非接触激光圆度仪的研制

非接触激光圆度仪的研制

安志勇　于　洪　张国玉　李成志

(长春光学精密机械学院光电工程系)

摘　要　本文介绍一种非接触式检测大型回转体件圆度误差的激光圆度仪工作原理

及总体构成、并通过实验予以验证。该仪器采用激光狭缝扫描原理和光电传感技术,通过电子学单片机技术进行误差分离及数据处理,从而实现圆度误差测量。关键词　非接触;圆度误差;激光;狭缝扫描在机械加工行业,回转体件的加工占有相当大的比重,而且回转体件绝大多数都要控制圆度误差,这就必须研究对此误差的检测问题。然而对于直径大于500毫米的大型回转体件,尤其是直径达到几米的工件,采用一般的圆度仪是根本无法检测其圆度误差的。为此我们采用激光狭缝扫描原理和光电传感技术,研制了这台测量范围大、精度高、功能多的非接触测量圆度误差的激光圆度仪。

1　仪器的基本工作原理

本仪器是利用光学窗口与工件边缘形成的狭缝,对扫描光束的通过和遮断而产生的光强调制作用,来实现测量的。当光学机械扫描器对狭缝进行高速连续扫描时,就形成一个光强调制信号,这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息。如图1所示,设H 为光学窗口常数,h 为狭缝宽度,在本系统中,h 为被测量特征参数,若将工件圆周均匀分成m 个分度,则图1　狭缝扫描示意图

对应的第i 个半径,可由下式给出 R i =H -h i i =1、2、3、……m (1)式中,由光学窗口与系统结构决定窗口参数,H 是不变的常数,h 是通过狭缝扫描测出的。

当测出m 个半径R 以后,可找出最大的半径R max 和最小的半径R min 。这样,根据圆度定义,即可由下式给出测出的圆度误差值。

f 圆=R max -R min

(2)

所以,本测量系统实际上就是用对狭缝扫描的方法,测出被测量特征参数h ,从而可测得工件的圆度。设对狭缝扫描的速度为V ,扫描时间为t i ,则

h i =V ?t i

(3)

收稿日期:1998-08-02 国防科工委跨行业重点项目

第21卷第3期长春光学精密机械学院学报

Vol.21　No.31998年9月

J.CHAN GCHUN INST.OPT.

&　FIN E M ECH.

Sept.1998

显然,式(3)中,当扫描速度是常数时,h i 决定于时间t i ,即可实现测量。

2　仪器的总体构成

本测量仪主要有以下几部分组成:

1)由半导体激光光束变换光学系统,光学机械扫描系统和发射光学系统构成的狭缝扫描发射器。

2)

由接收光学系统与光电转换信号预处理电子学系统构成的接收器。3)由回转执行机构和送进执行机构等构成的精密机械系统。

4)以单片微机为核心的微机控制与实时数据处理等有关硬件构成的主控制器。5)由回转执行电机和送进电机驱动和控制电路构成的伺服控制器。6)实现高速实时数值计算与控制的计算机控制系统。7)半导体激光稳功率电源:

8)由主控制与伺服控制器等有关软件模块构成的软件系统。9)采用C 语言进行计算机控制与数值计算的程序软件系统。

系统的总体结构框图如图2所示。

图2　总体结构框图

3　狭缝扫描光学系统

根据前述的工作原理,扫描速度V 应是不变的,即V 应为一个常数,才能满足测量要求。

4

3长春光学精密机械学院学报1998年

然而一般扫描转镜的转速虽然不变,但扫描速度并不是一个常数。对于本仪器扫描速度V 由下式给出:

V =[f -cos θ(1-cos φ)cos (θ-φ)R ]2ωcos 2(θ-2φ)

(4)式中　f 为焦距;R 为转镜半径;ω为转镜角速度;θ为有效扫描角;φ为扫描转镜的角位移。由上式可以看出,扫描速度V 是转角φ的函数,也就是说,扫描速度是变化的。所以由扫描转镜直接反射激光光束而形成的扫描系统在这里不能实现测量要求。因此,必须设计特殊的光学系统,利用光学的某些几何光学特性,设计的扫描光学系统,可以获得扫描速度V 不变的扫描系统。我们设计的狭缝扫描光学系统,具有优良的速度特性,获得十分满意的结果。

4　狭缝扫描光电变换电子学系统

光电变换电子学系统,主要是将经狭缝扫描而携带有被测信息的光强调制信号,转换成电信号,检出信号边沿。通过信号边沿的性质判别,提取出狭缝特征信号,送到主控器进行实时数据预处理,再送给上级计算机。光电变换电子学系统主要由光电转换、放大、信号边沿检出、边沿性质判别和狭缝特征提取等电路组成。其系统框图如图3所示

