CN109365567A - 一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法，包括旋转组件、激光器、扩束镜、被测件、CCD和上位机；所述的激光器和扩束镜设置在被测件一侧，激光器发射的激光通过扩束镜入射到被测件的拉丝模孔中；所述的CCD设置在被测件另一侧，透过拉丝模孔的激光束照射在CCD上，CCD采集衍射图样并发送到上位机进行图像处理；旋转组件与被测件连接以驱动被测件转动。本发明一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法，该装置结构简单，成本低，能够满足国内大部分的拉丝模孔型的测量。

Description

一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于金属件加工技术领域，特别涉及一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法。

背景技术

金属压力加工中，在外力作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的工具称为拉丝模。拉丝模从结构上可以分为4部分，即入口区、压缩区、定径区、出口区等部分组成，如图1所示，拉丝模具的孔型结构对提高生产效率、拉丝速度和延长模具使用寿命都有着极为重要的作用。

目前，金属制品行业采用接触式方法测量拉丝模的孔型参数，常用的方法有专用标尺测量法、光学投影法、探针测量法以及显微镜观察法等，由于接触式测量方法误差大、测量过程复杂，一些测量方法带有经验性，并且会对生产过程产生影响。因此，接触式测量方法受到很大的限制，尤其对小孔径的模具参数测量，接触式测量的探针无法进入孔径内部，更谈不上测量了，所以按此原理开发的测量仪器，已无法满足目前金属加工行业对模具测量提出的要求。

目前国内关于拉丝模孔型测量和分析的研究也比较少，主要有天津大学的冯正鸣等采用CCD扫描法进行拉丝模孔径测量，但是该方法只能对拉丝模的孔径进行测量，不能测量拉丝模定径区的深度，另外测量的范围是Φ2～10mm，不能测量微小孔径的参数；天津大学的林力等采用PSD方法进行孔径测量，由于测量精度为1mm，明显不能满足拉丝模孔径测量的精度要求。由陈清利等人设计的发明专利“拉丝模测径拉丝机(ZL93205444.7)”、胡志坚等人的专利“拉丝模具定径高度测微器(ZL98240131.0)”、王卫东等人的专利“拉丝模内孔孔型测量装置(ZL200520125077.8)”以及北京世纪南望科技发展有限公司的专利“拉丝模内径动态检测装置(ZL201120549997.8)”都只能进行接触式测量。陕西科技大学杨萍、张玉杰等开发的“拉丝模孔型测量仪”，已在咸阳石油钢管钢绳厂得到应用，但随着新的高速拉丝机的使用和新的产品的开发，该测量仪无法对小口径拉丝模的测量，并且测量精度也不能满足工艺过程的需要。

国外，挪威“CONOPTLCA”公司、德国“SCOB”公司和西班牙“ESTEVES”公司等都提出了利用光学测量拉丝模孔径的方法，测量范围广，测量精度高，但价格非常昂贵，如“CONOPTLCA”公司的孔型仪CU-10，3个镜头配齐将近人民币50万，给国内的起来带来不小的经济压力。

综合上述分析，研究和设计新型的拉丝模孔型测量仪已经势在必行。

发明内容

为解决上诉问题，本发明提供了一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置及测量方法，该装置结构简单，成本低，能够满足国内大部分的拉丝模孔型的测量。

本发明采取以下的技术内容：

一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，包括旋转组件、激光器、扩束镜、被测件、CCD和上位机；所述的激光器和扩束镜设置在被测件一侧，激光器发射的激光通过扩束镜入射到被测件的拉丝模孔中；所述的CCD设置在被测件另一侧，透过拉丝模孔的激光束照射在CCD上，CCD采集衍射图样并发送到上位机进行图像处理；旋转组件与被测件连接以驱动被测件转动。

所述的旋转组件包括滚珠丝杠、主控制器和步进电机，主控制器电连接步进电机，步进电机与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与被测件连接。

所述的主控制器与上位机连接。

所述的主控制器还连接有用于显示拉丝模的内部曲线图和相关参数值的LCD。

所述的激光器为He-Ne激光器。

采用所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)上位机根据CCD采集衍射图样，得到仿真衍射图样和能量分布图；则接收屏上P点衍射条纹的光强分布为：

