）ＬｉＴｉｅｚｈｕ（Ｎｏｒｔ ｈ－ｅａｓｔＬｉｇｈｔＡｌｏｙＷｏｒｋｉｎｇＦａｃｔｏｒｙ，Ｈａｅｒｂｉｎ）Ａｂｓｔｒ ａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｅｄｇ ｅｆｌａｗｏｎｍｅｔａｌｗｏｒｋｐｉｅｃｅｂａｓｅｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗａｙｏｆ ｃｈａｉｎｅｌｅｍｅｎｔｓｆｌａｗ，ｔａｋｉｎｇａｌａｓｅｒａｓｌｉｇｈｔｒｅｓｏｕ ｒｃｅ，ＣＣＤａｓｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄａｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｓｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｍｅ ｔｈｏｄｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｙａｄａｐｔａｂｌｅｔｏｍｅａｓｕｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃａ ｌｙｏｎ－ｌｉｎｅｉｎｓｍａｌｖｏｌｕｍｅａｎｄｌａｒｇｅｍｏｕｎｔｍｅｔａｌｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅｉｎｐｒｏｄｕｃｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｅｄｇｅｆｌａｗ，ｌａｓｅｒ，ＣＣＤ ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ金属工件边缘塌角的测量方法@于在河@刘富@孙令明$吉林工业大学 @李铁柱$东北轻合金加工厂边缘塌角,激光,ＣＣＤ,测量文章以链片塌角的测量方法为例提出 了一种金属工件边缘塌角的测量方法。用激光器作为光源，ＣＣＤ作为接收器件，并用单片机进行 数据处理。本方法尤其适用于体积较小、生产数量较多的金属工件的在线自动测量。１工件表面轮 廓的ＣＣＤ在线测试．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１５９～１６０２线阵ＣＣ Ｄ在非接触测量中的应用．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１６３～１６４３纪明 ．ＣＣＤ驱动电路的设计思想·长春光学精密机械学院学报，１９９１，１４（２）：１～５４魏 泽斌等．微光ＣＣＤ摄像器件灵敏阈研究．光学学报，１９８８，８（１２）：１１２３～１１２ ７在线测试．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１５９～１６０２线阵ＣＣＤ在非接 触测量中的应用．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１６３～１６４３纪明．ＣＣＤ 驱动电路的设计思想·长春光学精密机械学院学报，１９９１，１４（２）：１～５４魏泽斌等． 微光ＣＣＤ摄像器件灵敏阈研究．光学学报，１９８８，８（１２）：１１２３～１１２７Ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＥｄｇｅＦｌａｗｏｎＭｅｔａｌＷｏｒｋｐｉｅｃｅＹｕＺａｉｈｅＬｉ ｕＦｕＳｕｎＬｉｎｇｍｉｎｇ（ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ）ＬｉＴｉｅｚｈｕ（Ｎｏｒｔｈ－ｅａｓｔＬｉｇｈｔＡｌｏｙＷｏｒｋｉ ｎｇＦａｃｔｏｒｙ，Ｈａｅｒｂｉｎ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｅｄｇｅｆｌａｗｏｎｍｅｔａｌｗｏｒｋｐｉｅｃ ｅｂａｓｅｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗａｙｏｆｃｈａｉｎｅｌｅｍｅｎｔｓｆｌａｗ，ｔ ａｋｉｎｇａｌａｓｅｒａｓｌｉｇｈｔｒｅｓｏｕｒｃｅ，ＣＣＤａｓｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏ ｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄａｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｓｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｙａｄａｐｔ ａｂｌｅｔｏｍｅａｓｕｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｙｏｎ－ｌｉｎｅｉｎｓｍａｌｖｏｌｕｍ ｅａｎｄｌａｒｇｅｍｏｕｎｔｍｅｔａｌｗｏｒｋｐｉｅｃｅｉｎｐｒｏｄｕｃｉｎｇ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｅｄｇｅｆｌａｗ，ｌａｓｅｒ，ＣＣＤ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ金属工件边缘塌角 的测量方法@于在河@刘富@孙令明$吉林工业大学@李铁柱$东北轻合金加工厂边缘塌角,激光 ,ＣＣＤ,测量文章以链片塌角的测量方法为例提出了一种金属工件边缘塌角的测量方法。用激光 器作为光源，ＣＣＤ作为接收器件，并用单片机进行数据处理。本方法尤其适用于体积较小、生产 数量较多的金属工件的在线自动测量。１工件表面轮廓的ＣＣＤ在线测试．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１５９～１６０２线阵ＣＣＤ在非接触测量中的应用．全国光电技术与系统学术会，１９８８（６）：１６３～１６４３纪明．ＣＣＤ驱动电路的设计思想·长春光学精密机械学院学报，１９９１，１４（２）：１～５４魏泽斌等．微光ＣＣＤ摄像器件灵敏阈研究．光
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