專利名稱：激光高精度測量大型工件內外徑裝置及方法
技術領域：
本發明屬于激光精密測量技術領域，特別涉及對大型工件內外徑測量方法及裝置。
大型工件內外徑的高精度測量是大中型企業許多重大技術裝備制造中普遍提出又急需要解決的共性技術測量問題，也是國內外都未能很好解決的測量難題。
目前測量大型工件內外徑的方法基本有如下幾類1、傳統的機械方法或一些間接測量方法，如大型千分尺、π尺、弓高法。這些方法的測量精度很低，只能測量7、8級精度的零件，對于許多精度要求高的零件尺寸處于無法檢查的狀態;2、對大型工件內外徑的加工精度是靠定期檢查機床的精度來保證，因此大型工件的尺寸精度取決于機床本身的精度;3、采用激光測量技術。一種已有技術的激光測徑裝置和方法如
圖1所示。激光器(1)發出的激光光束經由分別固定在兩個機械臂(2)、(2′)之中的兩組直角鏡(3)、(3′)、五角鏡(4)、(4′)后形成一對平行的測量光束A、B，由直流飼服馬達(5)通過環形鋼絲(6)帶動兩機械臂移動，逐漸靠近待測工件(7)，直到每束光線50%的能量被工件擋住時，就認為瞄準了工件，兩測量光束之間的距離即為工件的直徑，通過磁柵尺G直接測量出此距離就可測量出被測件直徑大小，該方法的測量范圍為20mm-280mm，測量精度為±10μm，此方法的主要缺點在于由于結構上存在兩個機械臂，測量范圍受到限制，現場測量極不方便，激光漂移和五角棱鏡的制造誤差使其測量精度較低。
本發明之目的是改進上述激光測量方法及裝置。克服其不足之處，提出一種新的激光測量方法及裝置，使其具有提高測量精度，擴大測量范圍和測量功能，同時簡化測量裝置并能實現現場在位測量等優點。
本發明提出一種激光高精度測量大型工件內外徑裝置，該裝置由激光器，瞄準、定位單元，由測長器和導軌構成的測長單元等部分構成，其特征在于還包括;所說的瞄準、定位單元由單個測量頭、兩個磁性定位塊及與之相連的光電接受器所組成;所說的測量頭由一塊鍍有半透半反膜的五角棱鏡和與之固定在一起的光電接收器所組成，該測量頭由所說導軌支撐并可在其上往返運動;所說的兩個磁性定位塊分別吸附在待測工件直徑兩側，所說的激光準直、自準直單元由單模光纖及在光纖兩端分別裝有光纖耦合器、光纖出射頭及固定在出射頭上的光接收靶構成。
本發明的測量方法簡述如下由激光器出射的光線經耦合器進入單模光纖并由光纖出射頭射出，該光線經單個測量頭中的五角棱鏡后分為兩部分，一部分直接射向與五角棱鏡固定在一起的光電接受器，以用于調節測量頭的位置，使測量頭在測量過程中相對于準直光線的位置保持不變，從而使得導軌的精度和位置對測量結果無影響;另一部分光線經該五角棱鏡反射后與入射光線成90度角，測量頭沿導軌運動使該反射光線依次射向第一個和第二個磁性定位塊上的光電接收器，分別調整兩個磁性定位塊在工件上的位置使入射到定位塊的光線與其反射光線重合，以保證兩定位塊處于正確的測量位置，入射光線與其反射光線的重合是通過激光自準直單元中的光接收靶來加以保證的。當上述調整工作完成后，就可開始測量，測量時測量頭先瞄準第一個磁性定位塊上的光電接收器，測長單元開始測量，測量頭沿導軌移動直到瞄準第二個磁性定位塊上的光電接收器，該測長單元停止測量，即可得到兩光電接收器之間的距離，由于被測工件邊緣與光電接收器的距離一定，則可精確得到被測工件直徑尺寸。
本發明提出的上述測量方案中，測量頭與準直光線的調節、測量頭在導軌上的移動、準直光對光電接收器的瞄準等可采用人工調整方式，也可采用自動化方式，即配備步進電機及計算機控制。