J₁(x)为一阶贝塞尔函数，x可以用衍射角θ及圆孔半径a表示：

第一级暗环对应的衍射角为中央光斑的直径为D，P点的位置由衍射角θ来确定，若屏上P点离中心O的距离为r，即D＝2r＝2fsinθ，圆孔半径a，λ是激光波长，则中央光斑的直径D为：

由上式得到D，再求得圆孔的半径a，进而计算出拉丝模定径区的直径L；

步骤2)旋转组件不断旋转拉丝模，使激光束倾斜入射到拉丝模的定径区，得到定径区的仿真衍射图样和能量分布图；能量分布图中的极值点的取值就是tanθ，根据即可求出定径区的纵深N；

从而计算出模具孔型结构和各部参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明测试装置通过简单的旋转组件、激光器、扩束镜、被测件、CCD和上位机实现了拉丝模内孔参数的测量，通过激光入射模具入口，在出射端产生远场衍射图案，并通过旋转模具动态测量衍射图案的变化，可以通过光学衍射理论计算出模具孔型结构和各部参数，实现小孔径的模具的测量，把这种测量方法叫做激光旋转测量法。由于孔径比较小，衍射效果明显，可以很方便的测量所需要的参数，并且可以同时测量孔的圆度、表面平整度、各区的同轴性等参数。该装置结构简单，成本低，能够满足国内大部分的拉丝模孔型的测量。

本发明的测试方法通过仿真衍射图样和能量分布图采集数据，通过圆孔衍射的工作原理进行计算，先计算测得直径D，就可以求得圆孔的半径a，进而计算出拉丝模定径区的直径L，再求出定径区的纵深N，从而计算出模具孔型结构和各部参数。该方法通过采集仿真衍射图样和能量分布图采集数据，既可以通过计算机程序直接计算得到模具孔型结构和各部参数，过程简单，测试准确性高。

附图说明

图1拉丝模的轴向剖面图；

图2衍射装置示意图；

图3激光平行入射定径区的衍射示意图；

图4激光平行入射模具时的衍射图样；

图5平行光能量分布图；

图6激光和定径区第一次相交时的衍射示意图；

图7激光和定径区第一次相交时的衍射图样；

图8激光和定径区第一次相交时的能量分布图。

其中，1为工作台，2为激光器，3为扩束镜，4为被测件，5为CCD，6为上位机，7为滚珠丝杠，8为主控制器，9为步进电机，10为LCD。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，本发明一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，包括工作台1、激光器2、扩束镜3、被测件4、CCD 5、上位机6、滚珠丝杠7、主控制器8、步进电机9和LCD10。激光器2、扩束镜3、被测件4、CCD相机5均设置在工作台1上，激光器2发射的激光通过扩束镜3入射到被测件4拉丝模孔。CCD 5设置在被测件4另一侧，用于采集衍射图样，通过USB接口送到上位机进行图像处理。

滚珠丝杠7、主控制器8、步进电机9和LCD10组成旋转组件，用于调整被测件4的位置，使得动态测量衍射图案的变化。主控制器8分别连接LCD10和步进电机9，LCD10作为下位机的显示部分，显示拉丝模的内部曲线图和相关参数值。

步进电机9接收主控制器8的驱动信号进行转动，进而驱动滚珠丝杠7运动，滚珠丝杠7带动被测件4转动以调整不同的方向。

根据拉丝模的孔型特点，本发明提出了利用激光衍射进行模具参数精确测量的方法，原理为通过激光入射模具入口，在出射端产生远场衍射图案，并通过旋转模具动态测量衍射图案的变化，可以通过光学衍射理论计算出模具孔型结构和各部参数，实现小孔径的模具的测量，把这种测量方法叫做激光旋转测量法。由于孔径比较小，衍射效果明显，可以很方便的测量所需要的参数，并且可以同时测量孔的圆度、表面平整度、各区的同轴性等参数。

搭建激光衍射装置如图2所示。测量装置选用He-Ne激光器，通过扩束镜再入射到拉丝模孔。扩束镜的功能是降低激光束的发散角，进而使激光器聚焦光斑更小。在CCD上采集衍射图样，通过USB接口送到上位机进行图像处理，从而计算出拉丝模的孔型参数。

