基于干涉原理的高精度直线度误差测量

　　1 引言

　　轴类零件是机械工程中应用最广泛的零件之一,由于其形状精度对机械的装配质量与使用性能有很大的影响,因而其直线度是机械加工中一项常见而重要的基本检测项目。由于近年来机械生产中对工件的制造与装配精度的要求越来越高,研制高精度的测量方法和仪器也成为迫切需要解决的问题。因此开展对直线度误差测量方法的研究具有很重要的实际意义。另外,利用等厚干涉现象对两个平面之间的微小夹角进行测量,进而达到对其他相关量精确测定的目的是光学测量中的常见方法[1,2]。为此,提出一种利用空气劈尖产生的等厚干涉,并借助于CCD图像处理系统,对直线度误差进行精确测量的新方法。

　　2 测量原理

　　如图1所示,直线度误差测量系统由光源(He-Ne激光器),准直扩束透镜,线阵CCD,滤波放大器,A/D转换器,计算机,工作软件,空气劈尖,待测工件,工作台,轴向进给机构,精密回转机构,伺服控制系统等主要部分组成[3~7]。

　　图1中从He-Ne激光器发出的激光束首先经扩束、滤波后,被准直变成沿水平方向传播的平行光,再经分光镜后在空气劈尖的上表面垂直入射,从而在劈尖表面形成一系列明暗相间、平行等间距的直条纹。干涉条纹经显微镜放大被线阵CCD探测后,由滤波放大器进行预处理,再通过A/D转换器转换成电信号,送计算机经图像处理后,测量出空气劈尖的顶角,进而对待测工件的直线度误差进行评定。

　　2.1 干涉条纹的采集与处理

　　设图1中的空气劈尖由两块夹角为H的光学平板玻璃M1和M2(分别称为上片和下片)构成,其中上片水平固定,下片可绕转轴灵活转动,则在空气层厚度d处,二条相干光的光程差为

　　其中i为入射角,e为常量,K为He-Ne激光器的波长,N为CCD上的像元序号,S为CCD上相邻两个光敏元的中心间距,T为显微镜放大倍数。当入射角等于零时,线阵CCD上接收到的干涉条纹的光强分布为

　　由(2)式可见,线阵CCD上接收到的光强分布为其像元序号N的余弦函数,令(2)式对N的一阶导数为零,可得干涉条纹的光强极值条件:XN+U=kP(k为光强极值序号),即

　　其中

　　由此可见,为了消除CCD光电响应的非线性和非均匀性对测量带来的误差影响,可利用(3)式中N和k之间的线性关系,先对CCD上接收到的干涉条纹光强极值的位置和相应序号测量数据进行一元线性回归处理,再把得到的系数a代入(4)式,即可对空气劈尖的顶角H进行精确计算。

　　由于CCD上接收到的干涉条纹受到来自CCD热噪声、光源的不稳定性以及实验系统振动等其他一些随机因素带来的干扰,使CCD的输出信号含有严重的高频噪声。为提高信号质量,减少噪声影响,根据CCD信号特点在硬件电路上采用四阶巴特沃思数字低通滤波器对原始信号进行预处理,并在保证信号不失真的前提下,尽可能降低截止频率,以便有效消除高频干扰。