CN1884965A - 圆度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆度测量系统及方法，该测量系统包括：一激光光源系统、一转动装置及一感测系统，其中该转动装置设置于激光光源系统与感测系统之间，该转动装置上可安装一需要进行圆度测量的工件，激光光源系统可发射一激光光束，且工件的轴线与激光光束相互垂直。该圆度测量方法包括以下步骤：提供一种所述圆度测量系统及一被测工件；接着将被测工件装于转动装置上；开启激光光源系统，使其对被测工件发射激光光束；使转动装置带动被测工件转动；紧接开启感测系统，感测系统感测激光光强度信号，并测出被测工件的圆度。利用激光进行精确与快速测量，可大大提高测量精度和效率。

Description

圆度测量系统及方法

【技术领域】

本发明是关于一种测量系统及方法，特别是关于一种圆度测量系统及方法。

【背景技术】

随着3C产品小型化、轻型化的发展趋势，在制造3C产品时，对于精密模具、精密加工技术的要求急速提升，然而在主轴高速运转时，常因主轴本身轴承的摩擦或偏心，影响轴对称工件的圆度公差。

圆度公差系一种科学评定零件表面质量的公差，现有技术中，传统圆度的测量有两种方法，一种是用旋转式圆度仪测量，另一种是用V形块测量。旋转式圆度仪要求一个高精度值基准轴系作为基准，制造成本很高，因此，旋转式圆度仪价格昂贵，同时对被测工件的限制较多，许多对圆度公差有较高要求的零件，如大、长轴，不能于转轴式圆度仪上测量。现有技术中的V形块测量法，通常测头设置于V形块的夹角平分线上，然后通过测头的最大、最少读数差来估计零件的圆度误差。然而，此种测量方法存在较大的测量误差。

此外，还有一种圆度测量方法是利用接触式探针进行测量，但接触式探针会与待测工件相接触产生摩擦，使工件表面会因摩擦而导致受损，此外，某些材质较软的工件无法以接触式探针测量。

【发明内容】

鉴于以上内容，有必要提供一种测量准确、适用于精密测量的圆度测量系统及方法。

一种圆度测量系统，用以对一待测工件圆度进行测量，该测量系统包括：一激光光源系统、一转动装置及一感测系统，其中该激光光源系统可发射一激光光束，该转动装置用以安装该待测工件，且工件的轴线与激光光束相互垂直，该转动装置设置于激光光源系统与感测系统之间。

一种圆度测量方法，用以对一待测工件圆度进行测量，该方法主要包括以下步骤：提供一种圆度测量系统，该测量系统包括一激光光源系统、一转动装置及一感测系统，该转动装置设置于激光光源系统与感测系统之间；将被测工件装于转动装置上；开启激光光源系统，使其对被测工件发射激光光束，且工件的轴线与激光光束相互垂直；使转动装置带动被测工件转动；开启感测系统，感测系统感测激光光强度信号，并测出被测工件的圆度。

相对现有技术，本发明圆度测量系统与方法中，工件始终不接触测量系统，可避免使工件表面会因摩擦而导致受损，另外，利用激光进行精确与快速的测量，因此大大提高测量精度和效率。

【附图说明】

图1是本发圆度测量系统示意图；

图2是本发圆度测量系统的激光光源系统示意图；

图3是圆度扫描示意图；

图4是高斯激光光束的场分布特性图；

图5(A)图是高斯光束的光强度分布曲线图；

图5(B)图是高斯光束的光强度积分区域示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1及图2，本发明较佳实施例的圆度测量系统10，该圆度测量系统10包括：一激光光源系统101、一转动装置(图未示)及一感测系统102。激光光源系统101由激光光源1011与若干透镜1022构成，其可发射一平行的激光光束103。该转动装置设置于激光光源系统101与感测系统102之间，该转动装置上可安装一需要进行圆度测量的工件104，且工件104的轴线与激光光束103相互垂直。感测系统102包括一传感器1021、一信息处理模块(图未示)及一显示界面(图未示)，信息处理模块内建立有一光强度信号与圆度转化关系的数据库，传感器1021感测的光强度信号可经信息处理模块处理后选择性地显示于显示界面上。

