一种共聚焦激光测头轴线位置标定方法研究

　　0 引言

　　随着坐标测量机各项技术的不断发展，采用非接触式测头已成为其今后发展的一个重要方向[1]。由于非接触测头具有诸多优点：

　　1)可以实现无损测量，特别适合测量那些易变形、易损坏的工件;

　　2)可以在运动过程中进行测量，大大提高了测量效率;

　　3)可以获取接触测头难以感受到的细节信息;

　　4)可以同时获取大量丰富的信息，如CCD。

　　常用的非接触测头主要包括激光测头和工业CCD 测头，其中近几年来共聚焦激光测头由于其很高的测量精度，可达0.01 m，得到了较快发展。关于激光测头轴线位置标定的文献资料非常少，文献[2] 介绍了一种采用位置灵敏探测器(positionsensitive detector, PSD) 作为光电位置传感器，通过合理安装PSD 的位置，让激光测头沿轴上下移动并做回转运动，根据标定好的PSD 输出读数调整激光测头位置从而达到标定其轴线位置的目的。该方法简单易行，但其轴线偏心标定精度只有0.3mm。本文针对坐标测量机上激光测头轴线位置需要标定这一实际需要，提出了一种最小距离评价方法，通过在所开发的一台微型五坐标测量机上的实验结果，验证了该方法的有效性。

　　1 共聚焦激光测头原理

　　相比激光三角法测头，共聚焦激光测头的测量不确定度可达0.01 m，另外，由于其反射光线按原路返回的特性，所以共聚焦激光测头可以实现盲孔内部工件的测量，这一点是激光三角法测头无法比拟的。其测量基本原理如图1 所示，激光束通过一组透镜投射到被测物体表面，再由物体表面按原路反射回去经45°分光镜通过针孔由激光接收器接收。由于激光发射器和针孔处于共焦位置，当被测表面处于透镜的焦平面上时，透过针孔由激光接收器接收到的光强最大，当被测表面远离透镜焦平面时，透过针孔的光强迅速减小，可见其有很高的灵敏度。但其测量范围非常小，为了增加其量程，引入了振动音叉结构，振动的音叉通过不断调节透镜焦平面的位置，当透过针孔的光强最大时，通过高精度传感器锁存此时音叉的位置，就得到了被测物体的高度。

　　2 实验平台介绍

　　本实验所用平台为西安交通大学精密工程研究所研制的微型五坐标测量机系统，X Y、Z、轴的行程分别为300 mm、180 mm、50 mm， 轴行程为±135°， 轴的为±90°。经细分后，5 个轴的步进电机每转脉冲数均为10 000，X Y、轴所用的精密滚珠丝杠的导程是5 mm， 轴的是2 mm，X、 Y、Z、轴所用直线光栅尺的分辨率为0.1 m， 、轴的定位精度是1 m， 轴的定位精度为0.4 m。轴雷尼绍圆光栅分辨率2″，所用减速器减速比50∶1，定位精度为5.184″。系统主体采用基座、立柱、悬臂梁结构，共聚焦激光测头位于横梁前端，可沿立柱导轨做方向的上下运动，同时可以绕、轴做回转运动。工件位于工作台上，可沿、方向导轨在水平方向运动。为了平衡横梁的重力作用，在立柱的背面加了一个16 kg 的配重块。根据对横梁部件有限元分析的结果，采用预变形的装配方法保证了激光测头在绕轴方向安装垂直度的要求0.002/100。