基于垂直位移扫描工作的表面轮廓综合测量仪

　　零件的表面形貌在很大程度上决定了零部件的使用性能,但目前对于表面形貌测量的研究多集中在对表面粗糙度的测量上,而对于零件的形状误差以及其他的几何量测量相对欠缺.

　　英国Rank Taylor Hobson公司研制并生产了使用激光干涉传感技术的测量系统[1],它应用He-Ne激光器作为光源,波长作为长度标准量,扩大了仪器的动态测量范围,该方法可以在几个毫米测量范围内得到纳米的分辨率,但它最大的缺点就是不可避免的存在着杠杆轴线绕支点转动时所形成的弧线对测量探针在X,Z方向坐标的影响,从而造成测量上的误差,随着测量范围的增大,测量力越来越大,对工件的划伤及测头的磨损越来越严重.本文提出的这种装置改变了传统的工件垂直方向上不动而杠杆触针随轮廓表面的起伏而上下移动的思路,采用了保持杠杆始终处于平衡位置而使工件上下移动的方法来进行测量,从而保证了高精度、小测量力的需要.

　　1 表面轮廓综合测量仪的结构与测量原理

　　该仪器的结构示意图如图1所示.测量过程中,工件在X向电机驱动下沿X轴方向移动,得到一个测量点的X坐标,杠杆一侧的触针始终接触被测工件表面,并因表面轮廓的起伏而上下移动,带动杠杆绕支点旋转,从而引起电感式位移传感器输出电信号,偏移其零位,该信号经放大,A/D转换处理送计算机,由驱动程序控制Z向驱动电机驱动斜面导轨副上下移动,并经过压电陶瓷微调,带动工件随之上下移动,最终使得杠杆回到平衡位置,杠杆是否回到平衡位置由电感式位移传感器是否处于零位来判断.这时工件上下移动的距离由衍射光栅干涉位移传感器测到,这个距离即为零件表面轮廓在该测量点Z方向上的变动,该信号经光电信号处理电路(前置放大、细分、辨向、计数)送到计算机,即为一个采集到的Z向坐标,重复该过程,可得到一系列数据,送到计算机经表面轮廓评定软件处理即可.

　　2 衍射光栅位移测量系统的光学原理及基本光路

　　光栅干涉测量系统的光学原理如图2所示[2-3],激光器发出的光入射到反射光栅,经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光,通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点,经过二次衍射后,(+1,+1)级和(-1,-1)级两束衍射光将在垂直于x轴放置的光电探测器上形成干涉条纹.当图中反射光栅沿z轴方向上下运动时,将引起干涉条纹的相移,如果将光栅固定在测量工作台上,通过探测条纹的变化即可反映出物体的位移.当光栅移动时,干涉条纹将发生相移.光栅移动d/4距离时,条纹相移为2P,即变化一个周期.本系统采用的光栅,其光栅常数为1/1200mm,因此干涉条纹变化一个周期,光栅移动量为1/4800mmU200nm.光栅干涉测量系统是以光栅常数d作为测量基准,传感器的测量范围取决于光栅周边有效长度,其精度取决于众多光栅栅距产生的衍射波叠加干涉的平均效应,其脉冲当量等于光栅常数的一半,因此信噪比高,抗干扰能力强[4].本系统选取DA650-1-5型半导体激光器,波长为650nm,功率为1mW,无需配备稳频装置.