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研究生: 黃文甫
Wen-Fu Huang
論文名稱: 精密反射式三角雷射探頭之設計與製作研究
Research on the design and manufacture of a precision reflective type triangulation laser probe
指導教授: 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 羅有綱
Yu-Kang Lo
曾垂拱
Chwei-Goong Tseng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 3軸自動量測系統非接觸式量測三角量測原理雷射探頭光路放大鏡面工件量測
外文關鍵詞: triangulation measurement principle, non-contact measurement, mirror-like surface workpiece measurement, 3 axis automatic measurement system, laser probe, optical path amplification principle
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  • 本研究主要之目的為發展一反射式非接觸式三角雷射探頭,用於量測鏡面等級粗糙度表面之工件。本論文中所設計及製造的雷射探頭原型主要應用光路放大原理,來增加其量測精度。本研究提出一獨特設計之光路,使光點於位置感測器(PSD)光感測面上的位移變化量和工件表面的位置變化成2倍之比例。
    本研究所發展之探頭本體尺寸為84mm × 85mm × 30mm,所使用的微聚焦雷射之聚焦長度為65mm。雷射探頭之工作距離為20mm,以位置感測器(PSD)2mm長的光感測面中心為中點,探頭量測範圍為±0.5mm。經由12-bit A/D卡解析後,解析度可達0.2441μm。透過HP5529A雷射干涉儀系統搭配三次元量床進行探頭校驗結果顯示,雷射探頭的精度透過重現性校驗所得的結果進行補正後,可達約1μm。
    本研所究發展之探頭結合於一PC控制之3軸精密定位平台,以建構一自動量測系統。本量測系統之軟體,以Visual Basic 6.0程式語言撰寫,可透過RS232介面來控制3軸定位平台、設定量測路徑並對探頭誤差進行補正及計算量測時X、Y、Z三軸向的座標值。
    本論文所發展的量測系統成功地應用於量測塊規組件之高度差及一些3D輪廓試件。由量測結果顯示,透過對不同粗糙度表面進行探頭誤差補正後,本探頭之量測精度可達約2μm。


    The object of this study is mainly to develop a non-contact reflective type triangulation laser probe to measure some workpiece with mirror-like surface roughness. The design and fabrication of the prototype of the developed laser probe was based on the optical path amplification principle, to increase the measurement accuracy. This study proposes a specific configuration of the optical path amplification so that the ratio of the position variation on the position sensitive detector (PSD) surface to the position variation on the workpiece surface is two times.
    The physical size of developed laser probe is 84mm × 85mm × 30mm. A micro-focused diode laser with focus length 65mm was used in this study. The working distance of the laser probe is 20mm. The measuring range is ±0.5mm by setting reference position at the middle position on the PSD with an optical-sensitive length of 2 mm. A resolution of is 0.2441μm is obtainable using a 12-bit A/D card. According to the calibration result with the help of a HP5529A laser interferometer system on a coordinate measuring machine, the accuracy of the laser probe was about 1μm after error compensation based on the repeatability measurement result.
    The developed probe is integrated with a PC-based X-Y-Z precision stage to construct an automatic measurement system. A set of measuring software, programmed with Visual Basic 6.0 language, was developed to position the three stages through RS232 interface, to configure the measuring path, to calculate the error compensation with respect to different surface, and to calculate the coordinates of x-, y-, and z-axis during measuring, respectively.
    The developed system was successfully applied to measure the height difference of three gauge blocks and the 3D profile of some test carriers. Based on the experimental results, the accuracy of this probe is about 2μm after error compensation depending on the surface roughness of the test object.

