激光三角法內(nèi)孔測頭固有幾何參數(shù)標(biāo)定方法

郝 娟 盛東良 肖定國

(①北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081;②北京理工大學(xué)先進加工技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京 100081)

孔類零件是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域最常用的零件，如汽車發(fā)動機、石油鉆桿、精密軸承、火炮身管等，孔類零件內(nèi)部幾何參數(shù)是否合格對其工作性能有極大影響，必須對其準(zhǔn)確測量。現(xiàn)有的測量方法主要有接觸式測量和非接觸式測量［1］，接觸式測量時，傳感器本身需與被測表面接觸(如塞規(guī)或三坐標(biāo)測量機)，測量效率低，容易劃傷被測表面和磨損傳感器;非接觸式測量時，傳感器本身與被測表面不接觸，可實現(xiàn)對內(nèi)孔的快速測量，其中激光三角位移傳感器因具有較高的測量精度和較小的體積，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)孔幾何參數(shù)測量［2－3］。激光三角位移傳感器屬于單點式測量，為了獲得內(nèi)孔截面的完整數(shù)據(jù)，必須控制激光傳感器在被測孔內(nèi)回轉(zhuǎn)，因此，基于激光三角法的內(nèi)孔測頭除了包括激光傳感器外，還應(yīng)包括傳感器回轉(zhuǎn)機構(gòu)和支撐殼體，其測量原理如圖1所示。激光三角位移傳感器用于采集深孔內(nèi)表面某一點的距離，圓光柵用于采集與該點對應(yīng)的角度值，傳感器回轉(zhuǎn)一周可以獲得內(nèi)孔某一徑剖面的數(shù)據(jù)點集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后就可以獲得該徑剖面相應(yīng)的幾何參數(shù)，集合軸向多個徑剖面的數(shù)據(jù)點集可以獲得內(nèi)孔完整的幾何參數(shù)。

受被測孔自身尺寸和傳感器測量范圍的限制，傳感器回轉(zhuǎn)軸線與傳感器發(fā)射的激光束很難保證共面，會存在偏心值a;此外，傳感器輸出的測量值是參照傳感器內(nèi)某一平面，而傳感器回轉(zhuǎn)軸線一般不過該平面，會存在偏移距離b。a和b是此類內(nèi)孔測頭的固有參數(shù)，與測量結(jié)果直接相關(guān)，且在整個測量過程中不變。在內(nèi)孔實際測量過程中，往往是利用各個被測點到測頭回轉(zhuǎn)中心的距離R來計算內(nèi)孔截面參數(shù)，但R不等同于傳感器輸出量l，二者之間存在如下關(guān)系:

可見，參數(shù)a和b值直接影響測量結(jié)果，在正式測量之前，必須對其進行標(biāo)定。本文提出一種標(biāo)定此類內(nèi)孔測頭參數(shù)a和b的方法，可以實現(xiàn)由激光三角傳感器讀數(shù)獲取被測點到測頭回轉(zhuǎn)中心距離，進一步經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，求得被測內(nèi)孔截面幾何參數(shù)。

1 標(biāo)定原理

標(biāo)定時要設(shè)計一個如圖2的標(biāo)定件，標(biāo)定件一端是短圓柱，用于對其進行裝卡，另一端開口，開口端兩個內(nèi)側(cè)面A和B是用于標(biāo)定的平面，A、B面應(yīng)具有較高的平面度和平行度，并都平行于短圓柱的軸線。標(biāo)定前要先測量出兩平面間距離d。標(biāo)定過程可在圖3所示的標(biāo)定裝置上進行。該標(biāo)定裝置是具有一個回轉(zhuǎn)軸和兩個移動軸的工作臺，工作臺的兩個移動軸互相垂直，回轉(zhuǎn)軸軸線與一個移動軸平行(臥式)或與兩個移動軸都垂直(立式)。將標(biāo)定件裝卡在回轉(zhuǎn)軸的三爪卡盤上，由回轉(zhuǎn)電動機帶動其旋轉(zhuǎn)，將測頭殼體通過V型塊置于工作臺平面上方。

