CN101187549A - 利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置 - Google Patents

Abstract

利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置，包括激光发射装置、激光接收装置和信息处理装置，利用两个激光发射器发出的光线作为监测基准轴线，根据激光分光接收装置拍摄的反射光斑位置图像及基准位置的光斑图像，运用图像处理软件进行处理，即可最终得出各活动部件中心的偏移量。本发明突破了CCD、PSD等传感器尺寸对检测范围、检测点数和检测距离的制约。监测距离达到35米，监测活动部件5个，监测点数10个，监测范围：20mm×20mm，监测精度达0.18mm。本发明系统安装、操作简便，可靠性高，实用性强。

Description

利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光在线监测技术，特别是指利用双激光束对大型往复直线运动设备在线监测多个活动部件中心的方法及装置。

背景技术

一些大型设备如挤压机、压缩机、舰、船等，在安装或工作过程中，需要对其各部件的对中情况进行检测。以大型卧式挤压机为例，由于其本体结构及工作环境的特殊性，长时间运行后会造成导轨与支撑垫之间摩擦磨损严重、挤压筒与模具及挤压轴中心不对中，再加上工作过程中剧烈振动、冲击的影响，挤压中心就会发生偏移。如果不及时进行调整，偏心挤压不仅直接影响挤压材的质量，加剧机体的磨损，减少机体寿命，甚至可能造成事故隐患。

目前，国内外进行对中检测的方法有：拉线法、LD(激光器)-PSD(位置敏感探测器)检测法、LD-CCD(图像传感器)检测法以及激光对中仪检测法等。上述方法中，拉线法操作复杂，费时耗力，对操作者经验、技能要求较高；其余几种方法检测精度较高，但由于受PSD、CCD传感器尺寸的限制，检测范围小。同时，激光在传播过程中，由于散射和衍射现象的存在，在一定距离以上，光斑尺寸较大且出现多级衍射环，也制约了检测距离。以世界知名的对中产品生产厂家——德国普鲁夫科技公司为例，其生产的激光对中产品测量距离也只有10m，对于一些动辄几十米的大型设备来说该测量距离显然是不够的。此外，上述方法中，除拉线法之外，其它几种方法主要用于两个旋转类部件的对中情况检测。对于大型往复直线运动设备多个活动部件的对中情况进行在线监测的技术，国内外未见报道。目前国内大型挤压机的中心检测仍采用人工测量计算、经验调整的方法，即通过人工反复测量，计算出各部件的偏差值，然后通过调整垫片来调节；或者通过观察挤压材的质量，凭经验进行调节。这些方法不仅耗时、精度低，也不能进行在线监测，满足不了现代化生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种系统安装、操作简便，可靠性高，实用性强、针对大型往复直线运动设备对中检测用的双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法，包括以下步骤：

