CN2120322U - 激光高精度测量大直径装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及大直径测量装置。其装置包括
激光器；由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，该测量头由所说导轨支撑
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。
本实用新型对大型工件直径及长度可实现实时测量，
精度高，测量范围大。
Description
本实用新型属于激光精密测量技术领域，特别涉及对大型工件直径测量装置。
大型工件直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。
目前测量大直径的装置基本有如下几类：1、传统的机械装置，如大型千分尺、π尺等。这些装置的测量精度很低，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、对大型工件直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、采用激光测量技术的装置。一种已有技术的激光测径装置如图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，直到每束光线50％的能量被工件（7）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，该装置的测量范围为20mm－280mm，测量精度为±10μm，此装置的主要缺点在于：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。
本实用新型之目的是改进上述激光测量装置。克服其不足之处，提出一种新的激光测量装置，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。
本实用新型提出一种激光高精度测量大直径装置，该装置包括激光器，瞄准、定位单元、由测长器和导轨构成的测长单元，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、可调工作台、两个分别吸附在待测工件直径两侧的磁性定位块及固定在其上的光电接受器构成；所说的测量头由一块镀有半透半反膜层的五角棱镜和与之固定在一起的光电接收器所组成，该测量头安装在可调工作台上，可调工作台放置在所说导轨的滑块上；所说的激光准直、自准直单元由显微物镜、单模光纤及其光纤调节架、望远物镜、光纤出射头及其调节架、固定在该出射头上端面的光接收靶构成；所说的单模光纤的一端与所说的显微物镜相连并一同固定在该光纤调节架上用来接收激光光束，另一端与所说的望远物镜相连并一同固定在该光纤出射头上用来发射光束。
本实用新型的测量方法简述如下：由激光器出射的光线经显微物镜耦合进入单模光纤，调节光纤调节架使该光纤与该激光器发出的光处于最佳耦合状态，光线经过望远镜后平行出射，出射头又固定在其调节架上，用来调整出射光线的方向，该光线经单个测量头中的五角棱镜后分为两部分，一部分透射光直接射向与五角棱镜固定在一起的光电接受器，用于调节该测量头的位置，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；另一部分反射光线经该五角棱镜反射后与入射光线成90度角；测量头固定在一个两维可调工作台上，该两维工作台通过人工调节或步进电机控制可沿与该导轨的方向和与导轨方向垂直的方向微调，两维工作台又固定在导轨的滑块上，整个测量头及与之相连的两维工作台和导轨滑块由马达通过齿形带带动可在导轨上往返运动；测量头沿导轨运动依次瞄准第一个和第二个磁块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和其反射光线重合来保证两定位块位于正确的测量位置，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另一个磁性定位块上的光电接收器，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。
本实用新型提出的上述测量装置中，测量头与准直光线的调节、测量头在导轨上的移动、准直光线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，即配备步进马达及计算机控制。
本实用新型的优点在于：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图
图2为本发明的一种实施例装置示意图
图3单模光纤激光准直、自准直单元结构示意图
图4测量头的结构示意图
本实用新型提供一种激光高精度测量大直径装置的实施例，其总体结构示意图如图2～图4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）、由双频激光干涉仪（10）和直线滚动导轨（21）构成的测长单元，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、自准直单元的结构示意图如图3所示，它包括显微物镜（12）、光纤调节架（13）、单模光纤（14）、望远物镜（15）、光纤出射头（16）、四维调节架（17）及固定在出射头上的光接收靶（18）构成，激光器（1）发出的光线经显微物镜（12）耦合后进入单模光纤（14）的一端，调节光纤调节架（13）使光纤与激光器发出的光处于最佳耦合状态，光纤的另一端与望远物镜（15）相联，并固定在光纤出射头（16）上，光线经过望远镜后平行出射，出射头又固定在四维调节（17）架上，用来调整出射光线的方向；瞄准、定位单元的结构示意图如图2所示，它包括单个测量头（19）、一个两维精密微调工作台（20），两个槽形磁性定位块（22）、（22′）及与之相连的四象限光电池（23）、（23′）；测量头的结构示意图如图4所示，它由一五角棱镜（24）和与胶合在一起并镀有半透半反膜的补偿镜（25）和一个四象限光电池（26）组成，三者通过一底座（27）连接在一块，测量头固定在两维工作台上，两维工作台可沿导轨方向微动来实现测量头对四象限光电池中心的精确瞄准，两维工作台还可沿与导轨方向垂直的方向微动来实现测量头位置的调节，从而保证测量头在测量过程中相对于准直光线的位置保持不变，两维工作台固定在导轨的滑块（30）上，由步进马达（28）通过齿形带（29）带动可在导轨上往返运动，从而对两个四象限光电池进行瞄准；激光光束的一部分通过五角棱镜和补偿镜直接射入四象限光电池（26），通过微调两维工作台调节测量头的位置，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上的位置使入射到四象限光电池上的光线和由其上反射回来重合，即此时反射光线落在光纤出射头上的光接收靶的靶中心。调整双频激光器，使得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***测量出两个四象限光电池中心之间的距离，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处于正确的测量位置时，就可进行自动测量，计算机先通过步进电机控制测量头处于正确的测量位置，然后自动瞄准一个四象限光电池中心，并测量出光线相对于四象限光电池中心的偏离值，此时双频激光开始测量直至步进电机带动测量头移动到瞄准另一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光电池中心的偏离值，通过数据处理自动算出直径数值，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5×10－6，测量范围为500毫米－5米。
本实用新型还可有不同的实施方案，例如，1、采用其它光电器件（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、用其它需导轨测长手段（如光栅、磁栅、感应同步器等），配以本实用新型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。
Claims (5)
1、一种激光高精度测量大直径装置，包括激光器，瞄准、定位单元、由测长器和导轨构成的测长单元，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、可调工作台、两个分别吸附在待测工件直径两测的磁性定位块及固定在其上的光电接受器构成；所说的测量头由一块镀有半透半反膜层的五角棱镜和与之固定在一起的光电接收器所组成，该测量头安装在可调工作台上，可调工作台放置在所说导轨的滑块上。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于所说的激光准直、自准直单元由显微物镜、单模光纤及其光纤调节架、望远物镜、光纤出射头及其调节架、固定在该出射头上端面的光接收靶构成；所说的单模光纤的一端与所说的显微物镜相连并一同固定在该光纤调节架上用来接收激光光束，另一端与所说的望远物镜相连并一同固定在该光纤出射头上用来发射光束；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；所说的测长单元采用双频激光干涉仪。
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的直线滚动导轨。
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1992
- 1992-05-21 CN CN 92222069 patent/CN2120322U/zh active Granted
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