大型机械零部件孔同轴度测量技术研究

　　1　引言

　　大型机械零部件尺寸、形位误差的测量,对于提高设备的制造及安装精度、工作效率和延长工作寿命是致关重要的。大型机械零部件同轴度的高精度测量的技术关键和难点在于需建立长跨距的测量基准线。例如传统的汽轮机轴瓦,通常采用“拉钢丝”和“上假轴”找中等方法,精度较低,使用不便。采用传统光学成像如测微准直望远镜方法,随着测量距离增加,成像质量下降,而且对不同测距需多次调焦,镜筒间隙引入误差,难于满足高精度要求。激光束由于良好的相干性、高亮度和很好的方向性可以用来作准直参考线,但由于激光器内部温度造成光束方向的漂移,极大地影响了准直的精度,限制了应用。

　　为了完善激光准直技术,已提出如:三点法、对称光束法和光纤法[1]等。本文采用了单模光纤的尾纤半导体激光器[2]抑制了激光束的温漂,增加了系统的准直精度。

　　目前,国外未见有采用激光基准线的大孔同轴度测量技术报道,国内清华大学曾做过很有意义的工作。本文提出了用于大型机械零部件大孔同轴度测量技术,在方法和系统上均与之不同。根据准直光斑中心坐标和两孔内多截面圆周测量数据计算同轴度误差。测量系统设计新颖,便于操作,实现了大孔同轴度的高精度测量。

　　2　测量原理

　　大孔同轴度测量装置包括激光准直系统、测量靶、数据采集和处理系统(图1)。测量原理为:采用单模尾纤激光二极管(K=670nm)发出的激光束经单模光纤传播和准直透镜的作用,椭圆形光束被整形为圆形截面的基横模高斯准直光束,为测量提供了大跨度的直线基准。光束的指向可由四维精密调节支架调节,固定在测量靶上的CCD探测器(500×582pixel)采集光斑数据,经图像采集卡(分辨率:256×256)送入计算机,然后按(1)式所描述的“重心法”计算出光斑能量分布中心坐标()。

　　其中:Ijk是(j,k)像素的灰度值;a和b分别是CCD探测器光敏面的长度和宽度。

　　影响激光参考线的稳定性的主要因素有:

　　1)光束的漂移。激光器谐振腔内温度变化会导致谐振腔反射镜相对位置随时间变化,从而导致激光器的温漂。

　　2)光束的随机抖动。空气扰动会导致光束在传播过程中的随机抖动。

　　在本系统中,由于单模光纤严格的模式限制,出射光束的模式分布和漂移对半导体激光器本身工作温度变化的敏感性大大降低。激光器的温漂被单模光纤有效抑制。采用对光斑多次采样,取统计平均值的方法确定光斑中心,克服空气扰动导致的光束随机抖动。这些措施使激光参考线的方向稳定性大大提高。