內(nèi)徑測(cè)量原理及理論基礎(chǔ)

對(duì)內(nèi)徑尺寸的測(cè)量，國(guó)內(nèi)目前測(cè)量的方法多以接觸式測(cè)量為主。但接觸式測(cè)量由于測(cè)量工具磨損、人為因素等原因造成測(cè)量誤差較大，不能滿足快速、精確的內(nèi)徑尺寸檢測(cè)要求。本文采用光三角測(cè)量原理，結(jié)合半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、伺服控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制了一種非接觸式內(nèi)徑尺寸光電測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)徑尺寸的無損、高精度測(cè)量。

內(nèi)徑測(cè)量原理及理論基礎(chǔ)
應(yīng)用光探針掃描被測(cè)件內(nèi)徑是單光三角測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的基礎(chǔ)[1-6]。單光三角方案測(cè)量原理框圖如圖1所示。圖中，1為半導(dǎo)體激光器；2為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；3為光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；4為反射分光棱鏡；5為接收成像光學(xué)系統(tǒng)；6為光電位置傳感器；7為信號(hào)處理系統(tǒng)；8為穩(wěn)功率激光電源。
系統(tǒng)測(cè)量的位置尺寸[1-4]

式中 α為接收成像光學(xué)系統(tǒng)5光軸和理論基準(zhǔn)面的法線夾角；φ為接收成像光學(xué)系統(tǒng)5光軸與光電位置傳感器6的夾角；L和分別為接收成像光學(xué)系統(tǒng)5的物距和像距；s為被測(cè)點(diǎn)在光電位置傳感器6上成像的像點(diǎn)位置。設(shè)單光三角光探頭掃描測(cè)量系統(tǒng)的位置系統(tǒng)常數(shù)為L(zhǎng)′oA[1-4]，則被測(cè)表面與光探頭回轉(zhuǎn)中心的長(zhǎng)度ρ=A+H

測(cè)量?jī)?nèi)徑時(shí)，光探頭應(yīng)旋轉(zhuǎn)一周，每隔一定的角度θi(1,2,3,i=L)測(cè)量出一個(gè)ρi值，由這組數(shù)據(jù)可以得到內(nèi)徑最大、最小和平均值。

圖1 激光單光三角內(nèi)徑測(cè)量原理
實(shí)際測(cè)量中，光探針回轉(zhuǎn)中心與被測(cè)內(nèi)孔實(shí)際中心不可能重合，為了消除光探針的幾何中心位置偏離內(nèi)孔中心對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的誤差，可以在同一截面內(nèi)使光探針回轉(zhuǎn)360°，等間隔測(cè)量多點(diǎn)，通過建立數(shù)學(xué)模型加以消除。為此以光探針回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，建立如圖2所示的測(cè)量數(shù)學(xué)模型。角度的測(cè)量采用絕對(duì)光電編碼器，并取編碼器的絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)所建坐標(biāo)系x軸的正向，起始角度θ0可由光電編碼器測(cè)出，而此時(shí)ρ0由光探針測(cè)出。測(cè)量點(diǎn)P0的坐標(biāo)為：

在進(jìn)給伺服系統(tǒng)的帶動(dòng)下，用同樣的方法可測(cè)量其他截面的直徑。

一種內(nèi)徑尺寸光電非接觸測(cè)量方法