回轉體零件特定位置徑向尺寸自動測量技術

張來賓 李守衛 郭 峰

（國家機床產品質量監督檢驗中心 山東 滕州 277500）

0 引言

基于光電開關原理、光柵位移測量原理、激光掃描測量原理設計的非接觸測量方法具有高精度、高速度、智能化等特點。此零件是一種形狀不規則的回轉體零件，為此需考慮相應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行重點研究。

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很小的角度時，其中一個相對于另一個運動時，就會產生莫爾條紋（Moire fringes）。莫爾條紋具有位移放大，位移同步、誤差平均的特點，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——兩個光柵柵線之間的夾角

B——莫爾條紋之間的距離

當指示光柵相對于主光柵移過一個柵距時，莫爾條紋將在水平方向移過一個條紋。在固定位置放置一個光電探測器，當莫爾條紋連續移動時，探測器的輸出信號亦為近似的正弦波。對該信號進行整形、計數，即可測出指示光柵相對于主光柵的移動距離。對于光柵測量系統，若在后續電路中加入倍頻電路，實現條紋細分，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

從激光器發出的激光光束，經反射鏡射向掃描轉鏡，再經掃描轉鏡的反射面反射，經過準直透鏡后，光束成為平行于光軸的平行光束對工件進行掃描，經聚光鏡聚光后進入光電接收器，最后經光電變換和電子學數據處理系統處理，便可得到被測工件的測量結果。

通常用此原理測量被測工件的直徑D，此時被測工件直徑值D可由下式給出：

式中：D——工件直徑

V——掃描速度

t——掃描間隔時間

3 總體結構及測量原理

總體結構如圖4所示：

圖4 總體結構示意圖

測量系統包括：光電開關；光柵位移測量系統；激光掃描測量系統；精密機械定位夾緊及執行系統；伺服控制系統；計算機實時數據處理系統；顯示與打印系統。

測量原理為：

3.1 首先把被測件用相應的定位夾具裝夾好，定位在工作臺上；

3.2 由步進電機驅動絲杠螺母副，帶動滑板上的光電開關沿Z向移動。當光電開關到達被測件頂部時，啟動光柵位移測量系統，使激光掃描測量系統到達被測件的特定位置；

3.3 激光掃描測量系統對特定位置的徑向尺寸進行測量；

3.4 測量數據送到計算機，經數據處理后通過顯示系統給出相應的結果。

4 測量系統的精度分析

本測量系統的誤差主要包括：

4.1 所選取的激光掃描系統測量誤差為：δ1=0.001mm

4.2 導軌平行度為：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 光電開關延時誤差為：δ5=0.002mm

4.6 光柵位移測量系統測量誤差為：δ6=0.002mm

根據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的測量誤差為：[3]

5 實驗數據

［1］張善鍾.計量光柵技術[M].北京機械工業出版社,1981.

［2］王因明,等.光學計量儀器設計[M].北京機械工業出版社,1981.

［3］楊志文.光學測量[M].北京理工大學出版社,1995.