。

图3　光电变换系统框图

5　计算机数据处理系统

圆度测量从理论上来说,需要测出整个圆周上各点的半径值,也就是说要测无数个值。

实际上,只能测有限个半径值评价一个零件的圆度。即使这样,计算工作量也是非常大的。为此,本仪器采用上级计算机来完成大量数据的实时数值计算。这里主计算机的主要任务有: 1)测量结果的实时处理与计算 当主控制器将大量预处理的数据送给计算机以后,计算机即可进行实时处理与计算,迅速给出圆度测量结果,并在CR T 上显示出来。计算机数据处理软件流程图如图4所示。 2)工件安装偏心误差的分离 回转执行机构轴线在工件安装后,与工件轴线是不一定完全重合的,总是存在一定微小的偏心量。这一微小的偏心量又总是混入测量值中,从而产生圆度误差的测量误差。

我们知道,圆柱体正截面的轮廓形状,实际上是一个封闭的较复杂的曲线,其轮廓曲线可用傅立叶级数描述。在极坐标系中,傅立叶级数如下式:

5

3第3期安志勇等:非接触激光圆度仪的研制

图4　计算机数据处理流程图

ρ(θ)=

a 0

2

+

6

∞

n =1

(a n cos n θ+b n sin n θ)(5)

式中　a 0=1

π∫

2π

O ρ(θ

)d θ(6)a n =1π∫2π

O ρ(θ)cos n θd θ(7)b n =1π∫

2π

O

ρ(θ)sin n θd θ(8)现说明上述各式的有关物理意义:ρ(θ)表示从某点起始度量的θ角处的半径,以下用R (θ)表示之,它是θ角的函数。

从式(5,6)可知,a 0/2为级数的常数项,实际上为一平均圆的半径,这里用R 0表示之。

当n =1时,则级数的第2项a 1cos

θ+b 1sin θ为一次谐波,反映的是安装偏心造成的影响。当n =2时,级数第三项a 2cos2θ+b 2sin2θ是二次谐波,反映了工件存在椭圆误差。依次反映三边的棱圆度误差,等等。

对于n 很大的谐波,则反映的是粗糙度,不属于圆度误差。如果圆度误差的谐波数到K 为

止,则可将式(5)改写成如下形式。

R (θ

)=R 0+(a 1cos θ+b 1sin θ)+6

k

n =2

(a n cos n θ+b n sin n θ)+

6

3长春光学精密机械学院学报1998年

6

∞

n =k +1

(a n cos n θ+b n sin n θ)

(9)

式(9)中,第三项才反映的是圆度误差,第四项反映的是粗糙度应予忽略,故式(9)可写成

如下形式:

R (θ

)=R 0+(a 1cos θ+b 1sin θ)+6

k

n =2

(a n cos n θ+b n sin n θ)(10)

式中　第二项为偏心项,第三项才是圆度误差。因此,在测出一周均匀分布的半径R 后,通过计算机进行实时处理,通过大量计算,剔除第二项偏心的影响,给出圆度的测量值。

3)测量过程的动态图显示4)打印机输出

计算机控制系统软件模块框图

,如图5所示。

图5　计算机控制系统流程图

6　实验结果与结论

我们对于经过标定的圆度误差为:(f 0=01001mm )的标准试件进行了实际测量,其结

果如表1所示。

7

3第3期安志勇等:非接触激光圆度仪的研制

表1　标准试件实际测量结果

序号

项 目

圆度误差

检定值f0

(mm)

圆度误差测

量值f i

(mm)

圆度误差测

量平均值 f

(mm)

测量误差

(精度)

Δf= f-f

序号

项 目

圆度误差

检定值f0

(mm)

圆度误差测

量值f i

(mm)

圆度误差测

量平均值 f

(mm)

测量误差

(精度)

Δf= f-f

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10

0.001

0.0018

0.0017

0.0016

0.0016

0.0016

0.0014

0.0013

0.0017

0.0014

0.0020

0.00170.0007

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

0.001

0.0015

0.0014

0.0020

0.0018

0.0018

0.0017

0.0019

0.0015

0.0019

0.0019

0.00170.0007

从测量结果看是比较理想的。

标准差:σ=0100021mm

重复性精度:±2σ=±0100042mm

测量结论见表2:

表2　测量结论

项 目分辨率(仪器最小读数值)(mm)测量精度(mm)重复性精度±2σ(mm)实验结果0.001mm0.0007mm±0.00042mm 要 求0.001mm±0.001mm±0.0005mm

由此可看出,此仪器具有一定实用价值。

参考文献

1　花国梁主编.精密测量技术.中国计量出版社,1990

2　李成志等.科学技术总结报告,1997

3　安志勇等.圆度误差激光扫描检测方法.中国兵工学会第六届测试技术学术会议,1992

R esearch on a Non2contact Laser R onndness Instrument

A n Zhiyong　Y u Hong　Zhang Guoyu　L i Chengz hi

(Dep.of Optical and Elect rical Engineering of Changchun Inst.Optics and Fine Mech.)

Abstract　This paper describes a non2contact laser roundness instrument used to ins pect the round ness error of large2scale rotatary object.The instrument operates in the laser slit scanning principle,and adopts the optoelectronic sensing techinque.The measuremtnt of the roundness error is completed with electronic error2dismixing and data processing technique.

Key words　Non2contact;Roundness error;Laser;Slit scanning

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