林靜煥，戴 勇*，盛水平，陳海云

（1.浙江工業(yè)大學機電研究所，杭州310014；2.杭州市特種設(shè)備檢測院，杭州310003）

新型通用式激光掃描封頭檢測儀

林靜煥1，戴 勇1*，盛水平2，陳海云2

（1.浙江工業(yè)大學機電研究所，杭州310014；2.杭州市特種設(shè)備檢測院，杭州310003）

為了克服封頭在傳統(tǒng)檢測中存在樣板測量尺寸單一、人工讀數(shù)精度低、制板耗費資源等缺點，采用激光測距2維輪廓連續(xù)掃描方法，設(shè)計了一種適用于檢測不同尺寸封頭形狀偏差的非接觸式激光檢測裝置，介紹了激光掃描封頭儀的工作原理、掃描方式、系統(tǒng)組成以及各系統(tǒng)具體設(shè)計方法，并對內(nèi)徑為800mm的封頭進行了實驗驗證。結(jié)果表明，此激光掃描封頭檢測儀的理想精度可達1mm～2mm，可實現(xiàn)高精度、高效率、自動化檢測。

激光技術(shù)；形狀偏差；封頭；檢測

引 言

封頭是壓力容器的一個重要承壓部件，其制造質(zhì)量影響著整個承壓設(shè)備的安全，形狀偏差是封頭質(zhì)量檢測的一個主要指標，GB150-2011［1］規(guī)定橢圓形、蝶形、球形等凸形最大形狀偏差外凸不得大于1.25%D，內(nèi)凹不得大于0.625%D，其中D表示封頭內(nèi)徑大小。目前，封頭形狀偏差檢測采用以帶間隙的全尺寸內(nèi)樣板［2］進行檢測。由于封頭檢測用樣板必須依封頭規(guī)格制作，且長期使用易磨損，所以樣板檢測具有人工讀數(shù)精度差、制板耗費資源等缺點［3］。

隨著科技的進步，以高精度、高效率、非接觸為發(fā)展趨勢的現(xiàn)代光電檢測技術(shù)成為了計量檢測領(lǐng)域中的主流，其中以激光技術(shù)［4］最為突出。激光具有方向性好、能量集中、高單色性和良好的抗干擾能力，市場上涌現(xiàn)出各種形位誤差、尺寸等參量測量儀，如英國Renishaw公司研制的一種激光測頭，利用CCD圖像處理技術(shù)、激光技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的三坐標測量機，通過高速掃描實現(xiàn)對形狀、尺寸和形位誤差測量；德國UBM公司研發(fā)的激光測量系統(tǒng)可用于機床、汽車、國防等工業(yè)，完成測量零件的尺寸和形位誤差［5］。高速發(fā)展的激光技術(shù)是當代最先進檢測技術(shù)之一，作者經(jīng)過查閱大量的文獻資料，發(fā)現(xiàn)將其優(yōu)勢應用于壓力容器封頭內(nèi)表面形狀偏差檢測，還少有相關(guān)深入研究。因此，研制一款適用于檢測不同尺寸封頭形狀偏差的通用式檢測儀來滿足高精度高效率的要求并保證封頭安全檢測標準，其具有廣闊的研究前景和實現(xiàn)價值意義。

1 激光封頭檢測裝置系統(tǒng)組成及工作原理

封頭的幾何形狀傳統(tǒng)檢測采用依封頭大小規(guī)格的全樣板對其內(nèi)表面進行間隙測量，如圖1所示。全樣板檢測存在著重復利用率低、大尺寸檢測操作不便以及精度誤差大等缺陷，而設(shè)計的新型通用式激光掃描封頭檢測裝置可彌補這些不足。

激光掃描封頭檢測裝置由激光掃描系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、計算機控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和開關(guān)電源組成（見圖2）。激光掃描系統(tǒng)由激光測距系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)構(gòu)成，利用計算機對封頭掃描數(shù)據(jù)采集、處理、輪廓擬合等功能進行控制并執(zhí)行，實現(xiàn)封頭形狀偏差檢測并顯示數(shù)值結(jié)果。

