专利名称：激光高精度测量大型工件内外径装置及方法
技术领域：
本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及对大型工件内外径测量方法及装置。
大型工件内外径的高精度测量是大中型企业许多重大技术装备制造中普遍提出又急需要解决的共性技术测量问题，也是国内外都未能很好解决的测量难题。
目前测量大型工件内外径的方法基本有如下几类1、传统的机械方法或一些间接测量方法，如大型千分尺、π尺、弓高法。这些方法的测量精度很低，只能测量7、8级精度的零件，对于许多精度要求高的零件尺寸处于无法检查的状态;2、对大型工件内外径的加工精度是靠定期检查机床的精度来保证，因此大型工件的尺寸精度取决于机床本身的精度;3、采用激光测量技术。一种已有技术的激光测径装置和方法如
图1所示。激光器(1)发出的激光光束经由分别固定在两个机械臂(2)、(2′)之中的两组直角镜(3)、(3′)、五角镜(4)、(4′)后形成一对平行的测量光束A、B，由直流饲服马达(5)通过环形钢丝(6)带动两机械臂移动，逐渐靠近待测工件(7)，直到每束光线50%的能量被工件挡住时，就认为瞄准了工件，两测量光束之间的距离即为工件的直径，通过磁栅尺G直接测量出此距离就可测量出被测件直径大小，该方法的测量范围为20mm-280mm，测量精度为±10μm，此方法的主要缺点在于由于结构上存在两个机械臂，测量范围受到限制，现场测量极不方便，激光漂移和五角棱镜的制造误差使其测量精度较低。
本发明之目的是改进上述激光测量方法及装置。克服其不足之处，提出一种新的激光测量方法及装置，使其具有提高测量精度，扩大测量范围和测量功能，同时简化测量装置并能实现现场在位测量等优点。
本发明提出一种激光高精度测量大型工件内外径装置，该装置由激光器，瞄准、定位单元，由测长器和导轨构成的测长单元等部分构成，其特征在于还包括;所说的瞄准、定位单元由单个测量头、两个磁性定位块及与之相连的光电接受器所组成;所说的测量头由一块镀有半透半反膜的五角棱镜和与之固定在一起的光电接收器所组成，该测量头由所说导轨支撑并可在其上往返运动;所说的两个磁性定位块分别吸附在待测工件直径两侧，所说的激光准直、自准直单元由单模光纤及在光纤两端分别装有光纤耦合器、光纤出射头及固定在出射头上的光接收靶构成。
本发明的测量方法简述如下由激光器出射的光线经耦合器进入单模光纤并由光纤出射头射出，该光线经单个测量头中的五角棱镜后分为两部分，一部分直接射向与五角棱镜固定在一起的光电接受器，以用于调节测量头的位置，使测量头在测量过程中相对于准直光线的位置保持不变，从而使得导轨的精度和位置对测量结果无影响;另一部分光线经该五角棱镜反射后与入射光线成90度角，测量头沿导轨运动使该反射光线依次射向第一个和第二个磁性定位块上的光电接收器，分别调整两个磁性定位块在工件上的位置使入射到定位块的光线与其反射光线重合，以保证两定位块处于正确的测量位置，入射光线与其反射光线的重合是通过激光自准直单元中的光接收靶来加以保证的。当上述调整工作完成后，就可开始测量，测量时测量头先瞄准第一个磁性定位块上的光电接收器，测长单元开始测量，测量头沿导轨移动直到瞄准第二个磁性定位块上的光电接收器，该测长单元停止测量，即可得到两光电接收器之间的距离，由于被测工件边缘与光电接收器的距离一定，则可精确得到被测工件直径尺寸。
本发明提出的上述测量方案中，测量头与准直光线的调节、测量头在导轨上的移动、准直光对光电接收器的瞄准等可采用人工调整方式，也可采用自动化方式，即配备步进电机及计算机控制。
本发明的优点在于其一，采用激光准直及自准直仪部件，实现对测量点瞄准和定位两种功能，单模光纤准直方法减少了激光漂移的影响，提高了瞄准精度;其二，用磁性定位块对大型工件内外径测量点的定位，代替了机械长臂定位，大大增加了直径的测量范围，扩大了测量功能，能同时测量内径、外径、长度等，且对被测件的测量位置无特殊要求;其三，采用单个五角棱镜测头依次瞄准两测量点，使得五角棱镜的制造误差只产生二次测量误差(两个五角棱镜同时瞄准两测量点则两个五角棱镜的制造的不一致性误差则产生一次测量误差)，大大提高了瞄准定位精度和测量精度;其四，在测量头中采用了补偿方法，不仅使得导轨的精度和位置对测量结果无影响，而且还大大减少了激光角漂对测量精度的影响;其五，用光线瞄准光电接收器代替直接瞄准工件边缘，提高了瞄准的灵敏度，减少了工件表面质量对瞄准的影响。
附图简要说明
图1为已有技术的激光测量装置示意2为本发明的一种实施例装置示意图本发明提供一种激光高精度测量大型工件内外径装置的实施例，其总体结构示意图如图2所示，整个测量装置由激光器(1)、单模光纤激光准直及自准直单元(8)、定位、瞄准单元(9)、激光测长单元(10)及计算机自动控制及数据处理单元(11)等部分所组成。单模光纤激光准直及自准直单元包括光纤耦合器(12)，单模光纤(13)，其一端与光纤耦合器相连，接收激光器发出的光束，另一端连有光纤出射头(14)，出射头固定在一个五维调节架上，该出射头端面固定一光接收靶(15);瞄准、定位单元由一个测量头(16)、两个磁性定位块(18)、(18′)及固定在其上的四象限光电池(19)、(19′)所组成，测量头通过计算机自动控制单元由步进电机(图中略)带动在导轨上往返运动，从而对两个四象限光电池进行自动瞄准，测量头(16)由固定在一起并可进行微调位置的一块带有补偿镜(20)的五角棱镜(21)和一个四象限光电池(22)组成，激光光束的一部分通过五角棱镜和补偿镜射入四象限光电池，计算机自动控制单元通过步进电机带动微调机构自动调节测量头的位置，使其在测量过程中相对于准直光线的位置保持不变，另一部分光线经五角棱镜反射后与入射光线成90度角射向吸附在被测工件直径两侧的磁性定位块上的四象限光电池，调整两个磁性定位块在工件(7)上的位置使入射到四象限上的光线和由其上反射回来重合，此时反射光线落在光纤出射头上的光接收靶的靶中心。