a、在被监测部件运动行程之外两端各选取一个固定基准点，在一个基准点安装两套激光发射装置，在另一个基准点安装两套激光直接接收装置；

b、在每个被监测部件上各安装两套分别处于两套激光发射装置光路上的激光分光接收装置；

c、激光直接接收装置中的摄像头实时拍摄由激光发射装置发出的激光图像并上传至信息处理装置；

d、激光分光接收装置中的摄像头实时拍摄由激光发射装置发出的并经激光接收装置反射的激光图像，上传至信息处理装置；

e、信息处理装置接收c、d步提供的图像信息后，经过处理，实现实时监测并显示各活动部件的中心偏移量。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法中，信息处理装置包括单片机及嵌入其中的Intel^_开发的视频处理软件，软件编程环境为：Visual C++6.0。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置是采用下述方案实现的：它包括激光发射装置、激光接收装置和信息处理装置，所述激光发射装置包括两个激光发射器；所述接收装置包括激光分光接收装置和激光直接接收装置；所述信息处理装置包括计算机及嵌入计算机中的图象处理软件；所述至少两个激光发射装置安装在被监测部件运动行程之外一端固定不动的部件上；所述至少两个激光直接接收装置安装在被监测部件运动行程之外另一端固定不动的部件上；每个活动部件上至少各安装两套激光分光接收装置；所述激光直接接收装置、激光分光接收装置与信息处理装置电连接。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中，激光发射装置为半导体准直扩束激光发射器。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中，所述激光直接接收装置、激光分光接收装置通过USB延长器与信息处理装置电连接。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中，所述激光分光接收装置包括激光通道、摄像管，所述激光通道为一筒体，在筒体的一侧设有一通孔，摄像管一端垂直安装在激光通道外侧的通孔处，在激光通道与摄像管轴线相交处的激光通道中设有一与激光通道轴线呈45度夹角的分光镜，在所述的摄像管中，依次安装有成像玻璃片、摄像头、USB延长器，且成像玻璃片、摄像头与摄像管同轴线，所述USB延长器与摄像头电连接。

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中，所述激光直接接收装置包括摄像管，所述的摄像管中，依次安装有成像玻璃片、摄像头、USB延长器，且成像玻璃片、摄像头与摄像管同轴线，所述USB延长器与摄像头电连接。

本发明的工作原理简述于下：

本发明利用两个激光发射器发出的光线作为监测基准轴线，根据激光分光接收装置拍摄的反射光斑位置图像及基准位置的光斑图像，运用图像处理软件进行处理，即可最终得出各活动部件中心的偏移量。下面详细说明几何模型建立的原则和计算方法：

参见附图1，在平面XOY内△ABC≌△A′B′C′。当这两个三角形的两个顶点(A与A′、B与B′)重合时，第三个顶点(C与C′)也必然重合(不考虑C与C′位于AB两侧的情况)。假定XOY为被监测部件截面所在平面，A、B点为两个激光光斑所在位置，C点为被监测部件理想中心位置。当激光发射器安装固定好之后，A、B点以及虚拟的C点在整个监测过程中都固定不动。在距被监测部件中心一定距离处安装两个监测装置监测光斑位置，两个监测窗口的中心与被监测部件的中心组成另一个三角形，使该三角形全等于△ABC。当激光光斑与两个监测窗口的中心分别重合时，被检测部件中心也必然与理想中心(C点)重合。

参见附图2，基于上述原理，若以O点为原点建立绝对坐标系XOY，分别以监测窗口初始位置的中心为原点建立运动坐标系X_aO_aY_a和X_bO_bB_b。运动坐标系的初始原点O_a、O_b在绝对坐标系XOY中的坐标分别为(-D，H)、(D，H)。设定此时，两个激光光斑的中心分别与O_a、O_b点重合。当被检测运动部件中心偏移到O′点且绕其轴线转过θ角时，O_a、O_b对应移动到O′_a、O′_b点，此时光斑a、b在各自监测窗口中的坐标分别为(x′_a，y′_a)、(x′_b，y′_b)(以O′_a、O′_b为坐标原点)。

根据以上测得的光斑在偏移后监测窗口中的坐标，即可计算出O′点在绝对坐标系XOY中的坐标x′_o、y′_o和偏转角度θ：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{y_a^{\′}-y_b^{\′}}{2D}---\left(1\right)$

x_o′＝(H+y_b′)sinθ-(D+x_b′)cosθ+D                     (2)

y_o′＝H-(H+y_b′)cosθ-(D+x_b′)sinθ                     (3)

本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置，融合了激光技术和图像处理技术。与传统激光中心检测方法相比，本发明突破了CCD、PSD等传感器尺寸对检测范围、检测点数和检测距离的制约。在已实施例中，监测距离达到35米，监测活动部件5个，监测点数10个，监测范围：20mm×20mm，监测精度达0.18mm。采用准直性能更好的激光器并适当增大成像玻璃片尺寸，即可方便地增加监测距离和监测范围。整个系统安装、操作简便，可靠性高，实用性强。

