CN112781523A - 一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法，所述x轴测量机构包括：本体，本体前端设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠一端与本体一侧的伺服电机相连接；所述y轴测量机构包括：安装座，安装座上设置有伸缩台，伸缩台最末级安装有激光位移传感器，所述伸缩台上设置有伸缩量刻度；安装座后端与滚珠丝杠上的滚珠座相连接；所述本体下方设置有左支撑架、右支撑架。本发明检测装置组件构成简单，携带和使用方便，可实现深度和形貌轮廓的检测，相对于传统测量工具和精密测量仪器，自动化程度高、成本低、功能齐全。

Description

一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法，属于激光测量技术领域。

背景技术

激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点实现无接触远距离测量，利用激光的这些优点可以使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触测量提供了有效方法。

目前，关于磨损、腐蚀、划痕等缺陷的深度数据测量多采用数显式凹坑深度测量仪或百分表、游标卡尺、深度尺等传统的测量工具，对缺陷进行接触式测量，一方面影响检测精度，另一方面划伤工件损害设备，且无法得到缺陷的轮廓形貌。

现有技术方案中还存在如下不足：

（1）采用游标卡尺或者凹坑仪的进行测量，能获得缺陷深度数据，但无法获得缺陷轮廓数据，接触式测量影响检测精度；采用三维形貌分析仪进行测试时，只能获得小样块的缺陷三维形貌数据，且扫描速度较慢、价格昂贵、有环境条件要求限制，无法实现现场应用；

（2）采用百分表对工件表面进行接触式缺陷深度检测，测量精度不足，并且不能得到缺陷轮廓形貌，操作复杂；

（3）采用激光装置扫描，虽然具备较高的缺陷检测能力，但是设备极其昂贵，仅能在实验室条件下测试小型样块，不具备现场工况条件下的工件缺陷检测能力。

可见，针对上述不足，开发出一种便携式、非接触、高精度的表面缺陷检测装置及方法，对于检测领域具有重要意义。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于激光位移测距原理的便携式表面缺陷检测装置，包括：x轴测量机构，y轴测量机构，所述x轴测量机构包括：本体，本体前端设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠一端与本体一侧的伺服电机相连接；所述y轴测量机构包括：安装座，安装座上设置有伸缩台，伸缩台最末级安装有激光位移传感器，所述伸缩台上设置有伸缩量刻度；安装座后端与滚珠丝杠上的滚珠座相连接；所述本体下方设置有左支撑架、右支撑架。

作为优选方案，所述安装座顶部设置有定位块，本体顶部设置有左限位组件、右限位组件，当定位块分别与左限位组件、右限位组件接触时，滚珠座停止向原方向移动。

作为优选方案，所述激光位移传感器通过线缆与集线器相连接，集线器电源输入端通过电源转换器与电源相连接，集线器信号传输端与上位机相连接。

作为优选方案，所述伺服电机、左限位组件、右限位组件分别通过线缆与集线器相连接，集线器电源输入端通过电源转换器与电源相连接，集线器信号传输端与上位机相连接。

一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测方法，具体步骤如下：

Step1：将测量工件置于激光位移传感器测量范围，根据工件表面缺陷位置建立空间直角坐标系，滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

Step2：对激光位移传感器进行校零，确定工件表面基准平面；

Step3：驱动伺服电机工作，滚珠丝杠上安装座带动激光位移传感器在本体上一次位移，获得缺陷数据，记作（X0，Y0，Z0）；

Step4：调整伸缩台伸出距离Y1，再次驱动滚珠丝杠上安装座，带动激光位移传感器在本体上二次位移，获得缺陷数据，记作（X1，Y1，Z1）；

Step5：重复上述步骤，依次获得缺陷数据（X2，Y2，Z2）、（X3，Y3，Z3）……（Xn，Yn，Zn），直至表面缺陷全部检测；

Step6：将二维数据或三维数据分别处理，获得缺陷CT式二维截面形貌或三维轮廓形貌。

作为优选方案，缺陷CT式二维截面形貌获得步骤如下：

对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn）中的Y0、Y1……Yn均设定为0，分别根据设定后的数据进行作图，即可得到缺陷CT式二维截面形貌。

