一种简单实用的光学非接触外径测量方法

一种简单实用的光学非接触外径测量方法潘石,周平,王勇,俞建元( 大连理工大学机械工程系 )( 大连理工大学物理系, 大连116024 )摘要提出一种简单实用的光学非接触外径测量方法; 主要仪器设备只需一台 H e2N e 激光器、一台测长仪 ( 如阿贝比长仪) 及一块数字万用表. 该方法 具有装置简单、操作方便、测量速度快、重复性好、定位精度高等特点. 对 5 10 5 200 mm 的一系列标准塞规及轴承外环的测量结果表明其定位精度优于2 m.关键词直径; 衍射; 定位; 激光应用/光学非接触测量分类号T G806基于激光衍射定位的精密测试, 是测试技术中的重要方法, 在各种领域中发挥着越来越重要的作用1 4 . 由于光学测量的非接触性, 不存在测量力, 测量 ( 特别对中、大尺寸工件) 时不 存在工件或量具的变形、损坏, 特别是对于一些特殊材料制成的物体或测量部位自由空间小的 物体测量更具有独特的优势. 另外, 由于用激光衍射方法测量原理简单、操作方便、测量速度 快、重复性好、精度高、易于实现在线自动检测, 得到越来越广泛的应用.基本原理由波动光学可知, 光线在遇到障碍物或孔时要改变原来的传播方向发生衍射, 并在衍射场 中形成相应的衍射条纹. 常见的衍射现象有菲涅耳衍射 ( 近场衍射) 和夫琅禾费衍射 ( 远场衍 射). 衍射主极大条纹位置总是出现在缝、孔或障碍物的中央处. 当一束激光垂直圆柱轴线照 向柱边时, 将产生类似直边衍射情形的柱边衍射现象, 如图 1. 图 2 给出了柱边衍射发生时衍 射条纹的空间分布. 图中坐标原点 o 对应圆柱的几何阴影边界, 即图 1 中虚线在象平面上的投 影点; Im 是衍射第一极大条纹; s 是此条纹到几何阴影边界的偏移距离, 是直径 D ( 严格应为曲 率半径) 的函数; 2s 随圆柱直径 D 变化的趋势, 如图 3 定标曲线所示.用衍射第一极大峰值为圆柱形工件的边缘定位, 由阿贝比长仪测量出工件移动过程中边 缘两次切割激光束而产生衍射第一极大峰值的位置差, 再用 2s 修正即可得到所测工件的直 径. 2s2D 定标曲线可由对标准工件的测量得到.1 收稿日期: 1997212225; 修订日期: 1998210201潘 石: 男, 1949 年生, 副教授潘石等: 一种简单实用的光学非接触外径测量方法第 6 期637图 1柱边衍射原理图图 2柱边衍射条纹强度分布实验装置2为了得到清晰、尖锐的柱边衍射条纹, 采用图 3 所示的光路, 包括圆柱工件、透镜 L 、组合光阑 Z 及成象面 P. 其中圆柱边缘点距L 为一到二倍焦距, 即 f 2f ; L 与组合光阑距离为 f . 透镜 L 的作用有两个: 一是将柱边衍射光线成象在象平面 P 上; 二是将入射平行光会聚于焦 点处的吸收光屏 A 上. 组合光阑 Z (如图 3 所示) 由孔径光阑 H 和吸收光屏A 组成. A 为一黑 色圆斑, 用于吸收L 前的入射平行光; 孔径光阑H 能阻档住L 后不能会聚于A 的非平行入射杂 散光. 有了组合光阑, 消除了杂散光的干扰, 使条纹清晰、尖锐. 同时透镜L 和光阑 Z 共同使衍 射次极大条纹衰减掉. 因而采用图 3 所示的光路后, 就可以在象平面上得到柱边衍射生成的 第一极大条纹; 它是一条平行于圆柱轴线的亮线.实验装置如图 4 所示. 光源采用 H e2N e 激光器, 被测工件置于阿贝比长仪上, 被工件边缘衍射的光线经透镜成象于狭缝; 在狭缝的后面放置光电二极管. 当边缘定位信号即衍射第一 极大峰值到达狭缝中心时, 光电二极管产生最大输出, 可直接由数字万用表电压档 ( 或数字电 压表) 读出极大值以确定边缘位置 1; 边缘位置 1 的数值可由阿贝比长仪读出. 继续移动工件 可 确定并读出边缘位置 2 的数值, 两个边缘位置数值之差 ( 绝对值) 即为工件直径的实测值 D 0 ; 用衍射偏移 2s 修正后, 即得到被测工件直径 D .为了得到衍射偏移 s 随直径变化的定标曲线, 首先进行了定标测试. 在测试时, 使用功率大 连 理 工 大 学 学 报第 38 卷638为 1. 5 mW 的 H e2N e 激光器作为光源, 柱边衍射条纹用 B PW 34 光电二极管转换为电压信号.对直径 10 200 mm 的工件实测时, 衍射亮线条纹峰值电压约为 200 mV , 条纹窄且锐. 所用透镜焦距 f =110 mm , 狭缝宽度为 0. 3 0. 5 mm. 测量时工件衍射点距透镜 150 mm , 狭缝和接收光电二极管位于象点. 所用被测试工件为经立式光学计精确测定的直径为 10. 001 5 mm的塞规和直径为 51. 9915、99. 988 0 和 199. 986 0 mm 的轴承外环.定的光路. 2s2D 关系定好后, 可以用于对 测量结果进行修正. 衍射偏移 2s 随直径变 化的定标曲线见图 5. 由定标曲线拟合得 到 2s 随 D 变化的曲线方程为不同工件的定标要采用固3. 107 070 2s =1. 760 111D -10- 2D 2 + 5. 381 558 10- 4D 3 - 3. 288 915 10- 6D 4 + 7. 543 123 10- 9D 5 实际使用时可直接将测得的 D 0 值代入上 式, 即可得到衍射偏移值 2s . 得到定标曲 线后, 用经立式光学计精确测定的直径为25. 998 0 和36. 