激光在垂直度误差测量中的应用

    在生产及形位公差国家标准中,主要是用带指示器的测量架并配以平板、直角座(直角尺)、支撑等设备测量中小型零件的垂直度误差,属于接触测量。本文介绍的用激光测量垂直度误差的原理和方法,属于非接触测量,可以克服一般测量方法的缺欠,并具有测量装置简单、操作方便、测量结果精确度高等优点。

    1 测量原理

    本测量方法采用夫琅和费单缝衍射原理。当激光束通过两个棱缘间的狭缝时,在远处的接收屏幕上会出现明暗相间的衍射条纹,其衍射条纹间距D与激光波长K、狭缝宽度b及狭缝与屏幕间的距离L之间的关系为: D=KL/b。由于零件上被测要素的不同,狭缝b的形成方式也不同。通常可用以下两种形式:当被测要素为轴心线时,该狭缝可用直角尺的刀口与外圆柱面形成;若被测要素为平面,其狭缝可由直角尺的刀口与活动棱缘形成,采用活动棱缘可避免被测面与激光束不平行对测量结果产生的影响[1]。活动棱缘吸附在被测表面上,并可根据测量要求在被测面上移动。

    2 测量方法与误差的评定

    仅以GB1958-80中垂直度误差检测方法的两个示例为例,说明用激光测量垂直度误差时的测量方法及误差的评定。

    见测量示意图1,测量前先将被测件3的被测平面与挡块2右平面靠严,再放上活动棱缘4及直角尺5,使直角尺刀口与活动棱缘间形成狭缝。测量时,在同一条测量线上,上、下移动活动棱缘,找到缝宽最大和最小的两点,分别测出其衍射条纹间距并计算出缝宽,然后再纵向移动工件按上述标准在若干个截面上进行测量取其最大、最小缝宽之差作为该零件的垂直度误差,即

    衍射条纹间距D可用固定在屏幕之后的容栅式数显尺6测量,在容栅尺读数窗的后面装一暗盒,内放一发光二极管,光线经宽度可调的狭缝射出并进行瞄准(可将光线置于暗条纹中间),然后按下置零按钮再移动读数窗,将光线移到另一暗处再瞄准,在读数窗上即可得到几个条纹间距值,并求出其平均值。

    对于阶梯轴等零件,用激光测量其垂直度误差时,用直角尺的刀口与被测圆柱面形成狭缝,然后在距离为L2的两个位置分别测出其衍射条纹间距D1、D2及相应的轴径d1、d2,则该测量方向上的垂直度误差为:

    将工件旋转90b,按上述方法再进行测量,并用上式进行计算,取两个方向上测得误差的较大值作为该零件的垂直度误差。

    3 测量结果比较

    为确定用激光测量垂直度的误差准确性,实验中分别用激光器和千分表对图1所示的弯板进行了测量。用激光测量时,其垂直度误差为f=0.018mm。用千分表测量时[2](方法详见GB1958-80中垂直度误差检测代号1-1的说明),其垂直度误差为f=0.021mm,可见两种方法的测量结果很接近。