1.1 激光掃描封頭工作原理

激光掃描封頭儀形狀檢測基本原理和掃描方式［6］如圖3所示，激光掃描裝置置于封頭中心上方，激光器從封頭一邊緣伴隨著電機進行圓周逐點掃描直至完畢，依次測得A1，A2，A3，…，An-1和An多點，利用激光測距機至封頭表面距離值ρ和電機中光電編碼器角度返回值θ，確定各掃描點極坐標值（ρi，θi），通過計算機數(shù)據(jù)處理將各離散掃描點進行最小二乘法擬合，即為激光掃描封頭形狀擬合曲線。

1.2 激光掃描中心分析

由于測量誤差的存在，激光掃描中心和封頭中心可能一致或偏心兩種情況，為了保證封頭形狀高精度，必須對偏心進行修正，減少激光掃描對封頭形狀偏差值影響。建立激光掃描“中心”數(shù)學模型，如圖4所示，O為封頭中心，O′為激光掃描中心，極坐標系下，ρ為激光測距機至封頭表面距離值，θ為電機中光電編碼器角度返回值。兩中心分別建立直角坐標系，OO′為兩者偏心距，θ1與θ2分別為電機在掃描點p1與p2時轉(zhuǎn)過的角度值。

1.2.1 激光掃描中心O′與封頭中心O一致 此時，由于兩坐標軸系重合，激光在p1點距離值為ρ1，則在直角坐標系下的坐標可表示成：

1.2.2 激光掃描中心O′與封頭中心O偏心 設(shè)封頭的中心O為（xi，yi，0），激光掃描中心O′坐標點為（xi′，yi′，0），將激光掃描中心統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至封頭坐標軸系下，即兩“中心”一致。則激光掃描中心在封頭新坐標系下可表示為：

因此，將測量中的激光虛擬中心點O′進行坐標系轉(zhuǎn)換，重新修正坐標值，各掃描點坐標依然按照激光掃描中心與封頭中心一致時的情況進行處理，便于計算機數(shù)據(jù)處理和封頭精確輪廓曲線擬合，減少偏心距引起激光掃描對封頭形狀偏差的影響。

2 激光掃描封頭各系統(tǒng)設(shè)計

2.1 激光掃描系統(tǒng)設(shè)計

激光掃描系統(tǒng)由激光測距系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)兩部分組成［7］。激光傳感器采用高精度的相位式測距法，精度可達±1mm，配備無線模塊傳輸裝置進行通信傳輸；通信協(xié)議均以16進制字節(jié)數(shù)據(jù)對儀器進行命令和設(shè)置，選擇連續(xù)測量方式，且數(shù)據(jù)返回時間設(shè)置在100ms～105s范圍內(nèi)任意可調(diào)。運動控制系統(tǒng)包括電機、光電編碼器和運動控制驅(qū)動器，內(nèi)置正交編碼電路并可進行細分處理，編碼器A/B相信號經(jīng)S1/S2端口接入控制器，相應模塊可實現(xiàn)自閉環(huán)控制功能，并通過正交編碼脈沖（quadrature encoder pulse，QEP）電路饋角度信息。

2.2 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)由三腳架和激光掃描支撐機構(gòu)組成，該整體系統(tǒng)又由連接板、云臺支架、腳架、調(diào)節(jié)機構(gòu)和連接軸等各零部件組裝而成，組裝簡單、拆卸方便。各零部件以鋁合金材質(zhì)為主，堅固耐用，但支架腳選擇碳纖維材料，其韌性好、重量輕、承重能力強。

（1）支架腳采用三段式設(shè)計，每段長約450mm，由上而下管徑分別為30mm，25mm和20mm，各管之間通過板扣式設(shè)計進行長度伸縮的固定和調(diào)節(jié)，腳底部有防滑橡皮頭，增加支撐穩(wěn)定性并避免承重過大劃傷地板；（2）三腳架中心云臺支架攜帶快裝板，可直上直下調(diào)整并支撐激光掃描裝置，水平角度可旋轉(zhuǎn)360°；（3）激光器與電機之間的連接軸（尺寸為18mm×35mm）利用鍵配合固定，激光器一端采用滑桿調(diào)節(jié)機構(gòu)，以便上下定位調(diào)整；（4）激光掃描支撐機構(gòu)進行電機和開關(guān)電源分層式設(shè)計，增加整體裝置布局緊湊性。