221 0 mm 的塞规作为实测图 52s2D 定标曲线工件测定实测直径 D 0 , 由定标曲线得到衍射偏移 2s , 修正后即可得到被测工件直径 D .结果见表 1.测量为考察柱边衍射定位的定位精度, 用工件的同一个边缘, 反复调节阿贝比长仪, 用数字万用表读出光电二极管的最大输出来确定边缘位置; 测定结果见表 2, 显示定位精度优于 2 m.测量结果3测量数据及数据处理结果如表 1、2.表 1工件直径测量数据及实验结果mm测量值D 0标准值123456725. 998 025. 965 725. 969 025. 963 925. 969 525. 968 025. 971 525. 967 636. 221 036. 182 736. 181 136. 181 936. 175 136. 180 536. 181 736. 181 3测量值D 0衍射偏移2s修正值DD 与标准值差D 0平均值D 0 误差 891025. 967 225. 969 625. 966 125. 967 80. 002 10. 032 826. 000 60. 002 636. 182 536. 177 436. 178 736. 180 30. 002 30. 043 436. 223 70. 002 7f = 100 mm , u = 150 mm潘石等: 一种简单实用的光学非接触外径测量方法第 6 期639表 2定位精测试度及结果mm测量值标准值123456工作前边缘工作后边缘50. 207 0102. 149 350. 206 2102. 149 750. 208 1102. 148 450. 208 5102. 149 250. 209 2102. 147 550. 208 2102. 146 8测量值平均值误差 定位精度 278950. 208 7102. 149 550. 208 8102. 147 950. 208 3102. 148 650. 208 1102. 148 50. 000 890. 000 930. 001 80. 001 9f = 110 mm ,u = 150 mm结论4对衍射边缘点距透镜为 150 mm , 透镜焦距 f = 110 mm , 狭缝宽 0. 3 0. 5 mm 的光路, 经过对可能影响定位精度和测量精度的因素, 包括光路调整 ( 光路准直, 接收狭缝严格置于成象 位置并位于光轴上)、激光器的稳定性、工件摆放、狭缝宽度等的精调和优化, 本方法对 5 105 200 mm 的一系列标准塞规及轴承外环的测量结果表明, 其定位精度优于 2 m.参考文献1 L ang lo is P. D iff rac t io n o f an e m w ave by an ab so rb ing c ircu la r cy linde r. O p t A c ta, 1983, 30: 1373 13962 竹山秀彦, 高田孝次. 旋削加工精度1 制御. 精密机械, 1977, 43 (3) : 71 763 L ang lo is P. R ea l2t im e cu rva tu re rad ii m ea su rem en t u sing d iff rac t io n edge w ave s. A pp l O p t, 1985, 24 ( 8) :1107 11124 吕海宝, 漆新民, 邹定海. 利用柱边衍射定位的工件直径在线检测. 光电工程, 1990, 17 (2) : 23 27S im p le pra c t ica l n on - con ta c t op t ica l m e thodf or m ea sur in g ex terna l d iam e terP anSh i,Zho uP in g ,W an gYo n g,( D ep t.o f P h y s. , D a lian U n iv. o f T ech no l. , C h ina )Y uJ ian yu an( D ep t. o f M ech. E ng. , D a lian U n iv. o f T ech no l. , C h ina )A bstrac tA sim p le p rac t ica l no n 2co n tac t op t ica l m e tho d fo r m ea su r ing ex te rna l d iam e te ris p ropo sed. T h e m a in in st rum en t s inc luded a re H e2N e la se r, len g th m ea su r ing app a ra tu s(fo rin stan ce A bb e com p a ra to r)andd ig ita l m u lt im e te r. T h is m e tho d h a s th e fea tu re s o fsim p le and ea sy op e ra t io n , fa st m ea su rem en t, goo d rep ea tab ility and h igh p rec isio n o fpo sit io n. T h e m ea su rem en t s fo r a se r ie s o f stan da rd p lug gauge s and o u te r r ing o f th e