衍射算法仿真过程如下：

圆孔的衍射如图3所示。其中的接收屏就是CCD。根据圆孔衍射的工作原理可知，当平面光通过一足够小的圆孔时，会发生夫琅禾费衍射现象，其仿真衍射图样如图4所示，能量分布图如图5所示。

接收屏上P点衍射条纹的光强分布为：

J₁(x)为一阶贝塞尔函数，x可以用衍射角θ及圆孔半径a表示：

第一级暗环对应的衍射角为中央光斑的直径为D，P点的位置由衍射角θ来确定，若屏上P点离中心O的距离为r(r≈f sinθ)，即D＝2r＝2fsinθ，圆孔半径a，λ是激光波长，则中央光斑的直径D为：

所以只要测得直径D，就可以求得圆孔的半径a，进而计算出拉丝模定径区的直径L。

根据激光旋转测量法，不断旋转拉丝模，使激光束倾斜入射到拉丝模的定径区，如图6所示，其仿真衍射图样如图7所示，能量分布图如图8所示。

根据衍射原理分析可得，图7中能量分布图中的极值点的取值就是tanθ，根据即可求出定径区的纵深N。

由此，拉丝模的各部分参数均能够被计算得到。

采用本发明的应用前景及经济效益分析：

目前，全国记录在册的规模以上的企业共有670多家拉丝模生产企业或公司，而需要使用拉丝模生产的拉丝企业共有8000家以上。现在这些企业需要的设备主要依靠于进口，各种拉丝生产厂(例如钢丝绳、漆包线等)，模具需要经常维修，也不能离开此孔型测量装置。从国外进口的相类似的设备一般价格为80万元以上，而自行研发的拉丝模孔型测量与分析系统推向市场之后，产品成本在1万8千元以内，预计售价为5万元以上。按年销售300台计算，以每套系统按照15％的利润计算，直接利润至少在千万元以上。如果考虑系统的升级换代，收入和利润极为可观。

尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，其特征在于，包括旋转组件、激光器(2)、扩束镜(3)、CCD(5)和上位机(6)；所述的激光器(2)和扩束镜(3)设置在被测件(4)一侧，激光器(2)发射的激光通过扩束镜(3)入射到被测件(4)的拉丝模孔中；所述的CCD(5)设置在被测件(4)另一侧，透过拉丝模孔的激光束照射在CCD(5)上，CCD(5)采集衍射图样并发送到上位机(6)进行图像处理；旋转组件与被测件(4)连接以驱动被测件(4)转动。

2.根据权利要求1所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，其特征在于，所述的旋转组件包括滚珠丝杠(7)、主控制器(8)和步进电机(9)，主控制器(8)电连接步进电机(9)，步进电机(9)与滚珠丝杠(7)连接，滚珠丝杠(7)与被测件(4)连接。

3.根据权利要求2所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，其特征在于，所述的主控制器(8)与上位机(6)连接。

4.根据权利要求2所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，其特征在于，所述的主控制器(8)还连接有用于显示拉丝模的内部曲线图和相关参数值的LCD(10)。

5.根据权利要求1所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置，其特征在于，所述的激光器(2)为He-Ne激光器。

6.采用权利要求1至5任意一项所述的基于激光衍射的拉丝模内孔参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)上位机(6)根据CCD(5)采集衍射图样，得到仿真衍射图样和能量分布图；则接收屏上P点衍射条纹的光强分布为：

J₁(x)为一阶贝塞尔函数，x用衍射角θ及圆孔半径a表示：

第一级暗环对应的衍射角为中央光斑的直径为D，P点的位置由衍射角θ来确定，若屏上P点离中心O的距离为r，即D＝2r＝2fsinθ，圆孔半径a，λ是激光波长，则中央光斑的直径D为：

由上式(3)得到D，再求得圆孔的半径a，进而计算出拉丝模定径区的直径L；

步骤2)旋转组件不断旋转拉丝模，使激光束倾斜入射到拉丝模的定径区，得到定径区的仿真衍射图样和能量分布图；能量分布图中的极值点的取值就是tanθ，根据即求出定径区的纵深N；

从而计算出模具孔型结构和各部参数。