非接触激光圆度仪的研制

　　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,则对应的第i个半径,可由下式给出

　　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Rmax和最小的半径Rmin。这样,根据圆度定义,即可由下式给出测出的圆度误差值。

　　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ti,则

　　显然,式(3)中,当扫描速度是常数时,hi决定于时间ti,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。

　　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。

　　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: