內(nèi)徑測量原理及理論基礎

對內(nèi)徑尺寸的測量，國內(nèi)目前測量的方法多以接觸式測量為主。但接觸式測量由于測量工具磨損、人為因素等原因造成測量誤差較大，不能滿足快速、精確的內(nèi)徑尺寸檢測要求。本文采用光三角測量原理，結(jié)合半導體激光準直技術、現(xiàn)代傳感技術、伺服控制技術和計算機技術，研制了一種非接觸式內(nèi)徑尺寸光電測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了內(nèi)徑尺寸的無損、高精度測量。

內(nèi)徑測量原理及理論基礎
應用光探針掃描被測件內(nèi)徑是單光三角測量原理實現(xiàn)非接觸測量的基礎[1-6]。單光三角方案測量原理框圖如圖1所示。圖中，1為半導體激光器；2為發(fā)射光學系統(tǒng)；3為光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；4為反射分光棱鏡；5為接收成像光學系統(tǒng)；6為光電位置傳感器；7為信號處理系統(tǒng)；8為穩(wěn)功率激光電源。
系統(tǒng)測量的位置尺寸[1-4]

式中 α為接收成像光學系統(tǒng)5光軸和理論基準面的法線夾角；φ為接收成像光學系統(tǒng)5光軸與光電位置傳感器6的夾角；L和分別為接收成像光學系統(tǒng)5的物距和像距；s為被測點在光電位置傳感器6上成像的像點位置。設單光三角光探頭掃描測量系統(tǒng)的位置系統(tǒng)常數(shù)為L′oA[1-4]，則被測表面與光探頭回轉(zhuǎn)中心的長度ρ=A+H

測量內(nèi)徑時，光探頭應旋轉(zhuǎn)一周，每隔一定的角度θi(1,2,3,i=L)測量出一個ρi值，由這組數(shù)據(jù)可以得到內(nèi)徑最大、最小和平均值。

圖1 激光單光三角內(nèi)徑測量原理
實際測量中，光探針回轉(zhuǎn)中心與被測內(nèi)孔實際中心不可能重合，為了消除光探針的幾何中心位置偏離內(nèi)孔中心對測量結(jié)果帶來的誤差，可以在同一截面內(nèi)使光探針回轉(zhuǎn)360°，等間隔測量多點，通過建立數(shù)學模型加以消除。為此以光探針回轉(zhuǎn)中心為原點，建立如圖2所示的測量數(shù)學模型。角度的測量采用絕對光電編碼器，并取編碼器的絕對零位對準所建坐標系x軸的正向，起始角度θ0可由光電編碼器測出，而此時ρ0由光探針測出。測量點P0的坐標為：

在進給伺服系統(tǒng)的帶動下，用同樣的方法可測量其他截面的直徑。

一種內(nèi)徑尺寸光電非接觸測量方法