基于激光三角法的圆度误差在线检测技术研究

    随着激光、半导体技术的发展,激光技术在形位误差的检测中发挥出越来越重要的作用,这主要是因为激光技术具有非接触、无损伤及检测速度快等优点。

    对于圆度误差检测,已经出现了多种不同的激光检测方法:长春光学精密机械学院的宋甲午等人利用激光狭缝扫描原理,通过检测和狭缝的扫描激光光强测量出被测工件的半径变化量,进而实现了圆度误差的检测[1];辽宁工程技术大学的王天煜将激光衍射法应用于回转零件的圆度误差检测[2]。从光线入射角度看,这两种方法中的入射激光均与被测点成相切关系,受工件表面形状误差影响,测量结果可能不是设定等角度采样点处半径变化量的真实反映,这无疑会影响圆度误差的测量精度。衍射法保证测量精度的前提条件是棱缘与被测表面形成的狭缝要足够小,这就为实际测量的可操作性增加了难度。另外,这两种方法的激光发射件和接收件位于被测工件两侧,比较占用空间,而且目前还只是用于离线圆度误差的检测。如果用于在线检测,由于机构限制,很多情况下会难于安装,由于没有回转运协误差分离措施,测量精度不容易保证。

    Ganesha Udupa和B K A Ngoi将激光聚焦法应用到圆度误差测量中[3],但这种方法所用激光束产生的光斑直径只有015,不但检测到了宏观上的圆度误差,也测量到了微观尺寸,致使检测结果中包含微观成分,较圆度仪的测量结果偏大。这种方法目前也只是离线检测。本文提出一种基于激光三角法测距原理的圆度误差在线检测方法。与上述方法比起来,此方法结构简单,激光束的发射和反射光的接收由同一传感器完成,尺寸只有12cm×10cm×3cm;能准确测量出采样点处的工件半径变化量而不受邻近形状误差的影响;光斑直径120Lm,可以有效防止微观轮廓对圆度测量的干扰;采用两个传感器利用误差分离技术来分离主轴运动误差,保证检测精度。

    2 激光三角测距原理

    本文选用基于光学三角法测距原理制造的LK-150H型激光CCD位移传感器,由KEYENCE公司生产。此传感器解析度为016Lm,最小采样时间间隔为100Ls,有效量程是0~80mm,安装位置在距被测工件120cm~180cm范围内,入射激光束光斑直径为120Lm。其测距原理如图1所示,激光发生器1发出的激光束2经双向光学系统3后入射到被测工件表面5,漫反射光6经透镜组7后落在光接收器件CCD8上,被测表面位置不同,相应的反射光线在CCD上的位置也会变化,由CCD上像点相对基准的位移量v,根据激光三角测距原理可测出被测表面5相对传感器参考零点4的距离s[4]。

    式中,a、b、A是传感器内部参数。