激光扫描测头对金属曲面测量研究

    激光扫描测头与传统接触式测头相比具有一些显著的优点，如: 没有测量力，测量速度快，测量光斑很小，能探测到接触式测头难以获取的细节信息等，因而近年来在坐标测量中得到广泛的应用。金属曲面是精密尺寸测量中最常见的测量对象，如拉刀表面、轴的表面、齿轮表面、凸轮轴表面等等。此类曲面有两个特点: ( 1) 表面光洁，粗糙度低，镜面反射很强; ( 2) 表面各点的曲率不同。激光扫描测头与接触式测头相比一大特点就是在测量时不但有射出的“探针”还需有返回的 “探针”，所以测量此类曲面是目前形貌测量领域的一个难题［1］。针对此种情况，文中分析了几种最典型的激光扫描测头测量金属曲面的优劣，并在所研发的一台微型五坐标测量机上验证了各自的测量效果。

    1 实验平台介绍

    实验所用平台为西安交通大学精密工程与光学研究所研发的微型五坐标测量系统，如图 1 所示。该系统有 x、y、z 3 个直线运动自由度和 A、B 两个回转运动自由度。x、y、z 3 个轴的行程分别为 300、180、50 mm，所用直线光栅的分辨率为 0. 1 μm; A、B 两个轴的行程分别为 ± 135°， ± 90°，所用圆光栅的分辨率为2″。测量对象是 Renishaw 公司的 12 mm 金属标准球的表面，其圆度误差不超过 0. 03 μm。文中测量曲面方式是: A、B 轴固定不动，只移动 x、y、z 3个直线运动坐标，没有让测头跟踪曲面上测量点的法向一直做姿态调整。

    采用这种方式是因为: ( 1) 这种测量方式应用最广泛，三坐标测量机都是采用这种方式测量; ( 2) 测量效率高，在测量过程中不用一直调整测头角度; ( 3)避免测头回转带来的误差，包括回转机构的机械误差、圆光栅传感器误差; ( 4) 即使采用测头跟踪曲面法向的测量方式，在测量之前也必须标定测头到回转中心的位置参数。而这个标定过程一般都是利用标准球来完成，标准球的表面就是一个典型的金属曲面。

    2 典型激光扫描测头原理及斜射式三角测头误差补偿

    2. 1 激光共聚焦测头

    激光共聚焦测头的原理是测头发出一束激光通过一组透镜照射 到 被 测 物 表 面，再由物体表面原路反射回去，经 45°分光镜通过 针 孔 由 CCD 接收。当被测物表面处于透镜焦平面时，穿过针 孔 的 光 强 最 大;当被测物远离透镜焦平面时，透过针孔的光强迅速减小。透镜固定在音叉上，通过音叉的振动不断调节透镜焦平面的位置，当通过针孔的光强最大时透镜的焦平面恰好移动到被测物上，此时通过一个高精度位移传感器记录音叉的位置，就得到被测点的高度，如图 2 所示。