专利名称：激光衍射测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属激光测量仪，特别涉及一种测量形位误差的非接触激光衍射测量仪。
依据形位公差国家标准(GB1958-80)，对于形状误差和位置误差的检测设备，大体分为两类一类为精密量仪，如圆度仪、三坐标测量机、准直望远镜、自准直仪、水平仪等；另一类为带指示器(如千分表)的测量架，配以直角座、V形块、等高V形架(块)、顶尖、定位块、固定支承、可调支承等在平板上进行测量。上述的各种量仪，其测量精度高，但某些量仪价格昂贵，一般单位不具备条件购买。而指示器配以各种装备所进行的测量，尽管价格低，易实现，但测量精度较低，不适于高精度测量。除少数仪器外，多数量仪及千分表等测量属于接触测量，存在测量力引起测量误差，影响测量精度。
本实用新型的目的在于克服以上技术不足，提供一种测量精度高、误差小的激光衍射测量仪。
本实用新型的任务在于，激光衍射测量仪在底座右部的激光器立柱的托盘内水平安装激光发生器，“”型棱缘支架的支架开有狭长通光孔，上端锁块内安装的棱缘与支承件上的被测工件之间形成狭缝，在底座的左部安装激光接收光屏背部框架安装容栅式数显卡尺。接收光屏和棱缘及被测工件之间底座的支架上安装可调负透镜，激光束通过负透镜中心射向接收光屏。
激光衍射测量仪在底座上方亦可垂直安装激光发生器，在支承件支承的被测工件下部安装平面反射镜，激光反射通过负透镜中心射向接收光屏。
激光衍射测量仪利用激光亮度高，方向性好，单色性好及相干性好等特点，采用非接触测量和间接测量方法，根据夫琅和费单缝隙衍射原理，可以测量直线度误差，跳动误差等多项形位误差，也可测量长、宽、高尺寸、细丝直径及外锥角等；利用圆孔衍射原理，可以测量微小孔径等。
根据夫琅和费单缝衍射原理，当激光通过由棱缘与棱缘或棱缘与被测件表面间形成狭缝，在光路通道的接收光屏上显示明暗相间的衍射条纹，间距D与狭缝宽度b、激光波长λ、狭缝与光屏间的距离L的关系为D＝Lλ/b。放大后的衍射条纹间距为D＝KλL/b，式中，K为负透镜放大倍数。测出衍射条纹间距D，计算狭缝宽度b。
用接收光屏背部安装的容栅式数显卡尺测量衍射条纹间距D，为了便于瞄准，在读数窗后安装的暗盒内置发光二极管，发出的光通过宽度可调的狭缝射向光屏，将此光线置于暗条纹或亮条纹的中心后按下卡尺的指零按钮，再移动副尺，瞄准后读到n个条纹间距的数值，计算衍射条纹的平均间距D。
对微小孔径，通过测量衍射中心亮斑的直径D，用R＝kλL3/D计算出孔径，式中，L3为负透镜至接收光屏间的距离，R为被测小孔的半径。
激光衍射测量仪在暗盒中置放二象限硅光电池连接差动放大器和电流表，将硅光电池接收的光强转化为电流，经差动放大器处理后放大，电流表显示出被测狭缝宽度相对初始宽度的变化量，得到测量结果。
激光衍射测量仪特点如下1、当激光衍射测量仪的激光光束水平发射时，可测量多项形位误差，长、宽、高尺寸、细丝直径及轴径等。
2、当激光衍射测量仪的激光光束垂直发射，用45°平面反射镜反射成水平光束，可测量微小孔径及易变形件内外径等。
3、该仪器在光路中安装负透镜可显著减小仪器长度尺寸、降低仪器制造误差影响、放大衍射条纹间距、提高仪器测量精度。负透镜的放大倍数K可在其安装前后，用测得的衍射条纹平均间距的比直得到。