本發明的優點在于其一，采用激光準直及自準直儀部件，實現對測量點瞄準和定位兩種功能，單模光纖準直方法減少了激光漂移的影響，提高了瞄準精度;其二，用磁性定位塊對大型工件內外徑測量點的定位，代替了機械長臂定位，大大增加了直徑的測量范圍，擴大了測量功能，能同時測量內徑、外徑、長度等，且對被測件的測量位置無特殊要求;其三，采用單個五角棱鏡測頭依次瞄準兩測量點，使得五角棱鏡的制造誤差只產生二次測量誤差(兩個五角棱鏡同時瞄準兩測量點則兩個五角棱鏡的制造的不一致性誤差則產生一次測量誤差)，大大提高了瞄準定位精度和測量精度;其四，在測量頭中采用了補償方法，不僅使得導軌的精度和位置對測量結果無影響，而且還大大減少了激光角漂對測量精度的影響;其五，用光線瞄準光電接收器代替直接瞄準工件邊緣，提高了瞄準的靈敏度，減少了工件表面質量對瞄準的影響。
附圖簡要說明
圖1為已有技術的激光測量裝置示意2為本發明的一種實施例裝置示意圖本發明提供一種激光高精度測量大型工件內外徑裝置的實施例，其總體結構示意圖如圖2所示，整個測量裝置由激光器(1)、單模光纖激光準直及自準直單元(8)、定位、瞄準單元(9)、激光測長單元(10)及計算機自動控制及數據處理單元(11)等部分所組成。單模光纖激光準直及自準直單元包括光纖耦合器(12)，單模光纖(13)，其一端與光纖耦合器相連，接收激光器發出的光束，另一端連有光纖出射頭(14)，出射頭固定在一個五維調節架上，該出射頭端面固定一光接收靶(15);瞄準、定位單元由一個測量頭(16)、兩個磁性定位塊(18)、(18′)及固定在其上的四象限光電池(19)、(19′)所組成，測量頭通過計算機自動控制單元由步進電機(圖中略)帶動在導軌上往返運動，從而對兩個四象限光電池進行自動瞄準，測量頭(16)由固定在一起并可進行微調位置的一塊帶有補償鏡(20)的五角棱鏡(21)和一個四象限光電池(22)組成，激光光束的一部分通過五角棱鏡和補償鏡射入四象限光電池，計算機自動控制單元通過步進電機帶動微調機構自動調節測量頭的位置，使其在測量過程中相對于準直光線的位置保持不變，另一部分光線經五角棱鏡反射后與入射光線成90度角射向吸附在被測工件直徑兩側的磁性定位塊上的四象限光電池，調整兩個磁性定位塊在工件(7)上的位置使入射到四象限上的光線和由其上反射回來重合，此時反射光線落在光纖出射頭上的光接收靶的靶中心。激光測長單元(10)由雙頻激光器，直線滾動導軌(17)、角耦棱鏡(23)等部分構成，調整雙頻激光器，使其出射光線與準直光線重合或平行，這樣測量方向就和被測直徑的方向一致并垂直于兩瞄準方向。測量頭依次瞄準兩個磁性定位塊上的四象限光電池中心，雙頻激光測長系統準確測量出兩個四象限光電池中心之間的距離，計算機通過計算可直接得到被測工件直徑D。
當調整兩磁性定位塊使之位于正確的測量位置時，就可進行自動測量，自動測量時，計算機通過步進電機控制測量頭處于正確的測量位置，然后使測量頭出射的光線自動瞄準第一個四象限光電池，并測量出光線相對于四象限光電池中心的偏離值，此時激光測長單元開始測量直至步進電機帶動測量頭移動到瞄準第二個四象限光電池中心時停止，同樣測量出光線相對于四象限中心的偏離值，通過數據處理自動計算出被測直徑數值，雙頻激光測長技術及計算機自動控制及數據處理均采用已有成熟技術，在此不做詳細描述。
本裝置測量的相對精度優于5×10，視具體測量方式其相對測量精度為2×10～5×10;測量范圍500毫米-5米。
