CN1059031C

CN1059031C - 大型工件内外径激光瞄准测量系统及测量方法

Info

Publication number: CN1059031C
Application number: CN 96107099
Authority: CN
Inventors: 王佳; 张剑敏; 李达成; 赵洋; 曹芒
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 2000-11-29
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: CN1143744A

Abstract

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及大型工件内外径测量。内外径激光瞄准测量系统，包括导轨、定位块、测量车及驱动机构，测量车上装有定位，瞄准用的角隅棱镜、五角棱镜和光电接收器，固定在导轨一端的激光瞄准测距仪。测量车还包括准直接收该激光瞄准测距仪发出的准直激光束的光电探测器，角隅棱镜与五角棱镜均为半透半返的改进角隅棱镜。改进五角棱镜，五角棱镜、光电接收器、光电探测器均安装在一测量平台上。定位块上装有反射面与定位块底面垂直的平面反射镜。入射角隅棱镜的光束返回光电接收器。仪器结构简单，重量轻，测量精度高，适于加工现场使用，并能进行多直径多方向测量。

Description

大型工件内外径激光瞄准测量系统及测量方法

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及大型工件内外径测量的系统设计。

大型工件内外径激光瞄准测量系统适用于大型轴类孔类零件的内外径测量。测量范围可达0.5米至10米。测量系统可用于重大机电装备的制造和质量控制，如大型发电设备、重型机械、船舶、航空航天设备和大型工件，如30万千瓦汽轮机转子，水轮机大轴和大型船用矿用齿轮等。

本课题组研究人员于1992年5月21日向中国专利局提出了一项题为“激光高精度测量大型工件内外径测量及方法”，并于1995年3月31日获得专利权，该专利公开的技术方案主要包括导轨及在其上往返移动的测量车，测量车装有角隅棱镜、五角棱镜和光电接收器，两个磁性定位块及与之相连的光电接收器，用于准直、测长的激光准直仪和激光测距仪，以及计算机控制及数据处理单元。该装置比传统的测量精度大大提高，并实现现场在位测量以及测量数据处理自动化。但该装置还存在以下不足之处：第一，为保证测量达到较好的精度，该装置需采用精密滚珠直线导轨，要求有刚性极好的导轨底座且底座上有驱动轮通过齿形带拖动测量车，其结构复杂造价高；第二，该装置采用一个激光准直仪和一个激光测距仪，从两个方向相对照准测量车，测量时必须将两套激光系统调成共轴，不仅装置成本增长而且调整难度高；第三，该装置一但固定调整好，只能作一个方向直径的测量，使测量范围受到局限；第四，该装置的数据处理没有对导轨不直线度误差、瞄准误差、测量车定位误差等进行补偿处理，使测量精度受到影响。

本发明的目的在于为克服上述装置的不足之处，对其结构及测量方法进行重大改进，不仅保留了上述装置的优点，而且使其结构简化，系统调整要求降低，测量精度进一步提高，还可以进行多直径多方向测量。

本发明提出一种大型工件内外径激光瞄准测量系统，包括导轨、测量车及驱动机构，放置在被测件直径两端的二块底面为凹性的定位块，所说的测量车上装有定位，瞄准用的角隅棱镜、五角棱镜和光电接收器，其特征在于还包括固定在所说的导轨一端头的激光瞄准测距仪；所说的测量车还包括准直接收该激光瞄准测距仪发出的准直激光束的光电探测器；所说的角隅棱镜与五角棱镜均为半透半返的角隅棱镜、五角棱镜；所说的五角棱镜、光电接收器、光电探测器均安装在一测量平台上；所说的定位块上装有反射面与定位块底面垂直的平面反射镜和接收；所说的角隅棱镜的入射光并返回所说的光电接收器的角隅棱镜。

