智能激光圆度测量仪研究

　　1　引言

　　现代船舶的耐压结构通常设计成圆柱、圆锥、球等形状规则的几何体。这些几何体断面形状偏离圆形的程度，即初挠度的大小与船舶强度有着直接的关系。

　　在现有的科技水平和建造工艺条件下，耐压结构在加工、装配、焊接过程中，不可避免的要产生超差变形，使结构偏离正确的形状，超出安全系数。上述变形在耐压肋骨或耐压壳圈上表现为径向的偏差，即壳圈初挠度。大量的结构模型试验表明，结构的毁坏，大多是从初始挠度比较严重的部位开始的。因此，对船舶立体分段耐压壳圈的圆度测量对建造质量控制非常关键。

　　目前，国内耐压壳圈径向初挠度一般采取撑杆法进行测量。从船舶建造实践统计中发现，撑杆测量方法存在约1.3～1.7%的草率点，即人为误差，如测量工具使用不当，读数和记录不准确等，此外还有测量工具和环境的影响，因此需要新的测量方法来提高圆度误差测量精度。

　　2　圆度测量发展现状

　　圆度误差是研究许多其它形位误差的基础，如圆柱度、轴线直线度和同轴度等，其重要性最早在1951年由TaylorHobson公司的R.E.Reason提出。欧美和日本等工业发达国家和地区对形位误差的研究较早，从最早的直线度误差到平面度、圆度和圆柱度等形状误差，再到同轴度和圆锥度等位置误差，迄今已有约一百年的历史。从其发表的大量技术文献和遍布全球、广受欢迎的各种先进测量仪器和设备，便可清楚的看出这些国家和地区不论在形位误差的理论研究方面，还是在测量仪器的研制方面，都处于国际领先地位，代表着国际最高水平[1～3]。

　　随着计算机技术和光电技术的发展，出现了基于激光技术的圆度误差检测方法，如激光衍射法[4～5]、激光扫描法[6]、激光三角法[7]和激光干涉法[8]等，这几种方法从测量信号看，都属于基于半径变化量的测量方法，但对半径变化量的测量原理不同。激光衍射法的测量原理是：将被测工件装夹在两顶尖间，以两顶尖回转轴线作为测量基准，移动棱缘使之与被测工件间形成狭缝，激光通过狭缝后形成衍射条纹，其光强信号被接收元件接收，通过测量衍射条纹的平均间距得到测点处狭缝的宽度，工件回转一周，得到各测点的半径变化量，然后计算出圆度误差。王天煜等人研究的基于激光衍射法的圆度误差检测方法检测精度可达±0.4μm，但主要用于离线检测。激光扫描测量方法与激光衍射法的检测系统结构相似，只是狭缝宽度的测量原理不同，扫描法的狭缝宽度是通过接收元件所收到的通过狭缝的光信号强度折算出来的。激光三角法利用光的漫反射原理来测量工件半径变化量。与衍射法和扫描法不同，激光三角法的激光发射器和接收器在工件的同一侧，结构比较紧凑，而且量程较大，所以安装调试方便，当所用激光发生器发射的光点足够小时，可以同时检测圆度、波纹度以及表面光洁度。刘岩等人[9]采用一种基于激光三角法检测原理制造的新型激光CCD位移传感器进行形位误差检测，这种传感器将所有光学元件集成在一个密闭体中，结构简单紧凑，方便安装，具有非常高的直线性和抗干扰性，即使在比较高的转速情况下，也可以采集到有效的测量点数，满足形位误差的在线检测要求。此外，这种传感器测量范围大，安装距离要求宽松。