CN103090805A - 一种拉丝模孔径测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种拉丝模孔径测量装置，包括：一激光生成器和凸透镜，所述激光生成器发出的激光穿过拉丝模的圆孔到达凸透镜，一CCD，所述凸透镜置于拉丝模与CCD之间，且凸透镜位于CCD的焦距处。拉丝模与凸透镜之间设置有一反射镜，在所述CCD之前设置一衰减器，保护CCD。利用激光技术测量拉丝模孔径大小的方法，对激光通过模孔后衍射出的图像进行分析，计算出孔径大小。

Description

一种拉丝模孔径测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种拉丝模孔径测量装置及其测量方法，具体涉及一种采用激光衍射原理测量拉丝模孔径的方法，属于光电子技术领域。
背景技术
拉丝模是金属制品行业用于拉拔线材的一种重要模具，制品生产的经济效益与模具的质量息息相关。近20年来，国内金属制品行业从国外引进一批具有世界先进水平的高速拉丝设备，其拉拔速度一般都在600~1000m/min。但是这些拉丝设备往往没有发挥应有的效果，不仅拉丝的生产效率没有达到预期的提高，而且在拉制线材的过程中极易损耗拉丝模具。
通过分析研究金属线材的整个拉制过程，产生这种现象的原因主要包括线材的质量、表面涂层以及模具本身的质量。模具孔型参数是检测模具质量的重要因素。按照模具拉拔线材的过程，拉丝模的结构从上可以分为入口锥、压缩锥、定径带和出口锥等四部分，孔型结构主要指内孔各部分尺寸以及锥角大小。拉丝模孔径参数作为检测模具质量的最重要的性能指标，对模具加工生产、拉拔线材以及研磨修正有着积极的指导意义。因此模具生产厂家以及拉丝行业需要及时、准确掌握拉丝模孔型参数，提高拉制线材的质量。
伴随仪器仪表、机器制造业的发展，要求对小尺寸孔和轴类零件进行精密加工，同时也对该类零件提出了更高的检测要求。小孔与轴类零件相比，由于测量器件在孔内受到空间限制，操作不方面，因此小孔测量的速度较慢，进行精密测量更加困难。
目前存在的测量方式主要有机械式测量，电动式测量等，均存在测量精度不够，磨损磨具等现象。
发明内容
为了克服上述技术缺点，本发明的目的在于提供一种利用激光技术测量拉丝模孔径大小的方法，对激光通过模孔后衍射出的图像进行分析，计算出孔径大小。 
一种拉丝模孔径测量装置，包括：
一激光生成器和凸透镜，所述激光生成器发出的激光穿过拉丝模的圆孔到达凸透镜，
一CCD，所述凸透镜置于拉丝模与CCD之间，且凸透镜位于CCD的焦距处。
本发明的一个优选实施例，拉丝模与凸透镜之间设置有一反射镜。
本发明的一个优选实施例，在所述CCD之前设置一衰减器，保护CCD。
一种拉丝模孔径的测量方法，包括以下步骤：
第一步、在进行测量前，先进行定标，选一个已知孔径大小的小孔来代替拉丝模的位置，激光照射后在CCD显示屏上会显示出衍射圆环，调整大小，直到方便测量直径大小为止；
第二步、测量中央圆斑的直径，通过小孔的实际孔径大小与测量出的圆斑的孔径大小比例，可以算出CCD放大倍数；
第三步、激光垂直射入拉丝模孔中通过凸透镜之后，CCD将图像截取，使用螺旋测微器测量出CCD显示屏上的光斑的直径，除以CCD的放大倍率，可得到拉丝模孔径的大小；
第四步、重复步骤三，测出3组数据，最后取平均值。
激光具有高亮度、相干性好等优点，使光的衍射现象得到了实质性的应用。由于光的波长较短，具有只有当光通过很小的孔或狭缝，很小的屏或细丝时才能明显地察觉到衍射现象的特点，磨具的孔非常小，因此利用激光效果会更好。衍射测量方法具有非接触、稳定性好、自动化程度及精度高等优点。
附图说明
图1拉丝模轴向剖面示意图。
图2 为圆孔衍射示意图。
图3为 本发明的原理图。
其中1表示CCD，2表示CCD显示屏
图4为本发明的衍射图样。
具体实施方式
拉丝模如附图1所示，模孔按工作性质可分入口锥A、压缩锥B、定径带C 和出口锥D 四部分。
模具在生产过程中拉丝模的内径轮廓很重要，它决定着压缩线材所需的拉力，并影响拉拔后线材中的残余应力。拉丝模孔型测量中，孔径作为参数之一是非常重要的，本发明主要是确定孔径C的大小。
光的衍射原理如下：见附图2所示。
Figure 2013100607486100002DEST_PATH_IMAGE001
点的光强分布为：
                   