所说的激光瞄准测距仪可以为双频激光干涉仪。

所说的测量车的驱动机构可以包括驱动测量车在导轨上往返移动的粗动电机及对所说测量平台微调的微动电机。

所说的五角棱镜可为1.5d，d为五角棱镜入射面孔径。

为扩大测量范围本系统还可在所说的测量平台装于一个可使测量平台作180度旋转的旋转轴架中，所说的磁性定位块上的角隅棱镜与平面反射镜安装在一可旋转的镜座上。

所说的导轨为轻型金属材料制成。

采用本发明所述系统的测量方法，其特征在于包括：系统调整与工件测量两部分，所说系统调整由以下步骤所组成：

(1)将导轨方向调整为与所测工件的母线成垂直，并支撑牢固；

(2)调整激光自准直仪发出的准直光和导轨平行，并使光束在远近两测量位置斜瞄准测量车上的靶盖中心；

(3)进一步调整自准直仪和导轨，使准直光与被测工件轴线垂直；

(4)用自准直法安装磁性定位块于被测工件直径两端；所说工件测量由以下步骤组成：

(5)测量车在粗动电机的驱动下快速移向一端，当测量车经过瞄准位置时，测量车立即反向慢速移动重新逼近测量位置，到达测量瞄准位置时立即停车并锁定位置；

(6)记录此位置的探测器测量的测量车相对测量基准线的偏移量H_A，光电接收器测量的光束对准微偏移量L_A，及测距仪对的读数X_A。

(7)再按第(5)步的方法测量另一点，得到H_B、L_B和X_B。

(8)求得所测直径D为：

D = \sqrt{{((H_{B} + L_{B} + X_{B}) - (H_{A} + L_{A} + X_{A}) - C)}^{2} + S^{2}}

式中C为定位块底部槽宽，S为定位块常数。

本发明的测量原理如下：

测量系统采用“光学卡尺”内外径直接测量方法，将被测内外径测量通过瞄准光线和五角棱镜转化为测量车的两点间的直线位移距离测量。由于五角棱镜本身的特性以及瞄准光线的方向稳定性，转化中的阿贝误差被限制到很小。

准直激光束射到改进型角隅棱镜，部分被反射回到激光准直测距仪，作为测距光电信号部分透射光穿过角隅棱镜进入改进型五角棱镜，部分光折转90°后，射向磁性定位块。部分光穿过五角棱镜到达CCD探测器接收表面，产生测量车相对测量激光束基准偏差的信号。

调整磁性定位块时，首先沿被测工件(内)外圆滑动调整磁性定位块位置，若反射光线与入射光线重合，并返回到准直光出发点，由光电检测系统探测并发出对准信号。则说明磁性块位置正确，保证了两测量位置处瞄准激光束平行。即位于工件上被测直径的两最外端。被测线与测量线相互平行，两测量臂也保持平行(且与测量线垂直)，因而直径的测量转化为五角棱镜沿导轨方向的移动量的测量。

测量时，准直光先后瞄准两磁性定位块。磁性定位块上的角隅棱镜将光线反射回来，当光束对准四象限光电探测器中心时发出对准信号，由激光测距仪测量两位置间距L，角隅棱镜上的常量(C₁+C₂)预先标定。令：

C＝C₁+C₂这样，所测直径为：

D = \sqrt{{(L - C)}^{2} + S^{2}}

计算直径时，因五角棱镜与准直激光相互位置发生变化，需对公式中L进行补偿运算。设ΔX为修正量。用X_A、X_B表示激光测距仪在A、B两个瞄准点处的读数，L_A、L_B表示光电探测器上测得光点微量偏移，则有

L＝(X_B+L_B)-(X_A+L_A)+ΔX设光电探测器在A、B两个瞄准点处测得光点高度值为h_A、h_B，修正量为

ΔX = \frac{h_{B}}{2} - \frac{h_{A}}{2}

令

H_{A} = \frac{h_{A}}{2}; H_{B} = \frac{h_{B}}{2}

则

L＝(H_B+L_B+X_B)-(H_A+L_A+X_A)代入前式，直径计算公式为：

D = \sqrt{{((H_{B} + L_{B} + X_{B}) - (H_{A} + L_{A} + X_{A}) - C)}^{2} + S^{2}}

五角棱镜的移动量，即两瞄准点间的距离L的测量，可选用光栅、磁栅、固体或气体激光干涉测长等手段进行(前两种方法会存在较大阿贝误差)。也可用半导体激光器连续调频或激光多波长绝对距离测量系统。