4、激光衍射测量属非接触测量，无测量力影响；被测参数值越小、狭缝宽度越小，其测量精度越高。
5、激光衍射测量仪可用光电接收、电表显示，测量参数广，自动显示测量数值，测量精度高。
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示激光衍射测量仪水平光路结构图。
图2示图1的A向光屏测量结构视图。
图3示图1的B向负透镜结构视图。
图4示图1的C向激光器托盘结构视图。
图5示激光衍射测量仪反射光路结构图。
图6示激光衍射测量仪光电显示光路结构图。
图7示图6的D向电流表、差动放大器结构视图。
图8示图5反射光路支承件结构图。
图9示光电接收、电表显示电路原理图。
图1～8中，1、底座；1-1激光器立柱底座；1-2棱缘支架及负透镜底座；2、激光器立柱；2-1、2-2手轮、丝杆；2-3、2-4手轮、丝杆；2-5激光发生器；2-5-1外壳；2-5-2激光器；2-5-3激光电源；2-6激光器立柱；2-7手轮；2-8丝杆；2-9托盘；2-10滑块；2-11调节螺钉；3、棱缘立柱；3-1支架；3-2调节螺钉；3-3微调手轮、丝杆；3-4可转位滑块座；3-5棱缘；3-6锁块；3-7滑块；4、负透镜立柱；4-1、 4-2手轮、丝杆；4-3负透镜支架；4-4负透镜；4-5滑块；5、光屏测量架；5-1接收光屏；5-2框架；5-3滑座；5-4滑块；5-5容栅数显卡尺；5-6暗盒；5-7二极管；5-8锁紧螺丝；5-9二象限硅光电池；5-10差动放大器；5-11电流表；6、支承件；6-1V形块；6-2顶尖座；6-2-1顶尖座；6-2-2顶尖；6-2-3拉板；6-2-4压紧螺丝；6-2-5锁紧螺母6-2-6锁紧螺杆；6-2-7锁紧块；6-3测量平台；6-3-1棱缘；6-3-2激光束定位板；6-3-3平台；6-3-4挡块；6-3-5 45°平面反射镜；6-3-6调整块参照附图1-5，激光衍射测量仪底座1右部的激光器立柱2-6的托盘2-9内水平安装激光发生器2-5，“”型棱缘支架3的支架3-1开有狭长通光孔，上端锁块3-6内安装的棱缘3-5与支承件6-1上的被测工件之间形成狭缝，在底座1的左部安装激光接收光屏5-1，背部安装容栅式数显卡尺5-5，接收光屏5-1和棱缘3-5及被测工件之间的支架4-3上安装可调负透镜4-4，激光束通过负透镜4-4中心射向接收光屏5-1。
参照附图6、7，在光屏框架5-2背部容栅式数显卡尺5-5两端连接滑块5-4在滑座5-3的滑槽中移动，暗盒5-6内置放二象限硅光电池5-9连接差动放大器5-10和电流表5-11。
激光衍射测量仪底座1垂直安装激光发生器2-5，支承件V形块6-1支承的被测工件下部安装45°平面反射镜6-3-5，激光反射通过负透镜4-4中心射向接收光屏5-1。
激光衍射测量仪底座1安装的激光器立柱2-6横向、纵向可调，激光发生器2-5安装在托盘2-9内固定在滑块2-10上由螺钉2-11调节，棱缘支架3-1、负透镜支架4-3及光屏框架5-2在底座1的滑槽中横向移动。
激光衍射测量仪支架3上部锁块3-6内安装位置、方向可调的棱缘3-5。锁块3-6与滑块3-7相接安装在滑块座3-4的滑槽中，滑块座3-4安装在支架3-1上部的卡孔中。