Figure 980445DEST_PATH_IMAGE002
                  （1）
Figure 2013100607486100002DEST_PATH_IMAGE003
为一阶贝塞尔函数，它可以展开成的级数
                   
Figure 2013100607486100002DEST_PATH_IMAGE005
           （2）
Figure 852772DEST_PATH_IMAGE004
可以用衍射角及圆孔半径
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示
                       
Figure 175486DEST_PATH_IMAGE008
               （3）
第一级暗环对应的衍射角为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
中央光斑（第一暗环）的直径为
Figure 667647DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 971589DEST_PATH_IMAGE001
点的位置由衍射角
Figure 246713DEST_PATH_IMAGE006
来确定，若屏上
Figure 890184DEST_PATH_IMAGE001
点离中心
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的距离为
Figure 352913DEST_PATH_IMAGE012
（），即D=2r=2fsin
Figure 144152DEST_PATH_IMAGE006
,圆孔半径
Figure 222966DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 783261DEST_PATH_IMAGE014
是激光波长，则中央光斑的直径
Figure 554908DEST_PATH_IMAGE010
为：
         
Figure DEST_PATH_IMAGE015
          （4）
所以只要测得D，就可以求得圆孔的半径
Figure 567863DEST_PATH_IMAGE007
。
     本发明选择通过已知小孔到达CCD上的图像之间的关系，得出放大倍数，直接通过此数值可以计算出拉丝模孔的直径，避免了上述式子中每个计算过程中出现的误差，使得测量结果更加精确。
参照图3，一种拉丝模孔径测量装置，包括：
一激光生成器和凸透镜，所述激光生成器发出的激光穿过拉丝模的圆孔到达凸透镜，
一CCD，所述凸透镜置于拉丝模与CCD之间，且凸透镜位于CCD的焦距处。
本发明的一个优选实施例，拉丝模与凸透镜之间设置有一反射镜。
本发明的一个优选实施例，在所述CCD之前设置一衰减器，保护CCD。
    为了测得较精确的孔径大小，首先要保证激光的垂直入射，即激光要与拉丝模孔在一个垂直方向上，所以先在拉丝模孔旁边加一个反射镜，首先通过激光垂直入射，如果通过反射镜将光沿原路反射如激光发射口，则可保证在一个垂直方向上，如果有偏差，调整装置。
根据光的衍射缩放原理，在CCD上通过放大后的圆环来测量直径大小，通过缩放比例计算出孔的实际大小比通过机械测量微小孔的大小精确度要高。由于激光的强度很大，为了保护CCD，在CCD之前加一个衰减器，可以避免过大的信号功率损坏CCD。
在进行测量前，先进行定标，选一个已知孔径大小的小孔来代替拉丝模的位置，激光照射后在CCD显示屏上会显示出衍射圆环，调整大小，直到方便测量直径大小为止。测量中央圆斑的直径，通过小孔的实际孔径大小与测量出的圆斑的孔径大小比例，可以算出CCD放大倍数，此时，CCD不要再进行任何改变。
前期准备工作完毕后，激光垂直射入拉丝模孔中通过凸透镜之后，CCD将图像截取，使用螺旋测微器测量出CCD显示屏上的光斑的直径，除以CCD的放大倍率，可得到拉丝模孔径的大小。
可以重复测出3组数据，最后取平均值。
图4为本发明的衍射图样。
通过激光测量拉丝模孔径，不仅测量精度高，而且通过这种非接触式的测量，保证了模具的使用寿命。

Claims (4)

1.一种拉丝模孔径测量装置，其特征在于，包括：
一激光生成器和凸透镜，所述激光生成器发出的激光穿过拉丝模的圆孔到达凸透镜，
一CCD，所述凸透镜置于拉丝模与CCD之间，且凸透镜位于CCD的焦距处。
2.根据权利要求1所述的一种拉丝模孔径测量装置，其特征在于，拉丝模与凸透镜之间设置有一反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种拉丝模孔径测量装置，其特征在于，在所述CCD之前设置一衰减器，保护CCD。
4.一种拉丝模孔径的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在进行测量前，先进行定标，选一个已知孔径大小的小孔来代替拉丝模的位置，激光照射后在CCD显示屏上会显示出衍射圆环，调整大小，直到方便测量直径大小为止；
第二步、测量中央圆斑的直径，通过小孔的实际孔径大小与测量出的圆斑的孔径大小比例，可以算出CCD放大倍数；
第三步、激光垂直射入拉丝模孔中通过凸透镜之后，CCD将图像截取，使用螺旋测微器测量出CCD显示屏上的光斑的直径，除以CCD的放大倍率，可得到拉丝模孔径的大小；
第四步、重复步骤三，测出3组数据，最后取平均值。
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