测量车沿导轨运动时，其相对激光基准的偏差光电探测器进行实时测量。并送入计算机。

6.改进型五角棱镜、光电探测器和光电接收器装于一个可旋转轴架中。轴架可围绕激光基准轴线作180度旋转，即测量平面可作180度旋转。准直光束在空间扫出与入射光垂直的平面，测量系统安装好后，可测量卧式或立式放置的工件。

本发明具有如下特点：

第一、采用单一激光瞄准测距仪建立的大外径测量系统。激光瞄准测距仪具有两种功能：实时测量测量车的位置；为瞄准系统提供准直激光束，并检测磁性定位块自准直对准的情况。结构紧凑，调整方便。

第二、测量系统采用轻型材料(如铝合金)导轨，导轨上无任何驱动装置。适当选取支点位置机支撑方式，测量车在导轨上运动时导轨产生最小变形。如最大挠度小于2-3毫米。重量轻，便于搬运，适于加工现场使用，能够实现在位测量。

第三、测量车上的主动轮与导轨摩擦推动测量车运动。首先测量车快速移动，当通过测量位置时，测量车立即反向慢速移动重新逼近测量位置。到达测量瞄准位置时立即停车并锁定位置。可以在现场操作人员视场之外通过遥控方式实现自动瞄准测量。

第四、安装于测量车上的光电探测器实时测量测量车相对测量基准线的偏离量。可在较大的范围内测量偏离量，如2-3毫米。

第五、磁性定位块上装有一个平面反射镜用于自准直调整和一个角隅棱镜用于测量。能够围绕机械轴作360度旋转。平面反射镜的反射面垂直于定位块底面，沿被测工件(内)外圆调整定位块位置，若反射光线与入射光线重合，并返回到准直光出发点，由光电检测系统探测并发出灯光和音响对准信号。两测量位置处瞄准激光束平行。即位于工件上被测直径的两最外端。被测线与测量线相互平行，两测量臂也保持平行且与测量线垂直。平面反射镜用于自准直调整提高了调整灵敏度和精度，操作人员易于判断光束方向。由于棱镜能够旋转，能够进行多直径多方向测量。

第六、改进型五角棱镜，光电探测器和光电接收器装于一个可旋转轴架中。轴架可围绕激光基准轴线作180度旋转，即测量平面可作180度旋转。准直光束在空间扫出与入射光垂直的平面，测量系统可测量卧式或立式放置的工件。此项设计是与可旋转定位块相配和使用的。能够进行多直径多方向测量。

第七、计算内外径时，将测距仪测量的两位置间距，光电探测器测量的测量车相对测量基准线的偏离量，光电接收器测量的光束对准微偏离量和磁性定位块常数综合计算处理得到所测量的内外径数值。数据的综合处理补偿了导轨不直线度误差，瞄准误差，测量车定位误差，等多项误差。

附图简要说明：图1为本发明一种实施例系统构成图图2为本实施例磁性定位块结构示意图图3为本实施例五角棱镜位移示意图图4为本实施例测量车移动与瞄准光线示意图图5为本实施例遥控瞄准方法流程

本发明提出一种大型工件内外径激光瞄准测量系统实施例，结合图1～5对系统的构成及测量方法详细描述如下：

图1为本实施例系统构成示意图测量系统由下述几部分组成：

1、激光瞄准测距仪2采用双频激光干涉仪，射出一条垂直于被测量工件轴线的准直激光束作为测量基线。该激光基线的作用，一是用来确定前后两个被测量瞄准点的位置，二是用以测量导轨弯曲带来的测量误差。

2、沿准直光激方向放置轻型导轨3(铝合金形材)，重量轻，便于搬运，适于加工现场使用，能够实现在位测量。导轨长度需长于被测内外径长度。

3、装有改进角隅棱镜4，改进五角棱镜5，CCD探测器7和四象限光电接收器8的测量车6由电机驱动沿导轨移动。测量车上的主动轮与导轨摩擦推动测量车运动。首先测量车快速移动，当通过测量位置时，测量车立即反向慢速移动重新逼近测量位置。到达测量瞄准位置时立即停车并锁定位置。可以通过遥控方式实现自动瞄准测量。

