一种测量大尺寸孔同轴度的新方法

    1 引言

    大尺寸孔同轴度的高精度测量对于提高机械制造及安装的精度、延长机器工作寿命至关重要。大孔同轴度精密测量的技术关键和难点,在于需建立长跨距的测量基准线。一些传统的测量方法(如采用/拉钢丝0、/上假轴0等方法测量汽轮机轴承孔)不仅使用不便,测量精度也较低。而采用传统的光学成像法(如测微准直望远镜法)进行测量时,随着测量距离的增加,成像质量下降,且对于不同测距需多次调焦,镜筒间隙易引入误差,难以满足高精度测量的要求。激光束具有良好的相干性、方向性和高亮度,可用作同轴度测量的准直参考线,但由于激光器内部温度的变化易引起光束方向的漂移,影响准直精度,限制了其实际应用。为了完善激光准直技术,人们已提出了多种方法,如三点法、对称光束法、光纤法[1]等。

    本文提出采用单模光纤的尾纤半导体激光器作为准直光源[2],以实现大孔同轴度的高精度测量。由于单模光纤严格的模式限制,使出射光束的模式分布和漂移对于半导体激光器工作温度变化的敏感性大大降低,从而有效抑制了激光束的温漂,提高了系统的准直精度。文中还介绍了激光准直系统中高斯光斑中心坐标的几种数值计算方法,并分析了各种计算方法的优缺点。

    2 测量原理

    大孔同轴度测量系统的测量原理如图1所示。图中,假定需测量孔1相对于孔2的同轴度,以孔2的轴线作为基准轴线。该测量系统由激光准直、测量靶、数据采集和处理模块等部分组成。单模尾纤激光二级管发出的激光束经过单模光纤传输和准直透镜作用,将椭圆形光束整形为圆形截面的基横模高斯准直光束,作为大跨距同轴度测量的直线基准。光束的指向可由四维精密调节支架进行调节。固定在测量靶上的CCD探测器可采集光斑数据,经图像采集卡送入计算机,并按照一定的算法求出光斑中心坐标(xic,yic)。

     由于以激光束作为测量基准,因此激光束的稳定性将直接影响测量精度。影响激光束稳定性的主要因素有:①光束的漂移。激光器谐振腔内的温度变化会导致谐振腔反射镜的相对位置随时间发生变化,从而导致激光器的温漂。②光束的随机抖动。空气的扰动会导致光束在传播过程中随机抖动。由于本系统采用的单模光纤对光束模式的严格限制作用,可显著降低出射光束的模式分布和漂移对半导体激光器温度变化的敏感性,从而有效抑制激光器的温漂。此外,采用对光斑多次采样、取统计平均值的方法来确定光斑中心,克服了空气扰动引起的光束随机抖动。通过采取上述措施,可使激光参考线的方向稳定性大大提高。