激光测长单元(10)由双频激光器，直线滚动导轨(17)、角耦棱镜(23)等部分构成，调整双频激光器，使其出射光线与准直光线重合或平行，这样测量方向就和被测直径的方向一致并垂直于两瞄准方向。测量头依次瞄准两个磁性定位块上的四象限光电池中心，双频激光测长系统准确测量出两个四象限光电池中心之间的距离，计算机通过计算可直接得到被测工件直径D。
当调整两磁性定位块使之位于正确的测量位置时，就可进行自动测量，自动测量时，计算机通过步进电机控制测量头处于正确的测量位置，然后使测量头出射的光线自动瞄准第一个四象限光电池，并测量出光线相对于四象限光电池中心的偏离值，此时激光测长单元开始测量直至步进电机带动测量头移动到瞄准第二个四象限光电池中心时停止，同样测量出光线相对于四象限中心的偏离值，通过数据处理自动计算出被测直径数值，双频激光测长技术及计算机自动控制及数据处理均采用已有成熟技术，在此不做详细描述。
本装置测量的相对精度优于5×10，视具体测量方式其相对测量精度为2×10～5×10;测量范围500毫米-5米。
本发明还可有不同的实施方案，例如，1、采用用其它光电器件(如CCD、PSD等)代替四象限光电池可能得到同样的效果。2、用反射镜安放在磁性定位块上，直接瞄准工件边缘，同样能达到较好的效果，但测量范围、应用范围受到一定限制，测量精度有所降低。3、用其它测长手段(如光栅、磁栅、感应同步器等)，配以本发明的定位和瞄准技术能在一定范围内达到一定的效果，但其测量范围较小，测量精度降低。4、采用人工调整和测量同样能实现高精度测量，只是测量效率降低。5、用其它激光准直仪或直接用激光器代替单模光纤激光准直仪也可能得到较好的效果，但精度会有所降低。
权利要求
1.一种激光测量大型工件内外径装置，由激光器，瞄准、定位单元，由测长器和导轨构成的测长单元等部分构成，其特征在于还包括激光准直、自准直单元，所说的瞄准、定位单元由单个测量头、两个磁性定位块及与之相连的光电接收器所组成；所说的测量头由一块镀有半透半反膜的五角棱镜和与之固定在一起的光电接收器所组成，该测量头由所说导轨支撑并可在其上往返运动；所说的两个磁性定位块分别吸附在待测工件直径两侧。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所手的激光准直、自准直单元由单模光纤及在光纤两端分别装有光纤耦合器、光纤出射头及固定在出射头上的光接收靶构成;所说的光电接收器采用四象限光电池;所说的磁性定位块为槽形;所说的五角棱镜上带有补偿镜;所说的测长器采用双频激光测长仪。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所说的磁性定位块上的光电接收器用反射镜代替。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括计算机自动控制及数据处理单元，所说的测量头、导轨均装配有步进电机，自动控制单元控制步进电机实现对测量头位置的调整、测量头对磁性定位块上四象限光电池中心的瞄准以及测量头在导轨上的往返运动。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所说的导轨采用直线滚动导轨。
6.一种如权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤由激光准直、自准直单元出射的光线经单个测量头中的五角棱镜后分为两部分，一部分直接射向与五角棱镜固定在一起的光电接受器，以用于调节测量头的位置，使测量头在测量过程中相对于准直光线的位置保持不变，从而使得导轨的精度和位置对测量结果无影响;另一部分光线经该五角棱镜反射后与入射光线成90度角，测量头沿导轨运动使该反射光线依次射向第一个和第二个磁性定位块上的光电接收器，分别调整两个磁性定位块在工件上的位置使入射到定位块的光线与其反射光线重合，以保证两定位块处于正确的测量位置，入射光线与其反射光线的重合是通过激光自准直单元中的光接收靶来加以保证的。当上述调整工作完成后，就可开始测量，测量头先瞄准第一个磁性定位块上的光电接收器，测长单元开始测量，测量头沿导轨移动直到瞄准第二个磁性定位块上的光电接收器，该测长单元停止测量，即可得到两光电接收器之间的距离，再计算出被测工件直径尺寸。
全文摘要
本发明涉及大型工件内外径测量方法及装置。其装置包括激光器；由激光测长器和导轨构成的测长单元；由单模光纤及其分别固定在其两端的光纤耦合器、带有光接收靶的光纤出射头构成的激光准直、自准直单元；由一块镀有半透半反膜的五角棱镜和与之固定在一起的光电接收器构成的测量头；该测量头由导轨支撑并与吸附在被测工件直径两侧的磁性定位块和固定在其上的光电接收器组成的瞄准、定位单元等部分。本发明对大型工件内外径及长度可实时测量，精度高，测量范围大。
文档编号G01B11/08GK1079047SQ92103740
公开日1993年12月1日 申请日期1992年5月21日 优先权日1992年5月21日
发明者冯其波, 梁晋文, 田芊 申请人:清华大学