激光准直技术在大孔同轴度测量中的应用

　　激光准直技术已经在机床准直、大型机械零部件形位误差测量等领域得到了广泛应用。在这些应用中激光束被用作必要的长距离参考线。在大孔同轴度测量中,装有测微传感器的测量架必须沿着一条参考线采集两孔的数据。因此,如何得到一条可靠的参考线就成了大孔同轴度精密测量的关键。

　　作为准直线激光束有着诸多优点,如良好的方向性及能量集中性。但它也有明显的缺点,如激光束的漂移会影响参考线的稳定性,从而影响测量的精度。这一缺点限制了它在许多领域的应用。为了完善激光准直技术,人们做了许多工作,如:三点准直法、对称光束法、光纤法[1]等。本文介绍一种能满足大孔同轴度测量要求的激光准直系统。

　　1　系统工作原理

　　大孔同轴度测量系统包括两个部分(见图1):数据采集系统和激光准直系统。其中数据采集系统由装在测量架上的电感传感器、计算机以及与计算机相连的A/D转换器组成。电感传感器绕测量架中心转动并将孔壁轮廓的径向变动转换成相应的电量,然后由A/D转换器将其转换成数字信号并送入计算机。计算机完成拟合圆圆心座标(x0,y0)的计算。

　　激光准直系统由装在四维精密调节支架上的单模尾纤激光二极管(λ=670 nm)、一个准直透镜、一个固定在测量架回转中心的面阵CCD探测器(500×582像素,光敏面积:3.6×4.8mm2)、一块图像卡(提供256×256数据阵列)以及上面提到的计算机构成。激光二极管发出的激光束经单模光

纤传播和准直透镜的作用后被整形成平行的高斯准直光束。准直光束照射CCD探测器的光敏面。光斑的光强分布由图像卡转换成数字量后送入计算机,由计算机计算出光斑的能量分布中心(x0′, y0′)。设X-Y-Z为空间测量座标系,Z轴由准直光束提供的参考线定义,X与Y轴分别平行于CCD探测器光敏面相互垂直的两条边。在z=z0截面里,XYZ座标系里的拟合圆中心座标(X0, Y0)由式(1)给出:

　　在两被测孔中分别等间隔地选取一些截面进行测量并计算其拟合圆中心座标。利用其中一个孔的几个截面的拟合圆的中心座标拟合出基准直线。按照同轴度的定义,两被测孔轴线的同轴度误差即另一孔的几个被测截面中心到所拟合的基准线的最大距离的两倍。

　　2　准直实验及实验结果

　　对激光准直系统而言,影响激光参考线的几个主要因素有:①光束漂移。激光器谐振腔内温度的变化会导致谐振腔反射镜相对位置随时间变化从而导致激光束的角度漂移。②激光束的随机抖动。空气扰动会导致光束在传播过程中的随机抖动。