应用于三坐标测量机的半光斑成像式激光测头

　　1　引　　言

　　三坐标测量机是一种测量精度高、量程大、通用性强、效率高的测量仪器,它能对复杂的零件进行精确的三维测量[1]。三坐标测量机是通过测头来拾取测量对象的特征信号,测头是三坐标测量机的关键部件,三坐标测量机的功能、精度、工作效率与测头有着密切的关系。传统刚性接触式测头,测量时需做半径补偿,长期使用后测头有磨损,测量精度低、应用范围窄[2]。近年来,随着激光技术、制造技术、图像传感技术、计算机控制技术等相关技术的快速发展,出现了各种各样的光学非接触式测头[3-6]。因其具有测量范围广、效率高、精度高、量程广的优点,成为精密测量技术的重要发展方向和研究热点[5-9]。本文运用半光斑成像原理,研制出一种新型激光瞄准测头,并通过大量的关键性能参数实验验证,该测头具有结构紧凑、检测速度快、重复性好、瞄准精度高的特点,不仅可以安装在三坐标测量机上,也可以结合其他测长仪器,实现自由曲面的快速、精确测量,具有广泛的应用前景和较强的实用价值。

　　2　半光斑成像式测量原理

　　鉴于三角法光学测头受到被测物体表面特性及表面倾斜角度的限制,本文在实验基础上提出了半光斑成像式非接触测头,其测量原理如图1所示。图中光电检测器(即两象限光电二极管)位于透镜的像平面上。若不考虑遮光片的影响(即去除遮光片),工作时激光器发出的光经透镜投射到被测物体表面,被测物体表面的漫反射光再经透镜成像于光电检测器上,当被测表面位于透镜的物面A时,在光电检测器上形成的像为一几何光点,光电检测器的差动输出为零;若被测面偏离物平面A时,在光电检测器上的像为一光斑,离焦量越大,则光斑直径越大。由于　　两象限光电二极管以光轴对称安置,因此光斑在光电检测器上对称分布,理论上无论光斑直径有多大,光电检测器的差动输出总为零,这说明用全光斑成像,光电检测器不能感知被测面位置的变化。为此,在成像光路中插入一遮光片,其位置正好挡住激光器光束的半个光斑,此时,若被测面仍位于物平面A处,则光电检测器的差动输出仍然为零,而当被测面离焦位于A1位置时,在光电检测器上的像为半圆形光斑,如图1中的B1所示,而当被测面离焦位于A2位置时,在光电检测器上的像如图1中的B2所示。由图可知,离焦方向不同时,光电检测器上的光斑或位于光　　轴的上方或下方,半光斑的直径随离焦量的增大而增大,　此时光电检测器的差动输出不再为零,输出信号的极性决定于离焦的方向,输出信号的大小决定于离焦量的大小。由此可见,可根据光电检测器的差动输出判断被测表面的位置,光电检测器差动输出的过零点即为测量瞄准位置。