用劳埃德镜干涉原理进行圆度误差测量

    1 引 言

    圆度误差是指待测的实际圆轮廓对理想圆的变动量[1]。常用的圆度误差的测量方法有:比较检验法、特征参数测量法和坐标测量法等。其中有些方法可简便快速地得到工件的圆度误差值;有些方法则只判工件是否合格,而不需得到圆度值;随着对加工精度和测量过程自动化要求的不断提高,有时还需通过某些测量方法获得工件的精确轮廓图形,在评定出工件的圆度误差值的同时,对待测工件的加工工艺和加工过程进行分析和调整,以促进成品质量的进一步提高。为此,本文设计了圆度误差的自动测量系统。该系统利用劳埃德镜干涉装置,将对待测工件圆度误差的测量,转化成对相应干涉条纹间距的测量;而对干涉条纹间距进行测量时,又采用线阵CCD作为干涉条纹的光电接受装置,并通过与微机相连,对测量数据进行自动处理,从而实现了对圆度误差的自动化和高精度测量。

    2 圆度误差测量方法

    2.1 测量系统

    如图1所示,圆度误差测量系统[2~4]主要由光源(He-Ne激光器)、狭缝、劳埃德镜(即平面反射镜)、芯轴、待测工件和CCD图像处理系统等主要部分组成。其中平面反射镜的左端固定在一个水平转轴上,右端的测量头置于待测工件的外圆表面上。

    2.2 测量原理

    在图1所示测量装置中,开始时测量头置于待测工件外圆表面上的第一个等分点处(设为基准位置),并设狭缝S通过平面反射镜所成的像为Sc;当He-e激光器发出的单色平行光在狭缝S上垂直入射时,在线阵CCD(即屏幕)上要形成一系列明暗相间、平行等间距的干涉条纹,则由杨氏双缝干涉理论可知,干涉条纹的间距[5]

    其中d为等效双狭缝S和Sc的间距,D为双狭缝到线阵CCD的间距,K为射入狭缝的光波波长。

    现让待测工件绕芯轴旋转,由于被测工件圆度误差的存在,测量头在竖直方向的高度就要发生变化,从而使平面反射镜绕左端的转轴转动。若测量头位于待测工件上的第i个等分点处时,测量头在竖直方向相对于第一个等分点处的高度变化为hi(即待测工件所在测点相对基准位置的半径差),平面反射镜绕左端转轴的转动角为Hi,则

    其中C为测量头到转轴的间距。

    设平面反射镜绕左端的转轴转动角为Hi时,等效双狭缝S和Sc的间距变为dc,由几何光学可知

    (3)式中的正号和负号分别对应于测量头向上移动(hi为正),测量头向下移动(hi为负)的两种情形;为双狭缝到转轴的间距;K为B和C两者之比。