    目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖索引 VIII 表索引 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 4 1.2.1 雷射探頭設計 4 1.2.2 非接觸式量測系統 5 1.2.3量測精度校驗與改善 6 1.3研究方法與論文結構 6 第二章 相關公式推導與尺寸設計 8 2.1 雷射探頭之光路相關公式推 9 2.1.1 證明一:△Z與△X成正比關係 9 2.1.2 證明二:光路放大,△X’與△Z之比例關 10 2.1.3 證明三:雷射光束水平方向之補正值 11 2.1.4 光路放大後之探頭理論解析度 12 2.2 PSD量測原理介紹 13 2.2.1 PSD輸出訊號公式推導一 15 2.2.2 PSD輸出訊號公式推導二 16 2.2.3 PSD之等效電路 17 2.3 PSD之Field of View(F.O.V可視角) 19 2.4 PSD位置解析能力(位置分解能力) 20 2.5 雷射探頭相關尺寸設計 22 2.5.1 第一代探頭 23 2.5.2 第二代探頭 24 2.5.3 第三代探頭 25 2.5.4 第四代探頭 26 第三章 量測系統之元件架構與整合 28 3.1 SURUGA SEIKI精密三軸定位平台D250系列 28 3.2 Advantech研華科技A/D卡(PCI1710HG) 32 3.3 自製PSD訊號放大電路 33 3.4 自製反射式非接觸雷射探頭 35 3.4.1 PSD規格 36 3.4.2 微聚焦雷射相關資料 36 3.4.3 高反射率反射鏡 37 3.4.4 設計加工完成後之雷射探頭 38 3.5 自行撰寫之量測程式 40 3.5.1 主介面 40 3.5.2 A/D卡設定介面 42 3.5.3 量測介面 43 3.5.4存檔介面 45 3.5.5關於介面 46 3.5.6量測架構示意圖 47 第四章 探頭之特性校驗與實例量測 51 4.1 A/D卡之線性校驗 52 4.2 PSD特性之校驗 53 4.2.1 PSD特性之校驗一 54 4.2.2 PSD特性之校驗二 56 4.2.3 PSD特性之校驗三 59 4.2.4 PSD特性之校驗四 61 4.2.5 PSD之重現性實驗 64 4.3 雷射探頭之特性與誤差校驗 65 4.3.1對理想鏡面進行重現性驗證 66 4.3.2對不同粗糙度之表面進行校驗 67 4.3.3針對量測件小角度之傾斜進行其誤差校驗 68 4.4實際量測實例 70 4.4.1應用實例1:量測階級狀之鏡面表面 70 4.4.2應用實例2:分析鏡面量測件表面之平坦度 74 4.4.3應用實例三:量測3D工件 79 第五章 結果與討論 87 5.1減少量測系統對傾斜角度的誤差 87 5.2改良PSD輸出訊號的電路設計 88 參考文獻 90 圖索引 圖1.1 非接觸式量測原理示意圖(a)散射式 (b)反射式 2 圖2.1 物體表面輪廓與成PSD呈像位置關係圖 9 圖2.2 光路放大關係圖 10 圖2.3 雷射探頭量測時水平方向補正示意圖 12 圖2.4 PSD剖面圖 14 圖2.5 一維PSD之等效電路(A,B為兩端輸出,C為偏壓) 18 圖2.6 二維PSD (a)表面分割型 (b)兩面分割型 18 圖2.7 二維PSD等效電路 (a)表面分割型,E為偏壓 (b)兩面分割型 18 圖2.8 PSD之Field of View(可視角) 19 圖2.9 第一代探頭設計圖 23 圖2.10 第二代探頭設計圖 24 圖2.11 第三代探頭設計圖 25 圖2.12 第四代探頭設計圖(本體) 27 圖2.13 第四代探頭設計圖(配件) 27 圖3.1 (a)KS101-30LMS之實體圖 (b)三視圖 29 圖3.2 (a)KS101-30RMS之實體圖 (b)三視圖 29 圖3.3 機台實體圖 30 圖3.4 D250系列控制器實體圖 30 圖3.5 研華科技PCI-1710HG A/D卡,含PCLD-8710轉接座 32 圖3.6 PSD輸出訊號放大電路 34 圖3.7 放大電路實體圖 35 圖3.8 PSD (a)相關尺寸 (b)實體相片 36 圖3.9 MFL-635-5-65-SD微聚焦雷射 37 圖3.10 高效率紅光反射鏡 (a)尺寸 (b)實體圖 38 圖3.11 探頭(a)爆炸圖 (b)探頭組合圖 39 圖3.12 (a)探頭零組件 (b)控制盒 39 圖3.13 探頭實體圖 39 圖3.14 量測系統主介面 41 圖3.15 雷射探頭補正移動路徑 42 圖3.16 (a) A/D卡增益與輸入頻道設定介面 (b) A/D卡訊號讀取介面 43 圖3.17 量測介面 44 圖3.18 量測路徑示意圖 45 圖3.19 存檔介面 46 圖3.20 關於介面 47 圖3.21 系統架構示意圖 47 圖3.22量測訊號流程圖 48 圖3.23 探頭量測系統 49 圖3.24 量測控制系統硬體 49 圖3.25 控制端介面相片 50 圖4.1 A/D卡線性校驗圖 52 圖4.2 PSD特性校驗之實驗照片 53 圖4.3 傾斜0度,距離65mm之量測示意圖 54 圖4.4 傾斜0度,距離116.57 mm之量測示意圖 56 圖4.5 傾斜0°,距離65mm與116.57mm之誤差曲線 58 圖4.6 傾斜45度,距離65mm之量測示意圖 59 圖4.7 傾斜45度,距離116.57mm之量測示意圖 61 圖4.8 傾斜45°,距離65mm與116.57mm之誤差圖 63 圖4.9 PSD之重現性誤差 64 圖4.10 雷射探頭特性校驗示意圖 65 圖4.11 雷射探頭特性校驗相片 66 圖4.12 雷射探頭對理想鏡面進行重現性驗證 67 圖4.13 雷射探頭對不同粗糙度之誤差 68 圖4.14 雷射探頭對不同小角度之誤差 69 圖4.15 量測表面角度對雷射光入、反射角度之影響 69 圖4.16 不同之量測階級面示意圖 71 圖4.17 量測階級面相片 71 圖4.18 順向階級,高度差為(-400μm 0μm 500μm) 72 圖4.19 凹狀面,高度差為(400μm 0μm 400μm) 72 圖4.20 凸狀面,高度差為(0μm 400μm -400μm) 73 圖4.21 逆向階級,高度差為(500μm 0μm -500μm) 73 圖4.22 量測塊規之表面 75 圖4.23 量測塊規表面之結果 76 圖4.24 量測高反射率反射鏡之表面 77 圖4.25 量測高反射率反射鏡表面之結果 78 圖4.26 量測硬碟中心孔之照片 79 圖4.27 利用微分法檢測孔邊緣之結果 80 圖4.28 量測一硬碟中心之圓形凹孔 81 圖4.29 量測圓形與方形之凸型載具相片 82 圖4.30 利用微分法檢測圓形凸面之檢測結果 83 圖4.31 量測一圓形載具 84 圖4.32 利用微分法檢測方形凸面之檢測結果 85 圖4.33 量測一方形載具 85 表索引 表2.1 PSD電流與位置關係式 17 表3.1 精密三軸定位平台基本規格 31 表3.2 Advantech PCI-1710HG之規格 33 表3.3 DL-2型PSD之相關規格 36 表3.4 微聚焦雷射資料表 37 表4.1 PSD特性之校驗一(傾斜0度距離65mm) 55 表4.2 PSD特性之校驗2(傾斜0度距離116.57mm) 57 表4.3 PSD特性之校驗3(傾斜45度距離65mm) 60 表4.4 PSD特性之校驗4(傾斜45度距離116.57mm) 62

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