工件幾何量測量方法研究

李西龍

（中國航發(fā)黎陽航空動力有限公司，貴州 貴陽550014）

1 概述

幾何量測量是指與工件尺寸、形狀和位置有關(guān)的測量技術(shù)和方法，是機(jī)械制造業(yè)中最重要和最基本的過程之一[1]。準(zhǔn)確測量工件的幾何參數(shù)不僅是保證產(chǎn)品最終加工質(zhì)量，而且是提高生產(chǎn)效率的重要組成部分。幾何量測量不僅可以定性判斷工件的質(zhì)量，而且還可以根據(jù)測量結(jié)果來分析不良工件的原因，從而在機(jī)器制造過程中實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率和低成本的目標(biāo)[2]。由于幾何量測量技術(shù)對機(jī)械制造過程的反哺作用，因此對幾何量測量新技術(shù)的研究一直是機(jī)械制造領(lǐng)域科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。

2 常見幾何量測量方法

2.1 長度的檢測

2.1.1 利用位移傳感器檢測

節(jié)流式氣動量儀使用噴嘴擋板來測量由于流量變化引起的位移并實現(xiàn)長度的測量。長度的測量是基于噴嘴擋板式節(jié)流閥的原理，其關(guān)系表達(dá)式如下：

圖1 為pg、μ、A 恒定時的長度Z 與pn之間的關(guān)系，由于測量噴嘴的內(nèi)徑為d=1.2～2mm，因此最大的測量長度范圍約為d/4，由于流量Q 基于Z 變化和pn變化，因此可以使用流量計來測量流量Q，并且可以通過流量來表示長度Z 的大小。

圖1 Z 與pn 關(guān)系曲線

2.1.2 利用速度或轉(zhuǎn)速傳感器檢測

線速度的積分是長度，可以通過將輸出信號集成到線速度檢測中來檢測長度。使用一定直徑的旋轉(zhuǎn)輥，使其與物體接觸，然后在待測物體的整個長度上旋轉(zhuǎn)輥，轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)數(shù)，并在轉(zhuǎn)換后檢測長度。

2.2 厚度的檢測

2.2.1 利用超聲波檢測

超聲波的厚度檢測分為共振型和脈沖反射型兩種，脈沖反射型的原理與液位檢測相同，超聲波只是傳輸介質(zhì)不同，因此省略說明。共振超聲厚度測量原理見圖2 所示。厚度與共振頻率的關(guān)系如下：

式中：n- 共振次數(shù)；

c- 聲速。

圖2 共振型超聲波測厚原理

使用超聲波測厚儀時，在聲阻抗匹配的條件下，超聲波發(fā)生器和接收器必須與物體表面緊密接觸[3]。因此，不僅要使接觸表面盡可能光滑，還要使用水或油作耦合劑。

2.2.2 利用射線檢測

檢測工業(yè)生產(chǎn)中材料厚度的射線包括X、γ 和β 射線，下面主要介紹X 射線測厚原理。

雙重射線將射線分為兩條路徑：一種用于檢測，直接射入被測材料中；另一個用作參考，并射入到由伺服驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)楔形中。射線探測器檢測到兩束射線并進(jìn)行比較，通過使用伺服放大器和伺服電機(jī)移動標(biāo)準(zhǔn)楔形件的位置來平衡系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)楔形的位置計算材料厚度。X 射線測厚儀可以檢測0.1 至15 毫米的材料厚度，精度為滿刻度的0.5%。

2.2.3 利用紅外線檢測

紅外線可用于檢測透明或半透明的塑料薄膜材料的厚度。當(dāng)從紅外光源發(fā)出的光穿過物體時，紅外線衰減與測得的厚度和特定的單值函數(shù)有關(guān)，可以通過檢測透射光的變化來檢測厚度[4]。被測薄膜放置在光源和反射鏡之間，從光源發(fā)出的光通過濾光片轉(zhuǎn)換為兩種不同波長的光，這些光交替發(fā)出并進(jìn)入反射鏡，反射光穿過薄膜射到凹面鏡，反射光會聚在紅外探測器上，探測器的輸出是反應(yīng)的脈沖值，并在計算后獲得厚度測量值。

2.2.4 利用激光檢測

激光檢測方法包括三角法和偏轉(zhuǎn)法。

a.三角法檢測厚度原理見圖3 所示。假設(shè)CAB 平面垂直于參考板的平面，激光束與參考板形成45 度角，激光束入射到參考板的點A，并且反射光束通過透鏡聚焦后成像到O 點。