附图说明

附图1为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法原理示意图；

附图2为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法几何模型；

附图3为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置流程图；

附图4为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置的监测光路示意图；

附图5为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中激光直接接收装置结构示意图；

附图6为本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置中激光分光接收装置结构示意图

其中，附图2中：2-1-1-监测窗口1，2-1-2--监测窗口2。附图3中：3-1-激光发射装置，3-1-2---激光接收装置，3-1-3---信息处理装置。附图4中：A、B---固定基准点、1、2、3、4、5---被检测活动部件、6---激光发射装置、7---激光直接接收装置、8---激光分光接收装置、9---信息处理装置。

附图5中：10---激光通道、11---分光片、12---成像玻璃、13---摄像头、14---USB延长器、15---摄像管。

附图6中：16---成像玻璃、17---摄像管、18---摄像头、19---USB延长器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的说明，以助于理解本发明的内容：

对于一些大型设备来讲，由于设备本体结构及工作现场的特殊性，很难对其所有运动部件的中心进行直接监测。为使发明具有更强的通用性，我们采用三角形定位原理，实现了对多个部件中心的间接监测。

参见附图2，以125MN挤压机的穿孔横梁为例，建立中心监测几何模型。O点为穿孔横梁在对中位置时的中心(即理想中心)，监测窗口大小为L×L。监测过程中，监测窗口的大小及其与穿孔横梁的相对位置保持不变。以O点为原点建立绝对坐标系XOY，分别以监测窗口初始位置的中心为原点建立运动坐标系X_aO_aY_a和X_bO_bY_b。由图可知，运动坐标系的初始原点O_a、O_b在绝对坐标系XOY中的坐标分别为(-D，H)、(D，H)。穿孔横梁处于对中状态时，两个激光光斑的中心分别与O_a、O_b点重合。当穿孔横梁中心偏移到O′点且绕其轴线转过θ角时，O_a、O_b对应移动到O′_a、O′_b点，此时光斑a、b在各自监测窗口中的坐标分别为(x′_a，y′_a)、(x′_b，y′_b)(以O′_a、O′_b为坐标原点)。

根据以上测得的光斑在偏移后监测窗口中的坐标，结合图中给定的几何关系，即可计算出O′点在绝对坐标系XOY中的坐标x_o′、y_o′和偏转角度θ：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{y_a^{\′}-y_b^{\′}}{2D}---\left(1\right)$

x_o′＝(H+y_b′)sinθ-(D+x_b′)cosθ+D                (2)

y_o′＝H-(H+y_b′)cosθ-(D+x_b′)sinθ                (3)

如图3、4所示，本发明---利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，包括激光发射装置、激光接收装置和信息处理装置，所述激光发射装置包括两个激光发射器；所述接收装置包括激光分光接收装置和激光直接接收装置；所述信息处理装置包括计算机及嵌入计算机中的图象处理软件；所述至少两个激光发射装置安装在被监测部件运动行程之外一端固定不动的部件上；所述至少两个激光直接接收装置安装在被监测部件运动行程之外另一端固定不动的部件上；每个活动部件上至少各安装两套激光分光接收装置；所述激光直接接收装置、激光分光接收装置与信息处理装置电连接。

如图4所示，125MN挤压机前后有两个固定部件——固定部件A和固定部件B，中间有五个活动部件——1～5；当挤压机处于理想对中状态时，所有部件的中心应该在一条直线(即挤压中心线)上。由于挤压机结构及工作的特性，单根光束不能够同时穿过所有部件的中心，即不能对挤压中心线进行直接监测。故实施过程中，我们在距固定部件1中心一定距离处，安装、固定两个激光发射器，以这两个激光器发射出的两根准直光束作为监测基准轴线，从而间接监测各活动部件中心偏移情况。

监测过程中，在中间需要监测的活动部件1～5上各安装两套分光接收装置。光束经镜头玻璃片照射到与水平呈45度角放置的分光镜上之后，一部分反射到成像玻璃片上，一部分透过分光镜继续向前传播。依次这样光束可以照射到每一个成像玻璃片上。摄像头对成像玻璃片上的光斑进行实时拍摄，并通过USB延长器传送至控制器，控制器通过USB接口与计算机通信。计算机对光斑图片进行处理、分析，根据上述建立的几何模型，即可计算并输出各活动部件中心的偏移量。监测过程中，分光接收装置随活动部件一起运动。

