双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构设计.docx

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双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构设计

双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构设计

姓名黄艳霞

学院机械工程学院

专业机械设计制造及其自动化

指导教师陈飒

完成日期2013年5月

上海理工大学

全日制本科生毕业设计（论文）承诺书

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文）______________________________________________

是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。

文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。

论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。

如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。

承诺人（签名）：

日期：

双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构设计

摘要

直线度误差的测量是机械生产加工中最为基础且必不可少的测量项目，小尺寸工件直线度测量已经比较完善，但超长工件的直线度测量的方法和精度都不够成熟。

针对此情况，本文设计了在双频激光干涉仪引导下的超长工件直线度误差的测量装置。

该测量装置以小车为测量系统与待测工件间相对运动的载体，双激光干涉仪作为引导小车沿“理想直线”前进的组件，小车的结构设计中采用了前轮换向机构，补偿待测工件表面除直线度误差以外的其他几何误差的影响，使得超长工件直线度误差的测量精度得到保证。

本文围绕测量装置的主体和双激光干涉仪的引导作用进行设计，主要设计内容如下:

（1）根据实际测量中的环境和设计制造便捷性的要求，提出多种测量系统和待测工件间相对运动装置的设计方案，通过比较，确定最实际可行的方案。

（2）通过对设计方案进行Solidworks及Autocad的三维、平面图的绘制，完成了测量装置机构的设计。

对双激光干涉仪、激光位移传感器等元件，选定了型号并拟定了安装定位方案，阐述其在测量过程的工作原理。

（3）通过对测量机构各个主要组件进行参数计算、强度校核，验证零部件强度、刚度，并选用标准件，完成整个双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构的结构设计。

关键词：

直线度超长工件双激光干涉仪

Thestructuredesignofstraightnessmeasuringdeviceintheguideofdual-frequencylaserinterferometer

forultra-longwork-piece

ABSTRACT

Measurementofstraightnessisoneofthemostbasicandessentialmeasuringprojectinmechanicalprocessing.Thestraightnessmeasurementforsmallsizework-piecehasbeennearlyperfect,butstraightnessmeasuringforlongwork-pieceisnotmatureenoughinmethodandaccuracy.Inthispaper,astructuredesignofultra-longwork-piecestraightnessmeasuringdeviceintheguideofdual-frequencylaserinterferometeriscompleted.

Inthismeasurementdeviceacarisusedasthecarrieroftherelativemotionbetweenthemeasurementsystemandthework-piece.Thedual-frequencylaserinterferometersareusedtoguidethecarmovingforwardalongthe"idealstraightline".Frontwheelsteeringstructureisusedinthecartocompensatetheinfluenceofgeometricerrorsexceptstraightnesserror.Thetwoaspectsabovemaketheultra-longwork-piecestraightnesserrorofthemeasuringaccuracyisguaranteed.Maindesigncontentsareasfollows.

（1）Inordertoconformtotheactualmeasurementenvironmentandfacilitydesignmanufacturingrequirements,avarietyofdesignschemesoftherelativemotionbetweenmeasurementsystemandthework-pieceisproposed.Bycomparingwithalltheschemes,themostactualwasbedetermined.

（2）DrawingtheschemesbySolidworksandAutocadtocompletethemeasurementsystemstructuredesign.Selecttheappropriatemodel,formulatetheinstallationlocationschemeandexplaintheprincipleofthemeasurementprocessofthelaserinterferometerandlaserdisplacementsensor.

（3）BycalculatingparametersandStrengthcheckofeverymainpart,verifytheavailabilityofsparepartsandselectstandardparts.Thenthewholedesignofultra-longwork-piecestraightnessdetectingdevicebasedonguidingofdual-frequencylaserinterferometeriscompleted.