4、磁性定位块9上的平面镜10和角隅棱镜11的表面垂直于定位块的底面。定位块吸附于工件12上。为保证磁性块吸附牢固，将其底面加工成凹形。吸到工件上时，靠两条平行的棱线与工件接触。棱线间距为S。当两磁性块的底面相互平行时，两磁性块上四条与工件接触的棱线在测量截面内构成一个矩形，其对角线就是被测直径。

5、测量控制，光电信号与数据处理计算机单元1。计算机控制测量车移动、变速、反向、微动、对准判别等测量全过程，采集测量数据，进行误差补偿计算，打印测量结果。

图2为本实施例的磁性定位块结构示意图，图中，将磁性表座9的底面加工成凹型，凹形槽的两条棱线需互相平行，棱线间隔为S。上部安装有旋转镜座和锁紧机构13，镜座可带动平面镜、角隅棱镜作360度回转。平面镜的反射面与磁力表座底面垂直。

本实施例安装于测量车上的CCD探测器的测量数据可对五角棱镜位移引入的瞄准误差进行补偿，其原理如图3、4所示。

本实施例CCD探测器7与五角棱镜5距离为1.5d(d为五角棱镜入射窗孔径)，测量车6和五角棱镜在垂直测量基线方向平移和旋转使CCD探测到的光点位置变化量，与出射光的位移量有换算关系：δl₁＝δh₁

设在起始测量位置，准直光经工件上角隅棱镜11反射回来后，入射到测量车6上四象限光电探测器8中心。此时角隅棱镜入射光和出射光的距离为b₀。

五角棱镜5向下移动δh时，从五角棱镜出射的光线将向左偏移δ1，角隅棱镜入射光和出射光的距离为b₁(虚线表示)则有：

δl＝δh光线经工件上角隅棱镜反射后，根据角隅棱镜入射光和出射光的点对称性质，又向右偏移δl。

b₁-b₀＝2δl即五角棱镜横移δl，造成角隅棱镜入射光和出射光的距离变化2δl。所以，如果测量车带动五角棱镜横移δb，相应会引起角隅棱镜入射光和出射光的距离变化2δb。欲使光线还瞄准四象限光电探测器，需移动测量车(光电探测器随着同时移动)，使角隅棱镜入射光和出射光距离为b₂，变化量为δl，即：

2δb＝δl

δb = \frac{δl}{2}

则有：

δb = \frac{δh}{2}

可见，测量车移动量是CCD所探测到瞄准光线变化量的二分之一。

本实施例所述系统安装调整步骤如下：

1、将导轨方向调整为与所测工件的母线(或轴线)成垂直，并支撑牢固。

2、将激光自准直仪固定在导轨一端。先打开机箱前面板上的总电源开关，然后再打开瞄准测距仪上激光器开关，调整瞄准测距仪。打开其盖板，调整五维调节架使输出光强最大，即光纤耦合效率最高。并使光斑圆整。

3、将测量车安装在导轨上，将带孔瞄准靶盖装到测量车入射窗上，打开机箱后面板上的电机电源开关，按机箱(或遥控器)上的粗箭头键，前后移动测量车，调整准直光和导轨平行，并且使光束在远近两测量位置能瞄准靶盖中心。调整方法是：