作为优选方案，三维轮廓形貌获得步骤如下：

对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn），整体数据进行作图，即可得到三维轮廓形貌。

有益效果：本发明提供的一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置及方法，其优点如下：

（1）无接触式测量。装置采用滚珠丝杠搭载激光位移传感器方式配置，实现无接触式检测，保护被检测工件和检测装备，解决常规测量工具因接触带来的精密工件划伤和设备损坏，以及因工件表面复杂无法测量的问题；

（2）高精度探测。装置采用了高精度的激光位移传感器，测量精度达0.1mm，解决百分表、游标卡尺、深度尺等传统的测量方法精确度差的问题，实现工件表面缺陷高精度测量；

（3）数据可存储处理。激光位移传感器配套控制与数据采集软件，可以将测量到的数据实时反馈，并具备数据保存和导出功能，后期可进行数据处理，解决了百分表、游标卡尺等常规测量工具仅能一次读数带来的人为误差问题；

（4）具备二维和三维缺陷形貌采集处理能力。激光位移传感器可以与滑动导轨前后伸缩定位，实现工件表面缺陷X轴、Y轴、Z轴三个方向的数据采集，通过后期数据处理可以得到工件表面缺陷二维截面和三维轮廓形貌图，实现了传统测量工具仅能得到深度的问题；

（5）便携，现场适用性强。一方面，搭配的滚珠丝杠线程可根据被测件和缺陷需要，进行线程增加或减少，另一方面，突破了对于缺陷二维、三维形貌的检测仅能在实验室条件下的应用限定，具备较强的现场适用性；

（6）制造成本低，功能齐全，自动化程度高。检测装置组件构成简单，携带和使用方便，可实现深度和形貌轮廓的检测，相对于传统测量工具和精密测量仪器，自动化程度高、成本低、功能齐全。

附图说明

图1为表面缺陷检测装置结构示意图。

图2为y轴测量机构及伸缩台结构示意图。

图3为缺陷轮廓检测示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，本发明公开了一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置，包括：x轴测量机构，y轴测量机构，所述x轴测量机构包括：本体1，本体1前端设置有滚珠丝杠2，滚珠丝杠2一端与本体1一侧的伺服电机3相连接；所述y轴测量机构包括：安装座4，安装座4上设置有伸缩台5，伸缩台5最末级安装有激光位移传感器6，所述伸缩台5上设置有伸缩量刻度；安装座4后端与滚珠丝杠2上的滚珠座相连接。所述本体1下方设置有左支撑架7、右支撑架8；所述安装座4顶部设置有定位块9，本体1顶部设置有左限位组件10、右限位组件11，当定位块9分别与左限位组件10、右限位组件11接触时，滚珠座停止向原方向移动。

所述激光位移传感器6、伺服电机3、左限位组件10、右限位组件11分别通过线缆与集线器12相连接，集线器12的电源输入端通过电源转换器13与电源相连接，集线器12的信号传输端与上位机14相连接。

滚珠丝杠通过上位机对伺服电机的控制，实现安装座在x轴方向上左右移动，当安装座上定位块与本体两侧左限位组件、右限位组件接触时，实现对移动距离的有效限位。安装座上激光位移传感器，实现对工件表面Z轴方向上的准确测量。伸缩台通过伸缩量刻度可精确调节激光位移传感器在y轴方向的位移，从而实现对整个工件表面缺陷的检测。

激光位移传感器通过集线器与24V电源转换器连接，并将数据传输至上位机，实现探测数据的保存，通过后期数据处理，缺陷可呈现二维截面和三维轮廓形貌，解决传统方法中存在的不能给出被测缺陷形貌的问题。

一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测方法，具体步骤如下：

Step1：将测量工件置于激光位移传感器测量范围，根据工件表面缺陷位置建立空间直角坐标系，滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

Step2：对激光位移传感器进行校零，确定工件表面基准平面；

Step3：打开上位机控制按钮，驱动伺服电机工作，滚珠丝杠上安装座带动激光位移传感器在本体上一次位移，获得缺陷数据，记作（X0，Y0，Z0）；

Step4：调整伸缩台伸出距离Y1，再次驱动滚珠丝杠上安装座，带动激光位移传感器在本体上二次位移，获得缺陷数据，记作（X1，Y1，Z1）；

Step5：重复上述步骤，依次获得缺陷数据（X2，Y2，Z2）、（X3，Y3，Z3）……（Xn，Yn，Zn），直至表面缺陷全部检测；

Step6：二维数据处理，对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴，将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn）中的Y0、Y1……Yn均设定为0，分别作图即可得到缺陷CT式二维截面形貌；