KEYWORDS：

StraightnessUltra-longwork-pieceDual-frequencylaserinterferometer

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1引言

机械制造业的发展，机械工业的振兴，离不开任何几何计量测设技术，同时，必然也离不开长度检测技术，直线度误差检测时长度检测技术中的一项重要基本指标。

直线度误差作为重要的几何公差之一，会直接影响到仪器或机器的精度、质量以及使用性能，所以，除了在一般精度要求的机械工业制造加工方面，直线度的测量在大型仪器的安装与定位、精密仪器制造与检测乃至军工产品制造等领域中也有着十分广泛的应用[1-2]。

直线度测量是机械加工制造中一项最为基本而且是非常重要的测量项目,是平面度、平行度、同轴度等几何误差测量的基础，直线度与尺寸精度、圆度以及表面粗糙度同称为影响产品质量的四大精度，它除了要对测量用尺、工件实际表面直线度进行测量和评定外,在调整较大型工件表面直线度,以及自动校正直线运动构件的直线度的部分,也需要进行严格的直线度测量和评定。

因为在生产实践中直线度测量受到高度重视，随之也产生了许多种直线度测量的方法和装置。

在几何测量中，有关直线度误差的测量，可以被分为被测部件本身的直线度和运动部件移动的直线度两类。

对于前一种并且是较长表面的直线度测量，一般有以下两种方法：

一是用水平面作为模拟基准，具体应用是水平仪进行测量，测量准确度低；二是用平行光束作模拟基准，具体是用自准仪或平直度检查仪进行测量，测量准确度高[3]。

1.2国内外超长工件直线度误差测量技术研究的现状

世界上许多国家对直线度误差测量这一领域一直予以高度重视，并且不断积极研究推出新型高精度直线度测量方法和装置,以满足人们对产品质量要求的日益增长。

目前，国内外在圆度、平行度以及表面粗糙度等方面的计量领域甚至已达到纳米级测量精度水平, 然而直线度的测量精度却不那么高,特别是在大长度范围的直线度测量领域,其精度水平更是远远不及其他计量项目精度，处于落后状态。

国际上，只有美国NIST,德国PTB,原苏联国家标准局,美国劳仑斯国家实验室,日本Osaka大学,美国Lockheed火箭和空间公司等达到了0.1μm/m或更高的精度水平[4] 。

我国至今仍只是靠采用长平晶组分段互检方法作为直线度检定基准,测量精度不高，此种现状弊端特别是在测量大尺寸超长零件时尤为明显。

这种状况严重得制约了我国精密计量测试领域及精密加工制造产业领域的发展步伐。

针对以上，对国内直线度测量方法及测量装置进行着重研究,具有非常重要的意义。

纵观国内外研究成果及报道的直线度测量方法, 测量精度低于0.5μm/m的为一般精度水平, 高于0.5μm/m 的属高精度测量, 而高于0.1μm/m 者属国际先进水平，但是因为测量方法种类数量繁多, 目前尚未实现统一而合理的分类方法。

2006年，清华大学自动化系的李迎春、朱善军、孙亚新等人进行了三点接续式打尺寸工件直线度动态测量方法的研究。

介绍了三点接续式测量方案的基本原理及数据处理方法。

文章结合电梯T型导轨的侧导向面和上导向面的特点，分别选择涡流传感器和平行激光—线阵CCD传感器，作为直线度动态测量的实现方案。

最后，对三点接续式方法的测量误差进行了分析[5]。

2007年，天津大学精密测试技术与一起国家重点实验室的周兴林、叶声华、郑义忠等人进行了大尺寸工件直线度视觉测量系统中摄像机标定的研究。

此研究中根据大尺寸工件直线度激光视觉测量系统的现场标定需要，从分析点结构光传感器模型入手,推导了计算机像平面坐标系到世界坐标之间的映射关系,借助转轴实现系统旋转扫描测量；介绍了系统中摄像机坐标系、传感器坐标系、转轴坐标系、标定块坐标系及全局坐标系等各个坐标系的转换关系，结合测量系统特点设计了特有的靶标，提出了适合于大尺寸工件视觉检测系统摄像机参数及全局标定方法[6]。

2010年，GaoWei发表了测量直线度扫描误差分离系统，通过多传感器的方法进行，反转的方法解决一些关键问题中固有的传统的误差分离方法用于测量工件直线度误差[7]。

2012年4月，基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置专利通过，这个发明中设计一种基于复合微进给驱动的超长工件直线度测量装置，实验台床身上面固定连接导轨，导轨上面滑动配合连接滑台，设在导轨一侧的测试台支架上装有四个激光干涉仪，滑台前端面上装有由垂直直线电机和水平直线电机组成的驱动装置，位于垂直直线电机动子上、下，左、右侧分别设有一个反射镜，第一至第四激光干涉仪分别将各自发出的激光束经第一至第四反射镜反射回到自身的激光干涉仪内；数控系统接受两个方向上的激光干涉仪的数据，得到导轨直线度在两个方向上的偏离方向及偏离量，并向驱动单元发出移动信号，驱动单元给垂直直线电机和水平直线电机发出脉冲信号，垂直直线电机和水平直线电机移动对垂直和水平方向两个方向上的直线度误差进行纠正。

