[摘要]CCD激光位移传感器以其高精度、高效率、高可靠性等优点,应用于精密零件的形位和位置公差的检测中。由计算机控制,利用CCD激光位移传感器的三角测量法,采集被测零件数据后,然后根据最小二乘法拟合标定数据,最后得出零件精确的形位和位置公差。目前可以实现精密零件的直线度、圆度、同轴度等形位和位置公差的精确测量。
[关键词]CCD激光位移传感器 三角测量法 形位和位置公差检测
中图分类号:TN2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810054-01
一、引言
随着科学技术的发展,不仅对某些精密零件的尺寸、粗糙度、形位和位置公差的要求都非常高,而且对它们的检测速度要求要快、效率要高。一些传统的检测手段和圆度仪已不能满足这些高精度、高效率、高可靠性的精密零件的检测要求。为实现精密零件形位和位置公差的高效、快速、可靠地检测,需要运用当今高科技的检测手段。基于激光位移传感器的光电检测手段是包含光学技术、机械技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和通讯技术的当今最新的高科技一种检测方法[1]。而且它具有以下优点:
1.与激光干涉仪相比,CCD激光位移传感器的优点在于:激光干涉仪利用干涉现象,以波长作为位移测量的单位基准。而CCD激光位移传感器不利用干涉现象是以“激光腔镜移动半波长、激光频率移动一个纵横间隔”为工作原理的,激光器自身变成了位移传感器,不利用干涉现象,但以波长做尺子,比激光干涉仪简单得多,造价低得多[1]。
2.与电传感器相比,CCD激光位移传感器的优点在于:它是非接触式的检测,可以完全消除零件的径向跳动对测量结果的影响。而且通过对各个传感器标定,并采用最小二乘法线性拟合标定数据,进一步提高系统的测量精度。从而克服了传统圆度仪的测头接触式测量带来的弊端。
3.有较高的分辨率和精度。对于633nm波长He-Ne激光,八分之一波长是0.079Mm。
4.线性度好,因为“激光腔镜移动半波长,频率移动一个纵模间隔”的规律在任何激光腔长下都成立,在任何测量范围内都成立,它没有原理上的非线性[2]。
5.可实现运动零件、非接触式的连续、快速的在线检测。
因此我们选择基于激光位移传感器技术来检测某些精密零件的形位和位置公差。
二、CCD激光位移传感器的测量原理[3~7]
CCD激光位移传感器测距原理是三角测量法原理。CCD激光位移传感器可对几乎所有材料的被测物体进行点式位移测量。
图1为CCD激光位移传感器三角测量法的原理图。激光二极管发出的光束经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上,当被测物体表面因运动而在该方向产生位移时,接收透镜接收被测物体表面入射光点处的散射光,将其成像在CCD敏感面上的不同位置,从而测量出物体的位移值。再将这个位移值转换成光信号,然后应用光电转换器把光信号变成电信号,通过相应电路的过滤,放大,整流得到输出信号,从而算出被测量值。
若光点在CCD成像面上相对于基准点位移为x’,则被测面的位移x可按下式求出[2]:
式中:L为入射光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜中心的距离,L’为接收透镜后主面到CCD成像面的距离,1为入射激光束光轴和接收透镜光轴之间的夹角,2为CCD平面与接收透镜光轴之间的夹角。
三、基于CCD激光位移传感器零件检测的工作原理
系统检测的原理是:首先通过激光位移CCD传感器对被测物体进行扫描并进行数据采集,此时被测物体是在做匀速的旋转运动,而激光位移CCD传感器的探头(非接触式)是在做匀速的升降运动。然后将采集到的数据利用最小二乘法误差拟合标定数据, 进行快速准确的处理,得到精确的形位和位置公差。如图2所示。
基于CCD激光位移传感器精密零件形位和位置检测的测量装置框图如图3所示。它由光、电、机和计算机四部分组成。
光学部分:应用CCD激光位移传感器;
机械部分:由回转工作台、立柱、测量架等组成;
电气部分:包括硬件系统及软件系统;
计算机:上述三部分运动及数据采集和数据处理以及误差评定都由计算机控制。
工作原理如图4所示。它是一种非接触式的在线检测。首先由计算机发出指令,激光位移传感器开始工作,与此同时被测零件随工作台作匀速旋转运动,直线导轨带动激光位移传感器作升降运动。计算机控制激光位
移传感器定时地采集零件不同位置处的数据,然后将这些数据由光信号变成电信号,传输到计算机中处理。计算机运用最小二乘法拟合原理以及数学方法,建立被测参数求解的基本模型,结合定量标定参数,对数据进行误差评定,最终得出圆度的公差。从而完成数据的采集、标量变换、形位和位置公差的运算,测量结果显示与存储、通信、打印等功能。
四、结束语
采用CCD激光位移传感器对精密零件的形位公差和位置公差测量是融合了光、机、电以及计算机和信号处理等高新技术一种检测手段。它具有光电检测的精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点,并且CCD激光位移传感器结构又比激光干涉仪简单的多,造价低得多,而且CCD激光位移传感器是非接触式,因此它又比接触式的电传感器测量误差低。基于上述原因,CCD激光位移传感器不但具有激光光栅传感器的精密、准确、快速、高效的特点,而且结构简单、成本低,是实现零件的形位公差和位置公差高效率、高精度、高可靠性检测和降低成本的有效途径之一。
目前,基于CCD激光位移传感器对精密零件的形位公差和位置公差测量已经实现了直线度、圆度、同轴度、圆跳动的检测,效果良好。
参考文献:
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