大直径内孔自动测量机构倾斜度测量研究

　　1　引　　言

　　随着生产的发展及需求水平的提高,在大型机器设备如船舶、飞机等的制造加工背景下,有许多对管道尤其是大直径的管道内径高精度测量的要求。因此,许多应用包括光电原理的非接触测量方法的测量机构被研发出来[1-15],以实现高精度的管道内径测量。本文所介绍的倾斜测量系统的应用对象即是1 000mm以内大直径管道的内径测量机构,测量距离在十米以内。

　　测量时,此自动测量机构首先在管道内以自身的精密短轴为基准进行定位,然后测头围绕精密短轴进行旋转扫描测量。理论上,自动测量机构安装激光测头的测量臂旋转扫描的截面应垂直于被测管道的轴线,然而由于测量机构自身的定位误差,造成机构的倾斜。此时,扫描截面偏离理想位置,激光光点在管道内表面上的轨迹不是一个正圆,使得被测尺寸变长,此引起的长度测量误差与测量机构的倾斜角度及被测内径成正比。如果从提高测量机构自身定位精度来减小其倾斜引起的测量误差,将会在很大程度上使得机构定位装置复杂化,然而,过高的定位精度要求使得机构定位装置难以实现。因此有必要从后续的测量数据处理方面考虑,由算法补偿来减小机构倾斜引起的测量误差,于是就提出了对自动测量机构测量时在管道内定位的倾斜度进行测量的要求。

　　2　系统设计

　　2.1　测量原理

　　如图1所示,一种典型的内孔自动测量机构,测量时通过定心装置,将机构自身定位在被测内孔上,机构上固定半导体激光器,激光器发出的激光光束,与机构自身的轴线重合,用来表征测量机构的参考轴线。理论上,该参考轴线应与被测内孔的轴线重合,但由于被测内孔的加工状态和内孔自动测量机构定位误差,使得二者之间具有一定的夹角。该夹角影响内孔测量结果,产生附加的椭圆度,其引入误差最大值为σ=D·((1/cosα)-1),其中D为被测内径,α为测量机构的倾斜角。假设被测内径为D=1 000mm,当倾斜角度为α=0.5°时,机构倾斜引起的长度测量最大误差σ高达38. 1μm,严重影响了整个自动测量机构的测量精度。因此,必须进行测量判断,以进行倾斜误差校正。

　　倾斜测量时,由透镜和PSD组合成光点接收装置(以下简称为光靶),透镜光轴与测角基准轴线(被测内孔的轴线)重合,激光光束与光轴的夹角为α,激光光束经过透镜折射,会聚于透镜像方焦平面位置的PSD上,通过测量激光光斑在光靶上位置度,判断激光光束与透镜光轴的夹角,确定机构倾斜程度。光点离PSD的中心距离为h。则:

　　2.2　系统组成

　　如图2所示,倾斜测量系统的组成主要包括半导体激光器、光学系统、PSD模块、信号处理器、上位机以及激光测距仪。