大孔同轴度测量系统误差分析

　　1 引言

　　大型机械零部件同轴度误差的高精度测量对于提高大型设备的制造安装精度,提高设备的质量和工作效率,延长工作寿命至关重要,但至今仍是机械工业共识的技术难题。国内外市场尚缺少可靠的高精度测量仪器,其技术关键和难点在于需建立长跨距的测量基准线。激光束良好的方向性适于作为准三点法、对称光束法、光纤法[1]等。采用单模光纤的尾纤半导体激光器[2],可抑制激光束的温漂,增加系统的准直精度。

　　2 测量原理

　　同轴度测量装置(见图1)包括激光准直系统、测量靶、数据采集和处理系统三部分。

　　单模尾纤激光二极管(λ=670nm)发出的激光束经单模光纤和准直透镜的作用,椭圆形截面光束被整形为圆形截面的基横模准直光束作为测量的直线基准。光束的指向由四维精密调节支架调节,固定在测量靶上的CCD探测器(500x582像素)采集的光斑数据,经图象采集卡(分辨率:256x256)送入计算机并按式(1)所描述的“重心法”计算出光斑能量分布中心坐标(x'i,y'i)。其中Ijk是(j,k)像素的灰度值,a和b分别是CCD探测器光敏面的长度和宽度。

　　影响激光参考线稳定性的主要因素有激光束的温度漂移和随机抖动。本系统中单模光纤严格的模式限制作用使得出射光束的模式分布和漂移对半导体激光器本身工作温度变化的敏感性大大降低,温漂被有效抑制。通过多次采样取统计平均值确定光斑中心的方法降低了光束随机抖动的影响。安装在测量靶上的精密电感传感器可绕测量靶回转中心转动,沿被测孔截面等间隔采集数据。信号经前置放大、A/D转换后送入计算机,按式(2)计算出拟合的最小二乘圆的圆心位置坐标(xi,yi)

　　空间测量坐标系中,Z轴为激光准直参考线,X、Y轴分别平行于CCD探测器光敏面相互垂直的两条边。拟合圆圆心坐标Oi(Xi,Yi)为

　　两个被测孔内分别等距选取3~5个截面(Z=Zi),测量并计算出各自的拟合圆圆心Oi坐标,由这些圆心拟合最小二乘轴线L。若Oi到L的距离为di,则同轴度误差Ec=2xmax{di}。

　　试验结果表明,该测量系统原理可行,操作方便,精度较高。单模光纤的尾纤半导体激光器耦合效率高,增加了系统的稳定性和准直精度。在1小时内激光束的方向稳定性达到2x10^-6(2σ)。而实际同轴度单次测量只需要半小时。大孔同轴度测量重复精度达到±(0.01+5x10^-6L)mm(2σ)。

　　3 误差分析

　　系统的测量不确定度包括随机误差和系统误差。前者包括:

　　(1)准直激光束的方向稳定性误差δ1:该误差来自于激光束的温漂和空气扰动的影响。经多次重复测量,在离光源6m处,δ1≤12μm(小时)。取δ1=2x10^-6l(μm),l表示两个被测孔间距,实测试验中l=3x10⁶μm,δ1=6μm。