基于平晶的非线性激光扫描直径测量系统

　　轴类工件直径测量是最基本的尺寸测量任务之一。常见的接触式测量设备包括三坐标测量机和圆柱度仪，赵则祥等人对圆柱体直径测量与评定中的相关问题进行了研究，并对柱坐标测量机的径向尺寸测量传感机构的标定问题进行了分析[1]。接触式测量效率低，难以实现在线测量。常见的非接触测量方法包括投影法、衍射法和激光扫描法，后者在工件外形尺寸测量中应用较为广泛，且采用基于反射原理的方法居多，如依赖电机匀速转动的转镜扫描测量系统[2-6]、适合较大径向尺寸测量的抛物面反射式测量系统[7]、转镜反射面关于旋转中心呈非对称设计的差动式测量系统[8]，此类系统在安装时容易产生离焦现象; 由两个扫描单元利用角度参数计算工件直径的无扫描物镜测量系统[9]涉及敏感环节较少，测量精度和稳定性较高，但是系统不易扩展。

　　文中提出了一种非线性激光扫描直径测量系统，利用激光透射转动的平晶产生高度平行的扫描光，并采用RBF 神经网络确定实际的测量方程。

　　1 扫描平行光的产生

　　如图1 所示，将平晶置于空气中，其折射率为n，入射光束的入射角和折射角分别为θ 和γ，加工工艺可以保证发生折射的两个表面平行度很高，出射光将平行于入射光且产生偏移距离

　　保持入射光束与光轴重合，平晶绕自身回转轴线转动，出射光就会沿垂直光轴的方向移动从而实现扫描。平晶转动一周，出射光可以扫描两次，最大扫描范围smax由下式确定

　　2 直径测量原理

　　如图2 所示，以平晶作为激光扫描发射器的核心元件，以接收物镜和PIN 光电二极管等作为接收器，被测物置于发射器和接收器之间。光电二极管收到的扫描光信号受到被测物直径大小的调制，经I /V 转换、边缘检测、放大整形之后成为与被测直径、电机转速及测量范围( 受最大扫描范围和接收物镜口径限制) 有关的方波信号，光电码盘上的零位刻度线输出窄脉冲作为计时启动信号，表示测量周期的开始，锁存器记录下周期T 和对应被测物两边缘的电平下降沿时刻tf和上升沿时刻tr，若电机在一周内转速稳定，则有角度与时间的比例关系式

　　规定对应扫描方向上先出射的光轴一侧的入射角为正，后者为负，这样s 的符号就由入射角符号决定，同时考虑到测量周期开始时入射光与平晶存在入射角θs，则被测直径

　　图3 所示系统是将两个扫描方向相同的测头顺序摆放以扩大测量范围，此时被测直径

　　式中，s1和s2分别为先后扫描到的两个边缘相对光轴的偏移距离，Hi为被测工件跨越的各测头的光轴间距。