测量被测工件104的圆度时，将被测工件104装于转动装置上；开启激光光源系统101，使其对被测工件104发射激光光束103；使转动装置带动被测工件104以其轴心线为转轴沿顺时针或者逆时针转动；紧接开启感测系统102，感测系统102感测激光光强度信号，并测出被测工件104的圆度。

请参图3至图5，所述圆度测量方法是应用激光刀缘法原理，以下就本圆度测量方法的实现原理进行详细说明。当激光以基本的横向电磁模态震荡，则产生的光束强度为高斯空间分布形态，这样的激光光束103称为高斯光束，其电场分布，如图3所示，若以数学模型来表示，则可写成：

$E(r,z)=E_0\frac{W_0}{W\left(z\right)}\×\exp (-\frac{r^2}{W^2\left(z\right)})---\left(a\right)$

$\×\exp \{-j[\mathrm{kz}-\tan \left(\frac{z}{z_R}\right)\left]\right\}---\left(b\right)$

$\×\exp [-\mathrm{jk}\frac{r^2}{2R\left(z\right)}]---\left(c\right)$

上式等号后第一项(a)为一振幅因子(Amplitude factor)，其表示振幅r值而改变的关系；而第二项(b)为光波沿轴向(longitudinal)z的相位变化关系；第三项(c)则为表示光波沿径向(Radial)r的相位变化关系。

其中，r＝(x²+y²)^0.5，W₀为束腰半径(Beam waist radius)，E₀为束腰处的电场强度，λ为波长，j为虚数符号。在束腰处的平面上，光波波前(Wave front)的曲率半径R(0)→∞，为一平面且光束的直径最小。W(z)和R(z)分别为距束腰半径(Beam waist)距离为z的平面上的光点半径(Spot size或Beamsize)及其波前的曲率半径，且波数 $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ 若把原点(z＝0)设于腰部则：

$W\left(z\right)=W_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{W_0}^2}\right)}^2]}^{1/2}=W_0{[1+{\left(\frac{z}{z_R}\right)}^2]}^{1/2}---(\mathrm{Eq}-2)$

$R\left(z\right)=[1+{\left(\frac{\mathrm{\π}{W_0}^2}{\mathrm{\λz}}\right)}^2]=z[1+{\left(\frac{Z_R}{Z}\right)}^2]---(\mathrm{Eq}-3)$

上式中， $Z_R=\frac{\mathrm{\π}{W_0}^2}{\mathrm{\λ}}$ 定义为雷利范围(Rayleigh range)，束腰(Waist)处距离为Z_R(Z＝Z_R)的平面上，其光点面积正好为束腰面积(Waist area)的两倍[W(z_R)＝W₀]，且其波曲率半径R为最小。

当光束传播距离z＞＞Z_R时，R≈z， $W\≈\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{W}_0},$ 高斯光束近似一位于腰部的点光源发出的光，其法发散角(Divergence angle)可近似为：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{dW}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=\frac{W_0}{Z_R}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{W}_0}---(\mathrm{Eq}-4)$

由此可见W₀及λ决定了高斯光束的所有性质。

由于光波的电场变化甚快，故于检测上皆以光强度的方式处理。而通常检测系统系检测到光的强度分布而不是振幅，因此由(Eq-1)式和其公轭复数相乘而得光的强度分布，以直角坐标表的如下：

I＝E·E^*

$=I_0\exp \left\{\frac{-2[{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}{W^2}\right\}---(\mathrm{Eq}-5)$

其中x₀，y₀是光束的中心；I₀＝I_max为光束中心点的光强度；W为光束截面半径(spot size或beam size)，是高斯光束的半径，定义成：光强度I₀自中心点向两边降至I₀的e^-2(约为0.1353倍)时，两点间跨越距离的一半。