近年来，越来越多国内外很多专业人士致力于超长工件直线度测量装置的设计研究，随着科技的发展，测量方法的不断进步，机械工业中超长工件直线度误差的测量会日臻完善。

1.3超长工件直线度的测量方法

直线度是限制实际直线对理想直线变动量的一种形状公差。

由形状（理想包容形状）、大小（公差值）、方向、位置四个要素组成，用于限制一个平面内的直线形状偏差，限制空间直线在某一方向上的形状偏差，限制空间直线在任一方向上的形状偏差。

工件的几何误差是指零件加工后的实际形状、方向和相互位置与理想形状、方向和相互位置的差异。

在形状上的差异称形状误差，在方向上的差异称方向误差，在相互位置上的差异称位置误差。

直线度误差测量在几何公差测量中是最基础同时最重要的部分之一，按照检测关系分，直线度误差属于被测要素中的单一要素（单一要素是指对要素本身提出形状公差要求的被测要素），单一要素在测量中没有基准[8]。

1.3.1常用直线度误差的测量方法

直线度测量（straightnessmeasurement）主要是测量工件直线导向面的直线度误差、机床和其他机器的导轨面以及圆柱体和圆锥体素线的直线度误差等。

直线度测量是长度计量技术的重要内容之一，常用的测量方法有直尺法、准直法、重力法和直线法等。

（1）直尺法

直尺法测量直线度误差常用直尺、平尺等以光隙法和指示表法等进行测量，也可使用直线度测量仪。

直线度测量仪是一种利用直尺，同时以指示表法测量直线度误差的长度测量工具。

它以石英平尺的测量面作为已知平面与被测直线比较，通过电学式长度传感器、相应的电子部分和记录仪等把被测截面的轮廓形状记录下来，或打印出直线度误差。

（2）光学准直法

光学准直测量技术具有非接触、高准确度和高灵敏度等特点，已广泛应用于精密制造安装、航空航天等领域[9]。

光学准直法是利用光学准直望远系统测量直线度误差。

应用光学准直原理测量直线度误差的量仪称为准直望远镜，准直望远镜（alignmenttelescope）由准直光管和望远镜组成，结构如下图1-1所示，以视轴为基准直线，通过调节调焦镜对不同距离上的目标进行观察和测量，准直望远镜被广泛应用于机械工程、光学仪器、光学计量仪等。

图1-1准直望远镜结构简图

在这种测量方法中由光源发出的光经十字分划板和物镜后,以平行光射出,再经望远镜中的物镜后会聚在位于其焦平面上的十字分划板上，测量者通过目镜读数。

如将望远镜和准直光管置于被测工件表面（例如导轨）上,当移动准直光管时,若其射出的十字线影像与分划板的十字线重合,则表示直线度好；如有偏离,则表示准直光管的光轴相对望远镜的光轴倾斜了一个角度。

将各个位置的偏离值经过数据处理后即可得到直线度误差。

准直望远镜的准直光管内还装有同心圆分划板，望远镜内还装有内调焦透镜组和用于读数系统的平行平板玻璃等，利用内调焦透镜组重新调焦可使同心圆分划板上的同心圆刻线成像在分划板上，这样，就可以测量两光轴的偏移□（也有利用靶镜代替准直光管测量的）。