本發明還可有不同的實施方案，例如，1、采用用其它光電器件(如CCD、PSD等)代替四象限光電池可能得到同樣的效果。2、用反射鏡安放在磁性定位塊上，直接瞄準工件邊緣，同樣能達到較好的效果，但測量范圍、應用范圍受到一定限制，測量精度有所降低。3、用其它測長手段(如光柵、磁柵、感應同步器等)，配以本發明的定位和瞄準技術能在一定范圍內達到一定的效果，但其測量范圍較小，測量精度降低。4、采用人工調整和測量同樣能實現高精度測量，只是測量效率降低。5、用其它激光準直儀或直接用激光器代替單模光纖激光準直儀也可能得到較好的效果，但精度會有所降低。
權利要求
1.一種激光測量大型工件內外徑裝置，由激光器，瞄準、定位單元，由測長器和導軌構成的測長單元等部分構成，其特征在于還包括激光準直、自準直單元，所說的瞄準、定位單元由單個測量頭、兩個磁性定位塊及與之相連的光電接收器所組成；所說的測量頭由一塊鍍有半透半反膜的五角棱鏡和與之固定在一起的光電接收器所組成，該測量頭由所說導軌支撐并可在其上往返運動；所說的兩個磁性定位塊分別吸附在待測工件直徑兩側。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所手的激光準直、自準直單元由單模光纖及在光纖兩端分別裝有光纖耦合器、光纖出射頭及固定在出射頭上的光接收靶構成;所說的光電接收器采用四象限光電池;所說的磁性定位塊為槽形;所說的五角棱鏡上帶有補償鏡;所說的測長器采用雙頻激光測長儀。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所說的磁性定位塊上的光電接收器用反射鏡代替。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于還包括計算機自動控制及數據處理單元，所說的測量頭、導軌均裝配有步進電機，自動控制單元控制步進電機實現對測量頭位置的調整、測量頭對磁性定位塊上四象限光電池中心的瞄準以及測量頭在導軌上的往返運動。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所說的導軌采用直線滾動導軌。
6.一種如權利要求1所述裝置的測量方法，其特征在于包括如下步驟由激光準直、自準直單元出射的光線經單個測量頭中的五角棱鏡后分為兩部分，一部分直接射向與五角棱鏡固定在一起的光電接受器，以用于調節測量頭的位置，使測量頭在測量過程中相對于準直光線的位置保持不變，從而使得導軌的精度和位置對測量結果無影響;另一部分光線經該五角棱鏡反射后與入射光線成90度角，測量頭沿導軌運動使該反射光線依次射向第一個和第二個磁性定位塊上的光電接收器，分別調整兩個磁性定位塊在工件上的位置使入射到定位塊的光線與其反射光線重合，以保證兩定位塊處于正確的測量位置，入射光線與其反射光線的重合是通過激光自準直單元中的光接收靶來加以保證的。當上述調整工作完成后，就可開始測量，測量頭先瞄準第一個磁性定位塊上的光電接收器，測長單元開始測量，測量頭沿導軌移動直到瞄準第二個磁性定位塊上的光電接收器，該測長單元停止測量，即可得到兩光電接收器之間的距離，再計算出被測工件直徑尺寸。
全文摘要
本發明涉及大型工件內外徑測量方法及裝置。其裝置包括激光器；由激光測長器和導軌構成的測長單元；由單模光纖及其分別固定在其兩端的光纖耦合器、帶有光接收靶的光纖出射頭構成的激光準直、自準直單元；由一塊鍍有半透半反膜的五角棱鏡和與之固定在一起的光電接收器構成的測量頭；該測量頭由導軌支撐并與吸附在被測工件直徑兩側的磁性定位塊和固定在其上的光電接收器組成的瞄準、定位單元等部分。本發明對大型工件內外徑及長度可實時測量，精度高，測量范圍大。
文檔編號G01B11/08GK1079047SQ92103740
公開日1993年12月1日 申請日期1992年5月21日 優先權日1992年5月21日
發明者馮其波, 梁晉文, 田芊 申請人:清華大學