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1、Ξ一种简单实用的光学非接触外径测量方法潘石,周平,王勇,俞建元(大连理工大学机械工程系)(大连理工大学物理系,大连116024)摘要提出一种简单实用的光学非接触外径测量方法;主要仪器设备只需一台He2Ne激光器、一台测长仪(如阿贝比长仪)及一块数字万用表.该方法具有装置简单、操作方便、测量速度快、重复性好、定位精度高等特点.对510～5200mm的一系列标准塞规及轴承外环的测量结果表明其定位精度优于2Λm.关键词直径;衍射;定位;激光应用/光学非接触测量分类号TG806基于激光衍射定位的精密测试,是测试技术中的重
2、要方法,在各种领域中发挥着越来越重要的作用1～4.由于光学测量的非接触性,不存在测量力,测量(特别对中、大尺寸工件)时不存在工件或量具的变形、损坏,特别是对于一些特殊材料制成的物体或测量部位自由空间小的物体测量更具有独特的优势.另外,由于用激光衍射方法测量原理简单、操作方便、测量速度快、重复性好、精度高、易于实现在线自动检测,得到越来越广泛的应用.基本原理由波动光学可知,光线在遇到障碍物或孔时要改变原来的传播方向发生衍射,并在衍射场中形成相应的衍射条纹.常见的衍射现象有菲涅耳衍射(近场衍射)和夫琅禾费衍射(远场衍
3、射).衍射主极大条纹位置总是出现在缝、孔或障碍物的中央处.当一束激光垂直圆柱轴线照向柱边时,将产生类似直边衍射情形的柱边衍射现象,如图1.图2给出了柱边衍射发生时衍射条纹的空间分布.图中坐标原点o对应圆柱的几何阴影边界,即图1中虚线在象平面上的投影点;Im是衍射第一极大条纹;s是此条纹到几何阴影边界的偏移距离,是直径D(严格应为曲率半径)的函数;2s随圆柱直径D变化的趋势,如图3定标曲线所示.用衍射第一极大峰值为圆柱形工件的边缘定位,由阿贝比长仪测量出工件移动过程中边缘两次切割激光束而产生衍射第一极大峰值的位置差
4、,再用2s修正即可得到所测工件的直径.2s2D定标曲线可由对标准工件的测量得到.1Ξ收稿日期:1997212225;修订日期:1998210201潘石:男,1949年生,副教授潘石等:一种简单实用的光学非接触外径测量方法第6期637图1柱边衍射原理图图2柱边衍射条纹强度分布实验装置2为了得到清晰、尖锐的柱边衍射条纹,采用图3所示的光路,包括圆柱工件、透镜L、组合光阑Z及成象面P.其中圆柱边缘点距L为一到二倍焦距,即f～2f;L与组合光阑距离为f.透镜L的作用有两个:一是将柱边衍射光线成象在象平面P上;二是将入射平
5、行光会聚于焦点处的吸收光屏A上.组合光阑Z(如图3所示)由孔径光阑H和吸收光屏A组成.A为一黑色圆斑,用于吸收L前的入射平行光;孔径光阑H能阻档住L后不能会聚于A的非平行入射杂散光.有了组合光阑,消除了杂散光的干扰,使条纹清晰、尖锐.同时透镜L和光阑Z共同使衍射次极大条纹衰减掉.因而采用图3所示的光路后,就可以在象平面上得到柱边衍射生成的第一极大条纹;它是一条平行于圆柱轴线的亮线.实验装置如图4所示.光源采用He2Ne激光器,被测工件置于阿贝比长仪上,被工件边缘衍射的光线经透镜成象于狭缝;在狭缝的后面放置光电二极
6、管.当边缘定位信号即衍射第一极大峰值到达狭缝中心时,光电二极管产生最大输出,可直接由数字万用表电压档(或数字电压表)读出极大值以确定边缘位置1;边缘位置1的数值可由阿贝比长仪读出.继续移动工件可确定并读出边缘位置2的数值,两个边缘位置数值之差(绝对值)即为工件直径的实测值D0;用衍射偏移2s修正后,即得到被测工件直径D.为了得到衍射偏移s随直径变化的定标曲线,首先进行了定标测试.在测试时,使用功率大连理工大学学报第38卷638为1.5mW的He2Ne激光器作为光源,柱边衍射条纹用BPW34光电二极管转换为电压信号
7、.对直径10～200mm的工件实测时,衍射亮线条纹峰值电压约为200mV,条纹窄且锐.所用透镜焦距f=110mm,狭缝宽度为0.3～0.5mm.测量时工件衍射点距透镜150mm,狭缝和接收光电二极管位于象点.所用被测试工件为经立式光学计精确测定的直径为10.0015mm的塞规和直径为51.9915、99.9880和199.9860mm的轴承外环.定的光路.2s2D关系定好后,可以用于对测量结果进行修正.衍射偏移2s随直径变化的定标曲线见图5.由定标曲线拟合得到2s随D变化的曲线方程为不同工件的定标要采用固3.10
8、7070×2s=1.760111D-10-2D2+5.381558×10-4D3-3.288915×10-6D4+7.543123×10-9D5实际使用时可直接将测得的D0值代入上式,即可得到衍射偏移值2s.得到定标曲线后,用经立式光学计精确测定的直径为25.9980和36.2210mm的塞规作为实测图52s2D定标曲线工件测定实测直径D0,由定标曲线得到衍射偏移2s,修