请同时参阅图1与图4，假定扫描的方向是x轴，则未被待测圆度工件104遮末的部分激光光束103，经由传感器1021所接受的光强度信号为：

$S\left(x_a\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{x_a}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y)\mathrm{dxdy}$

$=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{x_a}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_0\exp \left\{\frac{-2[{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2]}{W^2}\right\}\mathrm{dxdy}---(\mathrm{Eq}-6)$

$=I_0{\left(\frac{\mathrm{\π}{W}^2}{2}\right)}^{\frac{1}{2}}\underset{x_a}{\overset{\∞}{\∫}}\exp \left\{\frac{-2{(x-x_0)}^2}{W^2}\right\}\mathrm{dx}$

其中x_a为工件边缘于x坐标轴所在位置。

由上式(Eq-6)可得到整个激光光束区域的光强度分布曲线如图5(A)所示。今考虑两个位置的相应差值，也即x_k与x_k+Δ_x所对应的光强度信号差为：

$S_A\left(x_k\right)-S_B(x_k+{\mathrm{\Δ}}_x)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{x_k-{\mathrm{\Δ}}_x}^{x_k}I(x,y)\mathrm{dxdy}---(\mathrm{Eq}-7)$

上式(Eq-7)乃的结果相当于图5(B)中类似狭缝区域部分的光强度作积分。

若将S(x_a)除上激光总能量引起的信号S(∞)；即全部激光光束103未被遮断(x_a→-∞)的总能量信号，则可将S(x_a)做正规化处理，得一无因次量光强度信号，抵抗因环境挠动造成量测信号的变化为：

$\stackrel{\‾}{S}\left(x_a\right)=\frac{S\left(x_a\right)}{S(\∞)}={\left(\frac{2}{{\mathrm{\π\ω}}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}{\∫}_{x_a}^{\∞}\exp \left[\frac{-2(x-x_0)}{\mathrm{\ω}}\right]\mathrm{dx}---(\mathrm{Eq}-8)$

通过以上数学模型，可将传感器1021所感测光强度信号换算出所测工件的圆度，从而建立一光强度信号与圆度相对应的数据库，这样可方便圆度测量。

Claims (10)

1.一种圆度测量系统，用以对一待测工件圆度进行测量，其特征在于：该测量系统包括一激光光源系统、一转动装置及一感测系统，其中该激光光源系统可发射一激光光束，该转动装置设置于激光光源系统与感测系统之间，用以安装该待测工件，且工件的轴线与激光光束相互垂直。

2.如权利要求1所述的圆度测量系统，其特征在于：该激光光束为高斯光束。

3.如权利要求1所述的圆度测量系统，其特征在于：该激光光束为平行光束。

4.如权利要求1所述的圆度测量系统，其特征在于：该激光光源系统由激光光源与若干透镜构成。

5.如权利要求1所述的圆度测量系统，其特征在于：该感测系统包括一传感器、一信息处理模块及一显示界面，传感器所感测的光强度信号可经信息处理模块处理后显示于显示界面上。

6.一种圆度测量方法，用以对一待测工件圆度进行测量，其特征在于包括以下步骤：

提供一种圆度测量系统，该测量系统包括一激光光源系统、一转动装置及一感测系统，该转动装置设置于激光光源系统与感测系统之间；

将被测工件装于转动装置上；

开启激光光源系统，使其对被测工件发射激光光束，且工件的轴线与激光光束相互垂直；

使转动装置带动被测工件转动；

开启感测系统，感测系统感测激光光强度信号，并测出被测工件的圆度。

7.如权利要求6所述的圆度测量方法，其特征在于：该激光光束为高斯光束。

8.如权利要求6所述的圆度测量方法，其特征在于：该激光光束为平行光束。

9.如权利要求6所述的圆度测量方法，其特征在于：该激光光源系统由激光光源与若干透镜构成。

10.如权利要求6所述的圆度测量方法，其特征在于：该感测系统包括一传感器、一信息处理模块及一显示界面，传感器所感测的光强度信号可经信息处理模块处理后显示于显示界面上。

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