①准直光和导轨水平方向的夹角及位移，通过准直仪两侧三个止推螺杆进行调节；

②准直光和导轨在铅垂面内的夹角，通过导轨另一端三角架的升降机构来调节；

③铅垂面内的平移，由制造保证，必要时加垫片微调。

4、取下测量车上的瞄准靶盖，进一步调整准直光(和导轨)使其与被测工件轴线垂直。调整方法是：

①锁紧方箱侧面的三个螺钉，使准直仪能随同导轨在水平面内转动。

②关闭测量车电机电源(在机箱后)，推动测量车使激光束与工件一侧相切。通过转动测量车上的五角棱镜部件，使激光束瞄准工件上的一条回转轮廓线。将五角棱镜部件锁紧。

③推动测量车使激光束与工件另一侧相切。调整三角架上的横向微调机构，使准直仪与导轨在水平面内同步转动，观察激光束在工件上的瞄准位置。

重复此项操作，直到激光束在工件两侧能瞄准同一条回转轮廓线。

④拧紧方箱2与底座间的以及三角架上的紧固螺钉，松开方箱2侧面的三个螺钉(中间的螺钉起限位作用)。

5、用自准直法安装磁性定位块。

①把瞄准测距仪中析光镜移入光路，将磁性定位块吸于工件两侧，其底面两条棱线与工件轴线平行。

②推动测量车，使激光束瞄准磁性块上的平面镜。调整磁性块和平面镜，使激光束沿原光路返回，瞄准测距仪和遥控器中发出蜂鸣声。

③移动测量车，激光束瞄准磁性块上的角隅棱镜，沿工件轴线方向平移磁性块，使反射光瞄准测量车上的四象限光电池。

6、打开测量车电机电源，用电箱面板键盘或遥控器控制测量车在全量程内前后移动，调整双频激光干涉仪出射光方向(远点调角度，近点调位移)，使光强指示处于绿区。

系统安装完毕可通过测量控制、光电信号与数据处理计算机单元对系统进行遥控测量控制，其步骤如图5所示。按下测量车启动键测量开始。粗动电机驱动测量车开始向测量点运动。测量车到达测量点时，光电信号超过阈值。测量车慢速反向到达测量点，粗动停车。判断是否瞄准，如果瞄准了，计算机开始测量计算L值和H值，并打印测量结果。如果没瞄准且未继续按键，则开始CCD测量程序，光电探测能量到达阈值，微动开始。如果没有限位，微动调整直到瞄准，并开始测量计算L值和H值。如果有限位则粗动退回一段，检查是否瞄准，继续微动调整程序直到瞄准为止。

Claims

1、一种大型工件内外径激光瞄准测量系统，包括导轨、测量车及驱动机构，放置在被测件直径两端的二块底面为凹性的定位块，所说的测量车上装有定位，瞄准用的角隅棱镜、五角棱镜和光电接收器，其特征在于还包括固定在所说的导轨一端头的激光瞄准测距仪；所说的测量车还包括准直接收该激光瞄准测距仪发出的准直激光束的光电探测器；所说的角隅棱镜与五角棱镜均为半透半返的角隅棱镜、五角棱镜；所说的五角棱镜、光电接收器、光电探测器均安装在一测量平台上；所说的定位块上装有反射面与定位块底面垂直的平面反射镜和接收；所说的角隅棱镜的人射光并返回所说的光电接收器的第二块角隅棱镜；还包括对测量车电机进行控制，对光电接收器及光电探测器接收的数据进行处理的计算机自动控制及数据处理单元。

2、如权利要求1所述的测量系统，其特征在于所说的测量车驱动机构包括驱动测量车在导轨上往返移动的粗动电机及对所说测量平台微调的微动电机。

3、如权利要求1所述的测量系统，所说的五角棱镜为1.5d，d为五角棱镜入射面孔径。

4、如权利要求1所述的测量系统，所说的测量平台装于一个可使测量平台作180度旋转的旋转轴架中，所说的磁性定位块上的角隅棱镜与平面反射镜安装在一可旋转的镜座上。

5、如权利要求1所述的测量系统，所说的导轨为轻型金属材料制成。

6、如权利要求1所述的测量系统，所说的激光瞄准测距仪为双频激光干涉仪。

7、一种用于权利要求1所述系统的测量方法，其特征在于包括：系统调整与工件测量两部分，所说系统调整由以下步骤所组成：

(2)调整激光瞄准测距仪发出的准直光和导轨平行，并使光束在远近两测量位置均能瞄准测量车上的靶盖中心；

(3)进一步调整瞄准测距仪和导轨，使准直光与被测工件轴线垂直；

(4)用自准直法安装磁性定位块于被测工件直径两端；

所说工件测量由以下步骤组成：

(6)记录此位置的探测器测量的测量车相对测量基准线的偏移量H_A，光电接收器测量的光束对准微偏移量L_A，及测距仪对此点的读数X_A。

(7)再按第(5)步的方法测量另一点，得到H_B、L_B和X_B。

(8)求得所测直径D为：

D = \sqrt{{((H_{B} + L_{B} + X_{B}) - (H_{A} + L_{A} + X_{A}) - C)}^{2} + S^{2}}

式中c为定位块底部槽宽，S为定位块常数。