Step7：三维数据处理，对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴，将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn），整体作图即可得到三维轮廓形貌。

实施例1：

下述的x方向、y方向、z方向与空间直角坐标系x轴、y轴、z轴相对应，对工件表面缺陷深度检测时，首先将左、右支撑架固定，调节本体水平度，让本体保持水平，将工件放置在左、右支撑架之间，参照测量工件情况进行支撑架高度调整，将测量工件置于激光位移传感器测量范围，激光位移传感器朝向工件用于测量工件表面竖直Z方向上的位移；对激光位移传感器进行校零，确定工件表面基准平面，并通过集线器接通上位机，如笔记本电脑；依次打开数据采集软件，控制按钮，驱动滚珠丝杠进行工件表面水平x方向的移动，完成一次缺陷测量与数据采集。调整伸缩台高度改变激光位移传感器工件表面垂直y方向的位置，再次完成一次缺陷测量和数据采集，重复该步骤直至完成整个工件表面缺陷测量与数据采集。

将记录的数据以excel等文件形式导出，对数据进行处理，滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴，将采集的X、Z轴数据用origin作图即可得到该缺陷的二维截面形貌，如图3所示；将多次采集到的X、Y、Z轴数据用origin作图即可得到该缺陷的三维轮廓形貌。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置，其特征在于：包括：x轴测量机构，y轴测量机构，所述x轴测量机构包括：本体，本体前端设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠一端与本体一侧的伺服电机相连接；所述y轴测量机构包括：安装座，安装座上设置有伸缩台，伸缩台最末级安装有激光位移传感器，所述伸缩台上设置有伸缩量刻度；安装座后端与滚珠丝杠上的滚珠座相连接；所述本体下方设置有左支撑架、右支撑架。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置，其特征在于：所述安装座顶部设置有定位块，本体顶部设置有左限位组件、右限位组件，当定位块分别与左限位组件、右限位组件接触时，滚珠座停止向原方向移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置，其特征在于：所述激光位移传感器通过线缆与集线器相连接，集线器电源输入端通过电源转换器与电源相连接，集线器信号传输端与上位机相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置，其特征在于：所述伺服电机、左限位组件、右限位组件分别通过线缆与集线器相连接，集线器电源输入端通过电源转换器与电源相连接，集线器信号传输端与上位机相连接。

5.根据权利要求1-4所述的一种基于激光位移测距的便携式表面缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

Step1：将测量工件置于激光位移传感器测量范围，根据工件表面缺陷位置建立空间直角坐标系，滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

Step2：对激光位移传感器进行校零，确定工件表面基准平面；

Step3：驱动伺服电机工作，滚珠丝杠上安装座带动激光位移传感器在本体上一次位移，获得缺陷数据，记作（X0，Y0，Z0）；

Step4：调整伸缩台伸出距离Y1，再次驱动滚珠丝杠上安装座，带动激光位移传感器在本体上二次位移，获得缺陷数据，记作（X1，Y1，Z1）；

Step5：重复上述步骤，依次获得缺陷数据（X2，Y2，Z2）、（X3，Y3，Z3）……（Xn，Yn，Zn），直至表面缺陷全部检测；

Step6：将二维数据或三维数据分别处理，获得缺陷CT式二维截面形貌或三维轮廓形貌。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：缺陷CT式二维截面形貌获得步骤如下：

对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn）中的Y0、Y1……Yn均设定为0，分别根据设定后的数据进行作图，即可得到缺陷CT式二维截面形貌。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：三维轮廓形貌获得步骤如下：

对应origin或excel作图软件设定三轴坐标系，分别对应滚珠丝杠移动数据作为X轴，激光位移传感器测量数据作为Z轴，伸缩台升起数据作为Y轴；

将数据（X0，Y0，Z0）、（X1，Y1，Z1）……（Xn，Yn，Zn），整体数据进行作图，即可得到三维轮廓形貌。

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