激光衍射测量仪光屏框架5-2背部的容栅式数显卡尺5-5两端连接滑块5-4在滑座5-3的滑槽中移动，暗盒5-6内置发光二极管5-7，背衬接收光屏5-1。
激光衍射测量仪光屏框架5-2背部容栅式数显卡尺5-5两端连接滑块5-4在滑座5-3的滑槽中移动，暗盒5-6内置二象限硅光电池5-9连接差动放大器5-10和显示电流表5-11。
参照附图9，激光衍射测量仪采用光电接收，电表显示形位误差时，激光束穿过支架3-1的狭长孔，棱缘3-5与被测工件表面形成的狭缝和负透镜4-4中心后射向接收光屏5-1，暗盒5-6中的二象限硅光电池5-9两边接收光强转变电信号，经差动放大器IC311、12脚运算放大，从IC36脚输出模拟电信号驱动电流表A显示被测狭缝宽度对初始狭缝宽度的变化量。
实施例1测量轴的母线直线度误差将被测轴放在支承件V形块6-1的V形槽中，以轴的一端作为第一个测量点。转动手轮、丝杆2-1，2-2，2-5，2-4，移动激光发生器2-5，激光通过棱缘支架3-1的狭长通孔并与第一个测量点处的圆柱面相切，移动负透镜支架4-3和负透镜4-4，使激光束通过负透镜4-4的中心，调整棱缘3-5，使其与第一个测点处的圆柱面成一狭缝b0，在接收光屏5-1上可以看到清晰的明暗相间的衍射条纹，若发现上、下条纹间距不等时，可拧动螺钉移动棱缘，使其刃口与测量点最高母线对齐。移动容栅式数显卡尺5-5，将由发光二极管发出并经过宽度可调的狭缝射出的光线移到暗盒5-6内的某一级暗条纹的中间，完成第一次瞄准后，按下读数窗处的置零按钮，再将光线移到下几个暗条纹的中间，完成第二次瞄准，从读数窗上即可得到几个衍射条纹间距的数值。求出该测点处衍射条纹的平均间距D后，利用式D＝KλL/b，计算出该点处的狭缝宽度b0，然后，靠放在附件6-1旁的钢板尺，等距离的依次将支承件V形块6-1和被测工件，移到以下各测点，按上述测量方法依次测出各点处的条纹间距，用上述方法计算出各点处的狭缝宽度bi。表1为激光衍射测量仪和千分表对比测量值及数据处理。表1
注bi＝kλL/DI中λ＝0.0006328mm，k＝1.689，L＝500mm.
用表中的bi-b0(i＝0，1，2，……11)之差作图并用最小包容区域法确定该母线的直线度误差为2.31um。用千分表对同一母线的直线度误差进行对比测量，直线度误差为3.6um。两种方法的测量极限误差依次为±0.5um和±1.55um，可见，激光衍射测量仪的测量精度明显高于千分表的测量精度。
实施例2测量跳动误差激光衍射测量仪的底座1-2-2槽中安装顶尖座6-2-1，被测件安装在锥度心轴上，顶尖6-2-2顶紧。然后，调整激光发生器2-5发出的激光束，与被测件圆柱面相切并通过负透镜4-4的中心，调整过程同实施例1。
测量径向跳动误差，激光束通过在任一位置时棱缘3-5与被测圆柱面形成的狭缝，转动被测工件，观察衍射条纹移动方向的变化显示缝宽最大、最小的两个测量点，分别测出这两点处的衍射条纹间距，计算出该测量平面内的径向圆跳动误差。本实施例用该仪器测量了三个截面，用跳动检查仪对同一测量平面进行了对比测量，测量值及数据处理见表2。表2
激光衍射测量仪的测量结果为7.4um，跳动检查仪的测量结果为6.5um。
激光衍射测量仪的测量极限误差为±0.54um，小于跳动检查仪上用千分表测量的极限误差±1.414um.