圖3 三角法激光厚度檢測原理

圖6 為光電式外徑檢測系統(tǒng)。由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光被光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為平行光，使用非常細(xì)的光束以恒定速度v 掃描測量的材料直徑。當(dāng)光束射到待測物體時，由于受測物體直徑內(nèi)的遮光效應(yīng)，光電管無法接收光，因此每次光束掃描待測物體的直徑時，都會輸出一個方波脈沖，脈沖寬度與直徑成比例，可以通過測量脈沖寬度來獲得測量的直徑d。

圖中所示的直徑計細(xì)束等速掃描方法由1 至6、17 和18 實現(xiàn)，輸出方波和方波寬度中的脈沖數(shù)由8 至16 實現(xiàn)。脈沖數(shù)N與直徑d 之間的關(guān)系如下。

圖4 偏轉(zhuǎn)法激光厚度檢測原理

2.3 寬度的檢測

圖5 為光電式測寬儀的原理，通過光電法測量運動物體的寬度。光源設(shè)置在板的上部，而位于下部的光傳感器用于測量被測物體兩端的覆蓋光源發(fā)射光的面積變化，表示為遮光量的變化。兩個傳感器之間的距離由伺服機(jī)構(gòu)設(shè)置，并且可以從兩個傳感器的輸出總和中獲得寬度檢測值。

圖5 光電式測寬儀

2.4 直徑的檢測

圖6 激光測徑儀工作原理示意圖

3 孔、軸幾何量測量技術(shù)

3.1 孔、軸的非接觸式測量方法

非接觸式測量方法包括電容傳感式內(nèi)徑測量、激光位移測量法、氣動量儀孔徑測量法。電容傳感式內(nèi)徑測量，使用直徑稍小的圓柱形電容傳感器將其插入要測量的孔中，并在被測工件和電極之間的孔中產(chǎn)生電容，必須確保測試對象的表面沒有被污染，介電常數(shù)由于灰塵、油和水等因素而變化，只能檢測金屬工件[5]。LDS 主要由兩部分組成：一個是經(jīng)過準(zhǔn)直了的點狀激光源，其投射在被測面上的激光斑點直徑一般為0.05-0.1μm；另一部分是光電探測器及對應(yīng)成像透鏡部分，光電探測器一般采用PSD、CCD 或CMOS。PSD 一般用于價格敏感的應(yīng)用場合，如紅外主動式PSD 三角法測距系統(tǒng)一般用于無人機(jī)定高懸停，高精度LDS 更多采用CCD 作為激光接收靶面，CMOS 傳感器在LDS 應(yīng)用最為廣泛，具有成本可控、電路結(jié)構(gòu)簡單及動態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點。激光位移傳感器的測量原理見圖7 所示。

圖7 激光位移傳感器的測量原理

3.2 孔、軸的接觸式測量方法

在傳感器內(nèi)部，交流激勵源連接到初級線圈的兩極，反串聯(lián)連接的兩個次級線圈的兩極作為差分電壓輸出端子連接到解調(diào)電路。鐵芯依次穿過三個線圈后，牢固地連接到傳感器的接觸頭，通過勵磁源的交流信號的作用，鐵芯將初級線圈的磁通量感應(yīng)到兩個次級線圈上，如圖8 所示。

圖8 電感式位移傳感器原理框圖

如果在使用傳感器時，接觸頭在外力作用下發(fā)生位移，則鐵芯也會產(chǎn)生相同的位移。差分電壓的大小與鐵芯的位置有關(guān)，兩個次級線圈的輸出電壓U1、U2為：

可以簡化為：

最后，可以獲得鐵芯的位置變化 Δx與輸出差分電壓U 之間的關(guān)系。電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，與成本相比，其精度完全滿足工業(yè)領(lǐng)域的幾何量測量要求。在實際應(yīng)用中，電感式位移傳感器具有多種結(jié)構(gòu)形式，還可以進(jìn)行非接觸式測量。

4 結(jié)論

從幾何量測量設(shè)備行業(yè)的發(fā)展來看，幾何量測量設(shè)備的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)價值在儀器制造業(yè)中作為具有較高經(jīng)濟(jì)附加值和高技術(shù)含量的工業(yè)產(chǎn)品越來越突出。這是因為現(xiàn)代工業(yè)在制造過程中追求高精度和高效率的質(zhì)量控制，并積極促進(jìn)幾何測量技術(shù)水平的快速提高。隨著測量過程的自動化程度的不斷提高，無論是從工業(yè)制造環(huán)境中對幾何量測量技術(shù)的需求還是從測量儀器行業(yè)的發(fā)展角度而言，幾何量測量技術(shù)應(yīng)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，以提高快速發(fā)展的機(jī)械制造業(yè)的適應(yīng)性和競爭力。