2.3 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

本文中采用Visual Basic 6.0［8］作為工具開發(fā)出集數(shù)據(jù)采集、計算以及曲線擬合為一體的上位機軟件，通過RS232串行［9］通訊協(xié)議控制電機轉(zhuǎn)動和激光傳感器測距。先設(shè)定串口發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小，對于操作性命令的返回數(shù)據(jù)使用計時器控件讀取，對距離數(shù)據(jù)和角度脈沖數(shù)都采用OnComm事件驅(qū)動的方式讀取，提高讀取數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。電機以編碼器閉環(huán)控制旋轉(zhuǎn)360°，驅(qū)動控制器進行16細分處理，同時激光傳感器以10Hz的頻率采集距離值，編碼器在采集距離值的同一時間返回計數(shù)脈沖。Visual Basic軟件利用MSComm控件指令代碼進行對電機和激光傳感器的控制，設(shè)置為“9600，N，8，1”，計算機采用最小二乘法對掃描點進行曲線擬合并顯示結(jié)果。

封頭形狀偏差檢測是在上位機微軟基礎(chǔ)類（microsoft foundation classes，MFC）控制界面操作下自動完成。經(jīng)測量模式選擇，啟動測量程序，上位機發(fā)送運動控制指令使電機將激光器光源轉(zhuǎn)動至封頭一邊緣，再向激光器發(fā)送測距指令，顯示第1次掃描點極坐標（ρ1，θ1）并保持數(shù)據(jù)。上位機繼續(xù)發(fā)送下一次采樣指令，并通知激光傳感器測量ρi值和θi值，如此循環(huán)，i從1到N，計算機將各掃描點進行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合并顯示封頭形狀偏差值。封頭形狀測量程序流程如圖5所示。

3 測量結(jié)果討論

通過對內(nèi)徑為800mm的封頭進行形狀偏差檢測，得出封頭最大深度、內(nèi)徑和內(nèi)外形狀偏差值。對同一封頭進行多次掃描，曲線的掃描形狀見圖6（掃描封頭曲線平滑無缺陷如圖6a所示；擬合曲線存在缺陷如圖6b所示），但多次掃描計算機處理得到的形狀偏差有差異且均在允許值內(nèi)，提取兩次計算結(jié)果見圖7，并將兩次掃描得出的實驗數(shù)據(jù)歸納于表1中。

由表1可知，激光封頭檢測儀從提取兩次結(jié)果中顯示，深度和內(nèi)徑值的偏差為1mm～2mm，向內(nèi)和向外的形狀偏差為2mm～3mm。由于激光器和電機本身的測量誤差為2mm～3mm，再加之機械系統(tǒng)配合誤差等因素，造成激光掃描儀多次計算形狀偏差在2mm～3mm也是合理的，檢測結(jié)果可靠且穩(wěn)定，最理想時可達到1mm以下，滿足檢測要求。但在現(xiàn)場測量過程中也會受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部因素的影響，從而對激光封頭檢測的準確度造成一定的偏差［10-11］。

（1）激光掃描中心偏心。激光掃描偏心過大，使掃描封頭并不是最大界面形狀，進而影響與理論曲線比對后的偏差值。如表1中第1組封頭內(nèi)徑和深度相對誤差較第2組偏差大，第2組得到的內(nèi)徑和深度值更接近封頭標準，使形狀偏差值更精確。

（2）電機振動。從圖6b中可得，擬合曲線存在缺陷，主要是由于電機在帶動激光器掃描過程中振動太強烈，導致最后擬合的曲線有缺口；電機平穩(wěn)轉(zhuǎn)動時，掃描封頭曲線平滑無缺陷，如圖6a所示。

（3）機械裝配穩(wěn)定性。由于機械裝置或零件在制作時存在精度影響，實際尺寸和設(shè)計尺寸會有偏差，機械結(jié)構(gòu)之間的配合也會有一定誤差存在，各機械裝配誤差累積效應進而影響整體裝置檢測精度。

