基于PSD的长跨度孔系同轴度误差测量系统

　　0 引言

　　主轴箱体、大尺寸支承等孔系零件的同轴度误差是影响该类零件装配和运动精度的重要因素，目前对该误差的测量通常使用三坐标测量机、圆柱度仪等通用仪器设备，测量方法简单且精度较高。但对于本文研究的国产某型飞机铰链件来说，由于工件跨度长(1500～2500mm)、孔数多(>15个)、孔径与孔间隔都很小，上述通用测量设备受空间位置的限制，测头根本无法进入工件实施测量。同时，由于孔系同轴度误差的评定过程是以各孔提取导出要素最小包容区域的轴线作为基准的，它实际上可归为对各孔截面中心所形成的空间直线的直线度误差进行测量与评定。因此，孔系同轴度误差检测过程中的测量基准线是可以由测量人员自行定义的。目前常用的基准线建立方法主要有拉钢丝法[1]、自准直仪[2]法和激光准直法[3～5]三大类。

　　拉钢丝法以标准钢丝作为测量基准，钢丝的自重会引起一定的挠度，从而影响测量精度。同时，这种有形的机械结构还存在架设难度大、测量不便的缺陷。传统光学准直法以准直望远镜或准直仪等仪器的光轴作为测量基准，在测量长跨距工件时会产生成像模糊，造成目视判读存在较大的主观误差，且在对不同孔测量时的调焦和测量时手动操作将引起准直基准的随机变动，这些因素都限制了仪器的检测精度。因此，本文考虑到激光具有相干性和方向性好、能量稳定等优点，以激光作为准直基准，研制出基于位置敏感探测器(PSD)的同轴度误差测量系统，满足了长跨度孔系同轴度误差的高精度测量要求。

　　1 系统测量原理

　　长跨度孔系同轴度误差测量系统总体结构如图1所示，测量时多功能测头进入被测孔系，由三爪机构实现测头在孔截面内的自定心。激光器发出的光束通过一个分光镜和一个反射镜组成的光学镜组转换成相互平行的两束激光。四自由度工作台调整激光准直光束投射到多功能测头前端的PSD上，PSD检测激光光斑位置从而确定各孔截面中心坐标，并由此评定出孔系的同轴度误差。同时，为了使沿工件轴向各截面处PSD测得的激光光斑位置能够统一在相同坐标系下，在多功能测头壳体上接插了定向杆，由定向杆上的光电元件感知定向光束以控制测头的转动角度。

　　激光器选用波长632.8nm 的美国JDSU1007型红光氦氖激光器，其输出功率为0.8mW，出射直径为0.48mm，发散角为1.7mrad。借助于成都工具研究所研制的激光准直扩束器，可在激光器前方2～5m范围内将激光光斑直径控制在2mm以内。

　　多功能测头的内部结构如图2所示，测量人员通过计算机或手控盒发出控制信号，直流电机旋转经机械传动部件带动自定心机构的3个测爪沿径向伸缩。当3个测爪与孔壁紧密接触时，棘轮打滑，直流电机空转，此时多功能测头确定当前孔截面的中心位置。