在過激光束并垂直于轉(zhuǎn)軸的截面上可以得到參數(shù)b和a的標(biāo)定原理，參數(shù)b的標(biāo)定原理如圖4，參數(shù)a的標(biāo)定原理如圖5。

標(biāo)定參數(shù)b時，首先讓轉(zhuǎn)軸帶動傳感器轉(zhuǎn)到標(biāo)定件被測面A，調(diào)整傳感器使激光束垂直于A，得到讀數(shù)l1(圖4上圖)，再使轉(zhuǎn)軸帶動傳感器轉(zhuǎn)到標(biāo)定件被測面B，調(diào)整傳感器使激光束垂直于B，得到讀數(shù)l2(圖4下圖)，根據(jù)圖示幾何關(guān)系，可得:

于是，測頭轉(zhuǎn)軸到激光三角傳感器測量基準(zhǔn)面的偏移距離b為:

標(biāo)定參數(shù)a時，首先讓轉(zhuǎn)軸帶動傳感器轉(zhuǎn)到標(biāo)定件被測面A，在激光束與A面夾角±60°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動傳感器，讀取傳感器讀數(shù)值，并找出最小讀數(shù)值l1min，由于參數(shù)a和b是固定的，因此，與l1min對應(yīng)的R1也是最小的，也就是R1與A面是垂直的(圖5上圖)。再使轉(zhuǎn)軸帶動傳感器轉(zhuǎn)到標(biāo)定件被測面B，在激光束與B面夾角±60°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動傳感器，讀取傳感器讀數(shù)值，并找出最小讀數(shù)值l2min，同樣可以確定，與l2min對應(yīng)的R2與B面也是垂直的(圖5下圖)。根據(jù)圖示幾何關(guān)系可得:

由于式(3)已經(jīng)標(biāo)定出了b值，可以由式(4)進一步標(biāo)定出a值。

2 實驗驗證及誤差分析

本文在圖3所示的實驗裝置上進行了參數(shù)a和b的標(biāo)定實驗，其中實測被測工件d=103.015 mm，采集的7組實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1。

根據(jù)式(3)和(4)求出的a、b也列于表1中，其平均值為:

為進一步驗證標(biāo)定參數(shù)a、b的準(zhǔn)確性，對一實測直徑(由三坐標(biāo)測量機測量)φ=108.001 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)進行了測量實驗，采集的7組實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2所示。

由表2可知，由標(biāo)定參數(shù)ˉa和ˉb計算的環(huán)規(guī)直徑與其實際直徑差ΔΦ的最大值為0.003 mm，具有較高的測量精度。

表1 參數(shù)a和b標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果 mm

表2 環(huán)規(guī)內(nèi)徑測量實驗及計算結(jié)果 mm

3 結(jié)語

本文提出了對基于激光三角法的內(nèi)孔測頭固有幾何參數(shù)a和b的標(biāo)定方法，所需要的標(biāo)定件形狀簡單，容易加工;標(biāo)定工作臺只需要有2個移動軸和1個回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸可以水平布置，也可以垂直布置，結(jié)構(gòu)靈活。標(biāo)定過程調(diào)整簡單，容易掌握，利用一個標(biāo)定件和一個標(biāo)定工作臺可以實現(xiàn)對測頭偏心值a和偏移距離b兩個參數(shù)的標(biāo)定，且a、b的標(biāo)定值都可通過解析方程求解獲得，計算簡單，通過多次標(biāo)定實驗可以獲得較高的精度，從而提高對內(nèi)孔截面的測量精度。

［1］張連存，張亞婷，張國玉，等.一種內(nèi)徑尺寸光電非接觸測量方法［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2006，35(5):829 －832.

［2］劉紅軒，曲興華，邢書劍，等.基于激光三角法的大內(nèi)徑測量系統(tǒng)［J］.計算機測量與控制，2010，19(3):506 －508.

［3］劉維，韓旭東，艾華.激光三角法在位移測量中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2004，12(4):104 －107.