基于光电技术的圆度测量及最小二乘评定

   回转类零件的重要形状误差之一是其圆度误差,实际圆轮廓对理想圆的变动量被称作圆度误差。常用的测量方法有平台打表法、半径法、直角坐标法和特征参数法。对应的测量工具有千分尺、立式光学计、圆度仪、坐标机等,其中圆度仪的测量精度最高,可达到0. 025Lm。常用的圆度误差评定方法有最小区域法、最小二乘法、最大内切圆法、最小外接圆法,其中以最小区域法评定的圆度误差最准确,最小二乘法最常用。在这些方法中,多数方法采用离散点测量,手工记录数据,得不到精确轮廓图形。随着对加工精度和测量过程自动化要求的不断提高,需要一种能快速、准确获得被测件的文设计了基于光电技术的圆度误差的自动测量系统,该系统利用理想光学系统的轴向放大理论,将对被测件圆度误差的测量转化为对光斑位移的测量,利用PSD作为光斑位移变化的接收装置,并通过与微机相联,对数据进行自动处理,从而实现了对圆度误差的自动化和高精度测量。

    1 测量原理

    1. 1 微位移的放大原理[2]

    根据几何光学的相关理论可知,在一焦距为f的理想光组中,垂轴放大率B为像高yc与物高y的比值;轴向放大率A是像移动量dxc与物移量dx的比值;当垂轴物面位于一倍焦距以外两倍焦距以内,可以得到倒立的放大的实像,那么当物面光轴上A点(焦物距为x)相对初始位置沿光轴有微小移动时有A=B2=dxc/dx,如图1所示。

    1. 2 微位移的转化原理

    位置敏感探测器(Position Sensitive Detec-tor—PSD)是一种基于半导体PIN结横向光电效应的光电器件,它能连续地检测入射光斑的位置。具有分辨率高、响应速度快、信号处理相对简单、检测位置的同时还能检测光强等优点,适用于位置、距离、位移、角度以及其它相关物理量的精密测量[3]。一维PSD器件有一个完整的光敏面,在光敏面两端有两个接触点,其断面结构示意图如图2所示。

     当入射光斑照射在光敏面上时,在入射位置表面下就产生与光强成比例的电荷,此电荷通过P层向电极流动形成光电流。由于P层的电阻是均匀的,所以由两极输出的电流分别与光点到两极的距离成反比。设两电极的距离为2L,经电极¹和电极º输出的光电流分别为I1和I2,则电极»上输出的总电流为I0=I1+I2[1]。若以光点在PSD的中心点为初始位置,当光点有位置偏移xA时,则有

    2 测量装置

    2. 1 微位移测量组件

    微位移测量组件如图3所示。图3中1为光源,采用CCS公司的LV)27)GR型LED点光源(K=555 nm),准直镜2提供准直光,照亮分划板3的分划面,其中透光区为U1 mm的小孔;经过聚焦透镜4将分划面的透光区会聚成像,形成光轴上的物点,且距物镜5(f=20 mm)的焦点距离为2 mm;此位置的垂轴放大率B=10倍。由于PSD6水平放置且PSD感光面包含光轴则在感光面上所成的投影像如图4所示, PSD选用HAMAMATSU公司的s3931一维传感器,其感光区域为1@6 mm,波长响应范围(320~1 100) nm,位置变化分辨率为0. 2Lm。分划板支架7与测量头8连接,图3中的3、4、7、8组成连动组件。当测头在测量过程中产生沿光轴的轴向移动时,分划板经聚焦透镜4所成的像也沿光轴同向移动,当测头沿光轴有dx=1Lm的位移时,分划板在PSD感光面上的像沿光轴有同方向的B2@dx倍的位移dxc=0. 1 mm。因此PSD能很灵敏地分辨出被测量1Lm的变化。