工件幾何量測量方法研究

李西龍

（中國航發黎陽航空動力有限公司，貴州 貴陽550014）

1 概述

幾何量測量是指與工件尺寸、形狀和位置有關的測量技術和方法，是機械制造業中最重要和最基本的過程之一[1]。準確測量工件的幾何參數不僅是保證產品最終加工質量，而且是提高生產效率的重要組成部分。幾何量測量不僅可以定性判斷工件的質量，而且還可以根據測量結果來分析不良工件的原因，從而在機器制造過程中實現高質量、高效率和低成本的目標[2]。由于幾何量測量技術對機械制造過程的反哺作用，因此對幾何量測量新技術的研究一直是機械制造領域科學研究的重要內容之一。

2 常見幾何量測量方法

2.1 長度的檢測

2.1.1 利用位移傳感器檢測

節流式氣動量儀使用噴嘴擋板來測量由于流量變化引起的位移并實現長度的測量。長度的測量是基于噴嘴擋板式節流閥的原理，其關系表達式如下：

圖1 為pg、μ、A 恒定時的長度Z 與pn之間的關系，由于測量噴嘴的內徑為d=1.2～2mm，因此最大的測量長度范圍約為d/4，由于流量Q 基于Z 變化和pn變化，因此可以使用流量計來測量流量Q，并且可以通過流量來表示長度Z 的大小。

圖1 Z 與pn 關系曲線

2.1.2 利用速度或轉速傳感器檢測

線速度的積分是長度，可以通過將輸出信號集成到線速度檢測中來檢測長度。使用一定直徑的旋轉輥，使其與物體接觸，然后在待測物體的整個長度上旋轉輥，轉速傳感器用于檢測旋轉輥的轉數，并在轉換后檢測長度。

2.2 厚度的檢測

2.2.1 利用超聲波檢測

超聲波的厚度檢測分為共振型和脈沖反射型兩種，脈沖反射型的原理與液位檢測相同，超聲波只是傳輸介質不同，因此省略說明。共振超聲厚度測量原理見圖2 所示。厚度與共振頻率的關系如下：

式中：n- 共振次數；

c- 聲速。

圖2 共振型超聲波測厚原理

使用超聲波測厚儀時，在聲阻抗匹配的條件下，超聲波發生器和接收器必須與物體表面緊密接觸[3]。因此，不僅要使接觸表面盡可能光滑，還要使用水或油作耦合劑。

2.2.2 利用射線檢測

檢測工業生產中材料厚度的射線包括X、γ 和β 射線，下面主要介紹X 射線測厚原理。

雙重射線將射線分為兩條路徑：一種用于檢測，直接射入被測材料中；另一個用作參考，并射入到由伺服驅動的標準楔形中。射線探測器檢測到兩束射線并進行比較，通過使用伺服放大器和伺服電機移動標準楔形件的位置來平衡系統，根據標準楔形的位置計算材料厚度。X 射線測厚儀可以檢測0.1 至15 毫米的材料厚度，精度為滿刻度的0.5%。

2.2.3 利用紅外線檢測

紅外線可用于檢測透明或半透明的塑料薄膜材料的厚度。當從紅外光源發出的光穿過物體時，紅外線衰減與測得的厚度和特定的單值函數有關，可以通過檢測透射光的變化來檢測厚度[4]。被測薄膜放置在光源和反射鏡之間，從光源發出的光通過濾光片轉換為兩種不同波長的光，這些光交替發出并進入反射鏡，反射光穿過薄膜射到凹面鏡，反射光會聚在紅外探測器上，探測器的輸出是反應的脈沖值，并在計算后獲得厚度測量值。

2.2.4 利用激光檢測

激光檢測方法包括三角法和偏轉法。

a.三角法檢測厚度原理見圖3 所示。假設CAB 平面垂直于參考板的平面，激光束與參考板形成45 度角，激光束入射到參考板的點A，并且反射光束通過透鏡聚焦后成像到O 點。

圖3 三角法激光厚度檢測原理

圖6 為光電式外徑檢測系統。由激光發生器產生的激光被光學系統轉換為平行光，使用非常細的光束以恒定速度v 掃描測量的材料直徑。當光束射到待測物體時，由于受測物體直徑內的遮光效應，光電管無法接收光，因此每次光束掃描待測物體的直徑時，都會輸出一個方波脈沖，脈沖寬度與直徑成比例，可以通過測量脈沖寬度來獲得測量的直徑d。

圖中所示的直徑計細束等速掃描方法由1 至6、17 和18 實現，輸出方波和方波寬度中的脈沖數由8 至16 實現。脈沖數N與直徑d 之間的關系如下。

圖4 偏轉法激光厚度檢測原理

2.3 寬度的檢測

圖5 為光電式測寬儀的原理，通過光電法測量運動物體的寬度。光源設置在板的上部，而位于下部的光傳感器用于測量被測物體兩端的覆蓋光源發射光的面積變化，表示為遮光量的變化。兩個傳感器之間的距離由伺服機構設置，并且可以從兩個傳感器的輸出總和中獲得寬度檢測值。

圖5 光電式測寬儀

2.4 直徑的檢測

圖6 激光測徑儀工作原理示意圖

3 孔、軸幾何量測量技術

3.1 孔、軸的非接觸式測量方法

非接觸式測量方法包括電容傳感式內徑測量、激光位移測量法、氣動量儀孔徑測量法。電容傳感式內徑測量，使用直徑稍小的圓柱形電容傳感器將其插入要測量的孔中，并在被測工件和電極之間的孔中產生電容，必須確保測試對象的表面沒有被污染，介電常數由于灰塵、油和水等因素而變化，只能檢測金屬工件[5]。LDS 主要由兩部分組成：一個是經過準直了的點狀激光源，其投射在被測面上的激光斑點直徑一般為0.05-0.1μm；另一部分是光電探測器及對應成像透鏡部分，光電探測器一般采用PSD、CCD 或CMOS。PSD 一般用于價格敏感的應用場合，如紅外主動式PSD 三角法測距系統一般用于無人機定高懸停，高精度LDS 更多采用CCD 作為激光接收靶面，CMOS 傳感器在LDS 應用最為廣泛，具有成本可控、電路結構簡單及動態響應速度快的優點。激光位移傳感器的測量原理見圖7 所示。

圖7 激光位移傳感器的測量原理

3.2 孔、軸的接觸式測量方法

在傳感器內部，交流激勵源連接到初級線圈的兩極，反串聯連接的兩個次級線圈的兩極作為差分電壓輸出端子連接到解調電路。鐵芯依次穿過三個線圈后，牢固地連接到傳感器的接觸頭，通過勵磁源的交流信號的作用，鐵芯將初級線圈的磁通量感應到兩個次級線圈上，如圖8 所示。

圖8 電感式位移傳感器原理框圖

如果在使用傳感器時，接觸頭在外力作用下發生位移，則鐵芯也會產生相同的位移。差分電壓的大小與鐵芯的位置有關，兩個次級線圈的輸出電壓U1、U2為：

可以簡化為：

最后，可以獲得鐵芯的位置變化 Δx與輸出差分電壓U 之間的關系。電感式位移傳感器結構簡單，與成本相比，其精度完全滿足工業領域的幾何量測量要求。在實際應用中，電感式位移傳感器具有多種結構形式，還可以進行非接觸式測量。

4 結論

從幾何量測量設備行業的發展來看，幾何量測量設備的技術水平和經濟價值在儀器制造業中作為具有較高經濟附加值和高技術含量的工業產品越來越突出。這是因為現代工業在制造過程中追求高精度和高效率的質量控制，并積極促進幾何測量技術水平的快速提高。隨著測量過程的自動化程度的不斷提高，無論是從工業制造環境中對幾何量測量技術的需求還是從測量儀器行業的發展角度而言，幾何量測量技術應受到業界的廣泛關注，以提高快速發展的機械制造業的適應性和競爭力。