基于螺旋扫描的光电非接触同轴度测量

　　圆对称工件的同轴度测量是机械制造和仪器仪表工业中常见的检测项目,通常采用千分表等通用量具进行接触式测量,测量精度低,速度慢,易受人为因素的影响,且不适合在线检测的应用。笔者提出了一种利用激光位移传感器来实现同轴度测量的光电非接触方法[1]。该方法能够实现快速高精度测量,适用于在线自动化检测。

　　1　测量系统原理

　　整个测量系统的设计思路是把复杂的空间问题简化成平面问题来解决,以提高检测效率。图1是自动测量系统的结构示意图。在两个步进电机的带动下, 激光位移传感器与被测工件分别做上升和旋转运动,测量轨迹呈螺旋状。利用激光传感器发射及反射接收信息的相关性,获取垂直于被测物体轴线的每个横截面上任意一点距离传感器的位置信号。把每一个横截面上各点测量的数值向垂直于测量基准轴心线的基准面投影(以一个螺距为单位),把采样数据转换为与平面相对应的坐标,用数据处理求取各投影截面的中心,从而获得测量参数。

　　2　同轴度测量

　　2.1　同轴度的定义[2]

　　根据GB/T 1182—1996《形状和位置公差通则、定义、符号和图样表示法》标准,同轴度是指被测圆柱面轴线对基准线不共轴的程度。同轴度误差由以基准轴线为轴线包容被测实际轴线的最小圆柱面内的区域来评定。如图2所示,与基准轴线同轴的包容圆柱面至少应有一点与被测实际轴线接触,同轴度误差值即为该包容圆柱面的直径Φ,它等于被测实际轴线上的接触点至基准轴线距离的两倍。

　　2.2　求取采样点空间坐标[3]

　　由于激光位移传感器只能测量以传感器激光发射面到激光反射面的距离,因此必须将测量值通过换算转化为各个实际尺寸值。

　　设采样的点数为n,横截面数为m(n=m),采样数据可表示为pij(dij,θij,zi)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),得:

2.3　系统误差的测量及修正

　　系统参数测试之前,首先要校正由于转台基准面非水平引起的系统误差。由于该误差的存在,将导致转台与水平面存在一微小夹角α,使测量系统产生误差。为了消除系统误差,先对转台上的基准圆用截面法进行测量。

　　利用对基准圆1截面的测量来确定中心转轴到激光位移传感器的距离D=d1+r1。然后,用基准圆2截面的测量来进行比对。因为理论上d1+r1=d2+r2,如存在误差,即d1+r1≠d2+r2时,则可得角α。

　　以转台倾斜后的轴线方向建立新的坐标轴系x′,y′,z′,设相对旧坐标系采样点每个截面上的偏心量为eij,亦可求得eij=zi·tanα。然后,建立方程把原坐标系的坐标值转换到新坐标系下进行修正,从而得到标准的测量值,变换后的坐标值为: