原作者:天津大学 林玉池 刘治军 吴敬国 出处:
【论文摘要】以轴直齿类零件为例，提出一种快速、能同时测量轴向尺寸和径向尺寸的非接触、多参数综合测量方法。它利用基于光学三角法的激光位移传感器获得轴类零件的径向尺寸，利用半导体激光器与光电二极管组成的扫描式发讯传感器和光栅传感器的组合获得轴向尺寸。探讨了该系统的检测性能，给出了实测结果。
在现代化的工业生产中，对产品的质量控制与监测往往贯穿于生产过程的始终。在机械行业大批量生产中，数控机床、加工中心已经普遍使用，对多参数综合检测的要求越来越迫切
［1～3］。
本文以某家用切面机的切面刀为例，探讨实现轴类零件多参数自动、半自动综合检测的方法，本系统把现代传感技术与计算机技术有机结合，由计算机控制多传感器扫描被测零件，并处理相关数据，实现了该零件的快速综合检测。
1 测量原理
1.1 被测工件及检测要求
被测工件为某厂生产的手动压面机的切面刀。考虑面条的可切性和机器的可装配性，尺寸精度特别是位置精度要求相对较高。图1是其中一种切面刀的示例。它有39个直齿。各齿、槽相对第一齿中线的位置度要求都是0.07 mm（图中未标出）。
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图1 被测工件图
该产品月产量十多万台，手工单一参数抽检的办法既费工费时，又难以避免漏检。针对该产品特点，我们设计了一套快速检测轴类零件多参数综合检查仪。仪器采用光电非接触式测量，其主要技术指标如下：①轴向检测精度，即检测齿厚、齿槽宽度，以及它们的位置度偏差小于10 μm；②径向检测精度，即检测各处的直径的精度偏差小于40 μm；③检测速度不低于0.5件/s。
1.2 轴向测量原理
轴向测量系统由发讯传感器和光栅传感器、直流伺服电机系统、计算机系统等组成。它的主要任务是获得每个齿边缘的相对坐标位置，从而计算出齿厚、齿槽宽度，以及它们的位置度。其系统组成见图2。计算机控制直流伺服电机带动沿工件轴线方向安装的光栅尺和由半导体激光器与光电二极管组成的发讯传感器，沿工件轴线平行方向作往复扫描运动，其中激光器和光电二极管之间是刚性连接的。当发讯传感器沿工件轴向扫描工件时，同步运动的光电二极管接收到受工件齿形调制的光信号，输出近似削顶的正弦波形信号，经过差分放大、比较、微分、整形等电路，得到一系列代表各对应齿边缘位置的脉冲信号。以这些脉冲信号作为计算机的中断请求信号，锁存并采集光栅传感器位置数据，通过计算可得出齿厚、齿槽宽度，以及它们的位置度。 |
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图2 轴向扫描传感器原理
考虑到光源不稳定和其它环境因素带来的信号波动影响，在光路上采用了分光差动的方法。激光束经分光镜后分为两路，参考路光束直接由一光电池接收，测量路光束则经工件调制后由另一光电二极管接收。把参考路的光电池输出信号作为参考电平与测量路的输出信号差分，可基本消除信号波动带来的影响。
1.3 径向测量原理
径向测量系统采用日本松下电器公司生产的新型激光位移传感器，其主要任务是获取被测件的各处直径尺寸。位移传感器的型号为LM系列的ANR1251，它是一种采用半导体激光器和位置敏感检测器（PSD）的、基于光学三角法测量原理的光电位移传感器，其组成见图3。 |
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图3 光电位移传感器原理
半导体激光器发出的光束，通过光源透镜后照射到被测目标上，再由一个成像透镜汇集一部分散射光和反射光，在PSD的光敏面上成像为一个光点。当被测物体在较近的位置A点时，像点汇聚在a点；当被测物体在较远的位置B点时，像点汇聚在b点。按这种对应关系，像点的位置随被测距离的变化(ΔD)而变化(Δx)。因此可通过测量像点的位置来测量物体与传感器之间的位移。设D为透镜到被测目标的初始距离，θ为PSD轴线与激光束轴线的夹角，f为成像透镜的焦距，则经几何运算后有如下关系：
 (1)
式中，m=ftg2θ；n=D/cosθ。
被测物体的移动量ΔD与Δx之间存在线性关系，并以模拟量形式给出，经过A/D转换后由计算机读入。LM系列传感器采用了先进的玻璃成形技术，提高了光学系统的精度；通过增加光学反馈系统，使传感器受被测物体的颜色或材料的影响减小，从而实现了很好的线性。
1.4 测量系统组成
本系统的机械结构由两部分组成，即传感器扫描部分和被测件传送部分。工作台上安装光栅尺、发讯传感器和激光位移传感器，直流伺服电机由单片机控制带动工作台沿导轨作往复运动。被测件传送部分通过杠杆、凸轮机构与扫描部分相连。机构设计保证扫描部分返程时把已测量的工件释放，把新的一支工件传送至测量工位。电气系统包括电机伺服控制系统、单片机信号发生与控制系统、光栅信号处理系统、发讯传感器信号处理系统、主计算机和有关接口。整个测试系统见图4。测量时，由主计算机控制在正程时测量，返程时只作被测件的工件传送。 |
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图4 系统框图
主计算机把采集到的数据进行处理和分析，对被测零件的参数作出判断。合格时，数据保存；不合格时，计算机声光报警，并命令测量机构停机。为了快速响应检测中的硬件中断，更好地实时地采集和处理检测数据，本系统采用了DOS平台下的C语言编程，在图形方式下实现汉字下拉菜单的友好界面，使系统能够方便地控制检测过程，实时地处理检测数据，统计检测报表，并能显示、打印和报告检测结果。
2 实验结果
2.1 轴向尺寸测量结果
为了考察发讯传感器与光栅传感器组成的轴向测量系统的测量精度，我们反复进行以下实验：①重复性实验；②与万能工具显微镜测量结果比对实验。对同一个工件进行重复测量5次，得到5个测量结果。各对应点的最大值与最小值之差作为测量结果的重复性数据。限于篇幅，选取一组数据并每隔5个边缘位置录用一次，结果见表1。表1中的数据表明，轴向尺寸测量重复性小于5 μm。 |
| 序号 |
第1次 |
第2次 |
第3次 |
第4次 |
第5次 |
重复性 |
| 1 |
159.347 |
159.349 |
159.348 |
159.347 |
159.350 |
0.003 |
| 6 |
149.395 |
149.393 |
149.393 |
149.394 |
149.393 |
0.002 |
| 11 |
139.312 |
139.308 |
139.309 |
139.311 |
139.311 |
0.004 |
| 16 |
129.373 |
129.373 |
129.374 |
129.373 |
129.374 |
0.001 |
| 21 |
119.334 |
119.332 |
119.332 |
119.333 |
119.334 |
0.002 |
| 26 |
109.376 |
109.378 |
109.376 |
109.376 |
109.377 |
0.002 |
| 31 |
99.317 |
99.316 |
99.316 |
99.318 |
99.319 |
0.003 |
| 36 |
89.391 |
89.390 |
89.389 |
89.391 |
89.387 |
0.004 |
| 41 |
79.294 |
79.294 |
79.295 |
79.295 |
79.294 |
0.001 |
| 46 |
69.377 |
69.379 |
69.379 |
69.376 |
69.378 |
0.003 |
| 51 |
59.315 |
59.315 |
59.315 |
59.314 |
59.315 |
0.001 |
| 56 |
49.368 |
49.369 |
49.369 |
49.370 |
49.369 |
0.002 |
将同一零件在万能工具显微镜上进行测量，得到的测量结果与本仪器的测量结果进行比较，见表2。从表2的比对数据中可以看出，本仪器轴向尺寸测量的偏差小于10 μm，达到了预定的精度要求。
表2 与万能工具显微镜测量结果的比对
单位：mm |
| 边缘序号 |
实验结果 |
显微镜测
量结果 |
偏 差 |
| 1 |
159.349 |
159.342 |
0.007 |
| 6 |
149.394 |
149.396 |
0.002 |
| 11 |
139.311 |
139.315 |
0.004 |
| 16 |
129.374 |
129.368 |
0.006 |
| 21 |
119.332 |
119.341 |
0.009 |
| 26 |
109.377 |
109.382 |
0.005 |
| 31 |
99.318 |
99.315 |
0.003 |
| 36 |
89.391 |
89.397 |
0.006 |
2.2 径向尺寸测量结果
由于原理上的原因，激光位移传感器的测量结果受被测对象的材料、表面形状等影响较大。本系统的测量对象为金属轴类零件，在数控机床上加工成形时进刀量很大，槽底的表面状态很差。由于测量结果受表面形状的制约，测量精度稍为偏低，但仍在±0.5%左右。
与轴向重复性实验一样，对同一工件的径向尺寸重复测量5次，其重复性不超过20 μm。同样，将本系统测得的径向尺寸结果与在万能工具显微镜上的测量结果相比对，见表3。可以看出，本系统的径向尺寸测量偏差小于40 μm，满足了设计要求。
表3 与万能工具显微镜测量结果的比对
单位：mm |
| 边缘序号 |
实验结果 |
显微镜测
量结果 |
偏 差 |
1
9
17
25
33
41
49
57 |
2.837
2.880
2.948
2.922
2.845
2.898
2.911
2.942 |
2.872
2.856
2.915
2.904
2.883
2.927
2.896
2.911 |
0.035
0.024
0.033
0.018
0.038
0.029
0.015
0.031 |
2.3 测量误差分析
对本系统进行分析，产生测量误差主要因素如下：①定标误差。由于发讯脉冲的产生是通过测量信号与基准电平的比较后整形、微分而来，为了消除基准电平的偏差，系统使用前必须进行定标。定标时必然引入定标误差。②由于制造与安装上的原因，光栅测量系统存在的误差。它主要取决于所采用的光栅尺及相应的数据处理系统。③被测工件表面杂质造成的测量误差。金属切屑等杂质将直接影响光电扫描结果，所以被测工件表面必须经过清理。④光源波动及杂散光的影响带来的误差。⑤测量光束与被测工件相对位置偏差带来的误差。⑥被测件材料与表面形状影响径向测量误差。
针对以上分析，系统中采用了相应的措施，使误差抑制在较低的水平。
3 结论
(1)本文提出的测量原理与方法满足了被测零件的快速、多参数、非接触测量的要求，达到预定的目标。
(2)本方法原则上可以推广到其它轴类零件的测量。
(3)实现对被测物体的多参数的综合快速检测，对提高检测效率和自动化水平具有重要意义。 |