固定部件B上安装两套直接接收装置。激光直接照射在成像玻璃片上，摄像头对成像玻璃片上的光斑进行实时拍摄，经USB延长器传送至控制器，控制器通过USB接口与计算机通信。监测过程中，固定部件B上的两套接收装置作为定标光靶，实时监测基准光线的偏移情况以便为中间活动部件上的测量结果进行补偿。

参见附图5，激光分光接收装置包括激光通道10、摄像管15，所述激光通道10为一筒体，在筒体的一侧设有一通孔，摄像管15一端垂直安装在激光通道10外侧的通孔处，在激光通道10与摄像管15轴线相交处的激光通道10中设有一与激光通道10轴线呈45度夹角的分光镜11，在所述的摄像管15中，依次安装有成像玻璃片12、摄像头13、USB延长器14，且成像玻璃片12、摄像头13与摄像管15同轴线，所述USB延长器14与摄像头13电连接。

如图6所示，激光直接接收装置包括摄像管17，所述的摄像管17中，依次安装有成像玻璃片16、摄像头18、USB延长器19，且成像玻璃片16、摄像头18与摄像管17同轴线，所述USB延长器19与摄像头18电连接。

Claims (7)

1.利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法，包括以下步骤：

a、在被监测部件运动行程之外两端各选取一个固定基准点，在一个基准点安装两套激光发射装置，在另一个基准点安装两套激光直接接收装置；

b、在每个被监测部件上各安装两套分别处于两套激光发射装置光路上的激光分光接收装置；

c、激光直接接收装置中的摄像头实时拍摄由激光发射装置发出的激光图像并上传至信息处理装置；

d、激光分光接收装置中的摄像头实时拍摄由激光发射装置发出的并经激光分光接收装置反射的激光图像，上传至信息处理装置；

e、信息处理装置接收c、d步骤提供的图像信息后，经过处理，实现实时监测并显示各活动部件的中心偏移量。

2.根据权利要求1所述的利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法，其特征在于：信息处理装置包括单片机及嵌入其中的Intel^_开发的视频处理软件，软件编程环境为：Visual C++6.0。

3.利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，包括激光发射装置、激光接收装置和信息处理装置，其特征在于：所述激光发射装置包括两个激光发射器；所述接收装置包括激光分光接收装置和激光直接接收装置；所述信息处理装置包括计算机及嵌入计算机中的图象处理软件；所述至少两个激光发射装置安装在被监测部件运动行程之外一端固定不动的部件上；所述至少两个激光直接接收装置安装在被监测部件运动行程之外另一端固定不动的部件上；每个活动部件上至少各安装两套激光分光接收装置；所述激光直接接收装置、激光分光接收装置与信息处理装置电连接。

4.根据权利要求3所述的利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，其特征在于：激光发射装置为半导体准直扩束激光发射器。

5.根据权利要求3所述的利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，其特征在于：所述激光直接接收装置、激光分光接收装置通过USB延长器与信息处理装置电连接。

6.根据权利要求3所述的利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，其特征在于：所述激光分光接收装置包括激光通道、摄像管，所述激光通道为一筒体，在筒体的一侧设有一通孔，摄像管一端垂直安装在激光通道外侧的通孔处，在激光通道与摄像管轴线相交处的激光通道中设有一与激光通道轴线呈45度夹角的分光镜，在所述的摄像管中，依次安装有成像玻璃片、摄像头、USB延长器，且成像玻璃片、摄像头与摄像管同轴线，所述USB延长器与摄像头电连接。

7.根据权利要求3所述的利用双激光束在线监测多个活动部件中心的装置，其特征在于：所述激光直接接收装置包括摄像管，所述的摄像管中，依次安装有成像玻璃片、摄像头、USB延长器，且成像玻璃片、摄像头与摄像管同轴线，所述USB延长器与摄像头电连接。

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