（4）其它因素。由于激光傳感器和電機內(nèi)部因素或者現(xiàn)場檢測環(huán)境影響，如激光光斑、測量時間漂移、封頭測量點對稱性、電機是否平穩(wěn)或丟步、現(xiàn)場光強太足、電磁干擾等。

4 小 結(jié)

（1）利用激光測距技術(shù)，通過計算機控制實現(xiàn)激光掃描數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)值顯示結(jié)果等，完成封頭內(nèi)表面形狀偏差檢測。

（2）激光掃描中心偏置可通過坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，減小系統(tǒng)檢測誤差。

（3）通過對內(nèi)徑800mm封頭進行多次掃描，驗證了激光封頭檢測儀對形狀偏差檢測的可行性；同時，對影響激光掃描檢測裝置的誤差因素進行了分析。

［1］ CHINA NATIONAL STANDARDIZATION MANAGEMENT COMMITTEE.GB150-2011 Pressure vessels［S］.Beijing：Standards Press of China，2011：115-151（in Chinese）.

［2］ CHINA NATIONAL STANDARDIZATION MANAGEMENT COMMITTEE.GB/T25198-2010 Heads for pressure vessels［S］.Beijing：Standards Press of China，2010：2-9（in Chinese）.

［3］ LIU Ch B，WANG X Y.Full model checking on forming elliptical head［J］.Petro-chemical Equipment，2001，30（5）：88-89（in Chinese）.

［4］ ZHONG Sh Y，LI S Sh.Study of multi-pulsed laser ranging technology［J］.Laser&Infrared，2006，36（6）：797-799（in Chinese）.

［5］ YASHIRO S，TAKATSUBO J，MIYAUCHI H，et al.A novel technique for visualizing ultrasonic waves ingeneral solid media by pulsed lasers can［J］.Nondestructive Testing and Evaluation International，2008，41（2）：137-144.

［6］ ZHANG G Y，AN Zh Y，LI Ch Zh，et al.Automatic detection system of laser scanning size［J］.Journal of Test and Measurement Technique，1995，9（2）：18-26（in Chinese）.

［7］ XIE Z X，WANG J G，JIN M.Study on a full field of view laser scanning system［J］.Machine Tools and Manufacture，2007，47（1）：33-43（in Chinese）.

［8］ GUAN X H，ZHENG Y.Development of monitor and simulalor soflware of laser sensor for distance measurement based on VB［J］.Industrial Control Calculation，2006，19（7）：47-48（in Chinese）.

［9］ CHEN L Y，F(xiàn)AN Y Zh.The latest version of visual basic and RS-232 serial communication control［M］.Beijing：China Youth Press，2001：45-51（in Chinese）.

［10］ WANG H X，WU Ch.3-D laser scanning technology and error analysis in the application process［J］.Journal of Gansu Sciences，2012，24（3）：17-20（in Chinese）.

［11］ LIU H，ZHANG D Y，F(xiàn)ENG J.Error analysis for data of terrestrial 3-D laser scanner［J］.Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2012，10（4）：38-41（in Chinese）.

New universal laser scanning head detector

LIN Jinghuan1，DAI Yong1，SHENG Shuiping2，CHEN Haiyun2
（1.Institute of Electrical，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2.Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou 310003，China）

In order to overcome the disadvantages of the traditional head detection，such as limited size of measuring models，low accuracy of artificial reading and resource cost of plate making，a non-contact laser detection device，suitable for shape deviation detection of the head in different sizes，was designed with laser scanning 2-D contour continuously.Work principle，scan mode，system components and specific design of each subsystem of the laser scanning head device were introduced.A head with inner diameter of 800mm was verified in experiment.The results show that the laser scanning head device can make the detection automatically with high-precision，high-efficiency.The ideal accuracy can reach 1mm～2mm.

laser technique；shape deviation；head；detection

TN247

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.016

1001-3806（2014）05-0651-04

林靜煥（1988-），男，碩士研究生，研究方向為超精密加工技術(shù)。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：b4891392@163.com

2013-10-12；

2013-11-19