同轴度误差的非接触精密测量方法

    在几何量测量中,同轴度误差常见的测量方法有坐标法、对径双测头测量法、反向法和壁厚差法等[1,2],这些测量方法都是在通用测量器具上如圆度仪、坐标测量仪、分度头或以平板为基准,利用V型块和指示器进行测量.本文介绍用激光测量同轴度误差,实现非接触测量,用CCD获取衍射条纹图像,通过对比测量和精度分析,证明该方法测量精度高,测量装置结构简单,自动化程度高,有很高的实用价值.

    1　测量系统构成

    如图1所示,将激光器、被测工件、光路部分及接收屏布置在同一平台上,且激光器、棱缘、接收屏可作上下、前后调整,被测工件安装在顶尖上,或放在V型块上, V型块可沿导轨前后滑动.调整棱缘对工件的高度,使之与工件形成狭缝, He-Ne激光器发出的激光束经孔径光阑消除杂散光后,照射到被测工件与棱缘形成的狭缝上,在屏幕与工件之间放一负透镜[3],可提高测量精度和衍射条纹的分辨率.将线阵CCD摄像头固定在接收屏上, CCD位置可调,用CCD获取衍射条纹图像, CCD将衍射条纹图样的光强信号转换成电信号,经数据采集卡及接口电路送入计算机中进行数据处理.

    2　测量原理

    根据夫朗和费单缝衍射原理,当激光束通过棱缘与被测圆柱表面形成狭缝b时,在接收屏上可看到明暗相间的衍射条纹,其条纹间距D与激光波长K,狭缝至屏幕间的距离L之间关系为b=KL/d,加入负透镜后

b=kλL/D, (1)

    式中:k为负透镜的放大倍数,其值可通过负透镜安装前后多次测量的衍射条纹的平均间距之比确定.

    3　测量方法

    用激光测量同轴度有3种方法:两点法、对径相减法和坐标法,两点法和对径相减法适用于形状误差很小的零件.

    3.1　两点法

    两点法用来测量轴类零件和轴套类零件的同轴度误差,对于轴套类零件相当于测量零件的壁厚差.测量时旋转工件观察衍射条纹图像,找出衍射条纹间距的最大点和最小点,由式(1)求出这两点的缝宽b1,b2及其缝宽差,则零件的同轴度误差f= 2b1-b2.

    3.2　对径相减法

    这种方法适用于测量轴类零件,在被测横截面和轴向截面内可消除偶数棱圆误差和母线直线度误差、母线平行度误差对测量结果的影响.测量被测圆柱面同一截面上若干等分点(等分数为偶数)与棱缘的缝宽值,将对径位置的缝宽值相减,得到对径缝宽差,则各对径点的缝宽差为实际轴心线相对于基准轴心线的偏心距的2倍,如图2所示.取其绝对值最大的作为该横截面轮廓中心相对于基准轴线的同轴度误差,按上述方法测量若干个被测横截面轮廓的同轴度误差值,取其中数值最大者作为被测轴线的同轴度误差值.