测量端面圆跳动误差时，将棱缘3-5转90°，测斜向圆跳动误差时，将棱缘3-5旋转成与圆锥面母线垂直，旋转接收光屏5-1。上述两个测量方法与测量径向圆跳动误差方法相同。
激光衍射测量仪采用光电接收，电表显示测量跳动误差时，被测工件用顶尖6-2-2顶紧，棱缘3-5与被测圆柱面形成狭缝，转动工件，找出最小缝宽点，以此点处狭缝为初始缝宽。激光束水平通过狭缝和负透镜4-4射向接收光屏5-1，硅光电池5-9的中心，对准某一级亮条纹或暗条纹中心，硅光电池5-9两边光强相等，产生相等的电流，经差动放大器5-10运算，电流表5-11指示为零。继续转动工件，在缝宽最大的测点因条纹间距变化使硅光电池5-9两边光强不等，产生不等的电流，经差动放大器放大后，电流表5-11指针偏离零位，由电流表5-11直接读出被测狭缝对初始狭缝的变化量，即跳动误差。
实施例3测量微小孔径参照附图5，激光衍射测量仪垂直安装激光发生器2-5，在底座1横向滑槽1-2-1中安装的测量平台6-3-3上放置被测件，下部安装45°平面反射镜6-3-5，移动激光器立柱2-6，使激光束垂直通过激光束定位板6-3-2上的定位孔和被测工件小孔产生衍射，衍射光束经45°平面反射镜6-3-5反射，按上述方法移动负透镜4-4使衍射光束通过负透镜4-4中心，接收光屏5-1显示被负透镜4-4放大后的衍射图象。用容栅数显卡尺5-5测出中心亮斑直径D，用R＝KλL3/D计算出被测微孔半径R。式中L3为负透镜与接收光屏间的距离。
本实施例用激光衍射测量仪和万能工具显微镜测量同一小孔孔径，测值见表3，经计算激光器测孔径0.1256mm，万能工具显微镜测孔径0.1255mm，测量结果相近。经计算，激光衍射测量仪的测量极限误差0.25um，可见测量精度是很高的。表3
激光衍射测量仪使用激光源采用非接触测量、相对测量或间接测量，实现对尺寸、形位误差和表面粗糙度的测量，测量线值、角度值、微小孔径等参数，测量精度高、增益高、性能稳定测量方法科学、准确。
权利要求1.一种激光衍射测量仪，其特征在于在底座1右部的激光器立柱2-6的托盘2-9内水平安装激光发生器2-5，“”型棱缘支架3的支架3-1开有狭长通光孔，上端锁块3-6内安装的棱缘3-5与支承件6-1上的被测工件之间形成狭缝，在底座1的左部安装激光接收光屏5-1，背部安装容栅式数显卡尺5-5，接收光屏5-1和棱缘3-5及被测工件之间的支架4-3上安装可调负透镜4-4，激光束通过负透镜4-4中心射向接收光屏5-1。
2.根据权利要求1所述的激光衍射测量仪，其特征在于底座1垂直安装激光发生器2-5，支承件V形块6-1支承的被测工件下部安装45°平面反射镜6-3-5，激光反射通过负透镜4-4中心射向接收光屏5-1。
3.根据权利要求1或2所述的激光衍射测量仪，其特征在于底座1安装的激光器立柱2-6横向、纵向可调，激光发生器2-5安装在托盘2-9内固定在滑块2-10上由螺钉2-11调节，棱缘支架3-1、负透镜支架4-3及光屏框架5-2在底座1的滑槽中横向移动。
4.根据权利要求1所述的激光衍射测量仪，其特征在于支架3上部锁块3-6内安装位置、方向可调的棱缘3-5。锁块3-6与滑块3-7相接安装在滑块座3-4的滑槽中，滑块座3-4安装在支架3-1上部的卡孔中。
5.根据权利要求1所述的激光衍射测量仪，其特征在于光屏框架5-2背部的容栅式数显卡尺5-5两端连接滑块5-4在滑座5-3的滑槽中移动，暗盒5-6内置发光二极管5-7，背衬接收光屏5-1。
6.根据权利要求1所述的激光衍射测量仪，其特征在于光屏框架5-2背部容栅式数显卡尺5-5两端连接滑块5-4在滑座5-3的滑槽中移动，暗盒5-6内置二象限硅光电池5-9连接差动放大器5-10和显示电流表5-11。
专利摘要本实用新型公开一种激光衍射测量仪技术,在底座1右部的激光器立柱2—6的托盘2—9内安装激光发生器2—5,“┐”型棱缘支架3的支架3—1开有通光孔,上端锁块3—6内安装棱缘3—5,左部安装激光接收光屏5—1的背部安装数显卡尺5—5,接收光屏5—1和棱缘3—5及被测工件之间安装负透镜4—4,激光束水平发射或折射光源,采用非接触、相对或间接测量,实现对尺寸、形位误差和表面粗糙度、线值、角度值、微小孔径等参数测量,测量精度高、测量方法科学、准确。
文档编号G01B9/02GK2465176SQ01211689
公开日2001年12月12日 申请日期2001年2月17日 优先权日2001年2月17日
发明者马和 申请人:马和