張來賓 李守衛(wèi) 郭 峰

（國家機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 山東 滕州 277500）

0 引言

基于光電開關(guān)原理、光柵位移測量原理、激光掃描測量原理設(shè)計(jì)的非接觸測量方法具有高精度、高速度、智能化等特點(diǎn)。此零件是一種形狀不規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件，為此需考慮相應(yīng)的檢測方法來解決其測量問題。本文則主要針對特定位置徑向尺寸測量問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 測量對象

測量對象如圖1所示，在距離頂部3mm處測量徑向尺寸。

圖1 被測對象

2 測量原理

2.1 光柵位移系統(tǒng)的基本原理[1]

如圖2所示：

圖2 莫爾條紋

光柵距分別為ω1和ω2的兩光柵以很小的間隙疊合在一起，并且二者柵線相交成一個(gè)很小的角度時(shí)，其中一個(gè)相對于另一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋（Moire fringes）。莫爾條紋具有位移放大，位移同步、誤差平均的特點(diǎn)，在此，我們可以得到光柵位移測量的基本方程：

式中：ω——光柵的柵距

θ——兩個(gè)光柵柵線之間的夾角

B——莫爾條紋之間的距離

當(dāng)指示光柵相對于主光柵移過一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋將在水平方向移過一個(gè)條紋。在固定位置放置一個(gè)光電探測器，當(dāng)莫爾條紋連續(xù)移動(dòng)時(shí)，探測器的輸出信號(hào)亦為近似的正弦波。對該信號(hào)進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)，即可測出指示光柵相對于主光柵的移動(dòng)距離。對于光柵測量系統(tǒng)，若在后續(xù)電路中加入倍頻電路，實(shí)現(xiàn)條紋細(xì)分，可提高分辨率。

2.2 激光掃描測量原理[2]

測量原理如圖3所示：

圖3 激光掃描測量原理圖

從激光器發(fā)出的激光光束，經(jīng)反射鏡射向掃描轉(zhuǎn)鏡，再經(jīng)掃描轉(zhuǎn)鏡的反射面反射，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后，光束成為平行于光軸的平行光束對工件進(jìn)行掃描，經(jīng)聚光鏡聚光后進(jìn)入光電接收器，最后經(jīng)光電變換和電子學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，便可得到被測工件的測量結(jié)果。

通常用此原理測量被測工件的直徑D，此時(shí)被測工件直徑值D可由下式給出：

式中：D——工件直徑

V——掃描速度

t——掃描間隔時(shí)間

3 總體結(jié)構(gòu)及測量原理

總體結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意圖

測量系統(tǒng)包括：光電開關(guān)；光柵位移測量系統(tǒng)；激光掃描測量系統(tǒng)；精密機(jī)械定位夾緊及執(zhí)行系統(tǒng)；伺服控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；顯示與打印系統(tǒng)。

測量原理為：

3.1 首先把被測件用相應(yīng)的定位夾具裝夾好，定位在工作臺(tái)上；

3.2 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副，帶動(dòng)滑板上的光電開關(guān)沿Z向移動(dòng)。當(dāng)光電開關(guān)到達(dá)被測件頂部時(shí)，啟動(dòng)光柵位移測量系統(tǒng)，使激光掃描測量系統(tǒng)到達(dá)被測件的特定位置；

3.3 激光掃描測量系統(tǒng)對特定位置的徑向尺寸進(jìn)行測量；

3.4 測量數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過顯示系統(tǒng)給出相應(yīng)的結(jié)果。

4 測量系統(tǒng)的精度分析

本測量系統(tǒng)的誤差主要包括：

4.1 所選取的激光掃描系統(tǒng)測量誤差為：δ1=0.001mm

4.2 導(dǎo)軌平行度為：δ2=0.002mm

4.3 掃描光線與被測件的垂直度為：δ3=0.002mm

4.4 被測件定位誤差為：δ4=0.003mm

4.5 光電開關(guān)延時(shí)誤差為：δ5=0.002mm

4.6 光柵位移測量系統(tǒng)測量誤差為：δ6=0.002mm

根據(jù)被測件徑向尺寸測量的要求,其測量誤差要求≤0.015/3=0.005mm。

而徑向尺寸測量系統(tǒng)的測量誤差為：[3]

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

［1］張善鍾.計(jì)量光柵技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

［2］王因明,等.光學(xué)計(jì)量儀器設(shè)計(jì)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

［3］楊志文.光學(xué)測量[M].北京理工大學(xué)出版社,1995.