这种准直望远镜也可用于测量大型机器（如汽轮机）上的各支承孔的同轴度误差。

光学自准直法是利用自准直仪测量直线度误差的方法，将被测直线度误差的工件轮廓全长分成若干段,进而分别测出各段的倾斜角，最后通过作图或计算求出直线度。

（3）重力法

重力法测量直线度误差时利用液体受重力作用自动保持水平或重物在重力作用下自动保持铅直的自然现象测量直线度。

重力法测量直线度误差中常用的量仪是水平仪（levelinginstrument），水平仪结构如下图1-2所示，用于测量小倾角的量具。

水准管是由玻璃制成，水准管内壁是一个具有一定曲率半径的曲面，管内装有液体，当水平仪发生倾斜时，水准管中气泡就向水平仪升高的一端移动，从而确定水平面的位置。

水准管内壁曲率半径越大，分辨率就越高，曲率半径越小，分辨率越低，因此水准管曲率半径决定了水平仪的精度。

图1-2水平仪

在机械行业和仪表制造中，水平仪主要应用于检验各种机床及其它类型设备导轨的直线度和设备安装的水平位置，垂直位置，它也能应用于小角度的测量和带有V型槽的工作面，还可测量圆柱工件的安装平行度，以及安装的水平位置和垂直位置。

按水平仪的外形不同可分为：

框式水平仪和尺式水平仪两种；按水准器的固定方式又可分为：

可调式水平仪和不可调式水平仪。

重力法中也有的是利用液体的水平面作为测量面与被测面比较来测量直线度误差的。

（4）直线法

直线法测量直线度误差时利用钢丝和激光束等测量直线度。

利用钢丝测量车床导轨的直线度误差时，移动溜板，可从安装在溜板上的读数显微镜中读出导轨各点偏离钢丝的数值。

利用激光束测量直线度误差时，激光束相当于钢丝，四象限光电传感器和指示表相当于读数显微镜，沿被测导轨移动滑块，若四象限光电传感器中的4个光电池所接收的光强信号相等，表示导轨直线度好；否则表示存在误差。

误差大小可以直接从指示表中读出。

其中上面利用激光束测量直线度误差的测量工具被称为激光准直仪（lasercollimator），是由激光器作为光源的发射系统、光电接收系统及附件三大部分组成，将激光束作为定向发射而在空间形成的一条光束作为准直的基准线，以标定直线的一种工程测量仪器。

（4）其他方法

除以上三种方法之外，测量直线度误差还可以利用平晶，激光干涉仪及其直线度测量附件作为工具，测量精确度很高，其中激光干涉仪直线度误差的测量精确度可达0.4μm/m。

由于激光干涉仪测量精确度高，现在越来越多机床厂都会选择使用激光干涉仪来测量工件的直线度，平面度，垂直度、表面粗糙度等几何误差，提高测量和加工精度。

1.3.2高精度长工件直线度误差测量

目前,国内外测量直线度误差的方法主要有激光准直法、刀口尺法、反转误差分离法多测头误差分离法[10]等，以上方法在尺寸较小零件的直线度误差测量时,一般能够达到较高精度水平，能达到0.1μm/m以上，但是在测量大尺寸零件的直线度误差时,精度却不能够达到较高程度[11]。

鉴于目前国内对1m长直尺缺乏高精度的直线度测量装置这一现状,设计制造处高精度的直线度测量基准装置很有必要。

（1）双激光干涉仪技术的直线度测量装置测量原理

基于双频激光干涉技术的直线度测量系统基准装置如下图1-3所示，待测量的工件2（以直尺为例）安装在可移动的工作台5（滑板）上，工作台在电机控制器8的驱动下沿着直线导轨移动，由双频激光干涉仪测量系统1对待测工件（直尺）表面进行采样，采样点的位置是由光栅4测量系统检测出的，这个测量系统是由计算机10统一控制的，能够完全自动完成整个测量过程，节省了测量和计算时间。

1、激光器2、直尺3、基座4、光栅5、工作台6、减速器

7、激光测量光路8、电机控制器9、光栅测量光路10、计算机

11、显示器12、打印机

图1-3直线度测量系统基准装置

这个直线度误差测量装置采用直尺反转误差分离技术和双频激光干涉测量技术检定表面光滑直尺或研磨直尺的直线度误差，不确定度优于0.1μm/m。

对于长度小于360mm的研磨直尺，其测量不确定度与现有国家基准的长平晶分段互检法相当。

对于长度大于360mm的研磨平尺,该装置的测量不确定度可优于国家基准，同时，用该装置检定的直尺可直接用于测量精密机床和精密仪器导轨的直线度误差。

（2）双激光干涉仪技术的直线度测量结果分析

为了验证以上基准装置的测量精度,现有对四种不同长度的直尺进行了实际测试。

四种光学直尺分别为长度是100mm,200mm,300mm和400mm金属研磨直尺,每种直尺分别测量5次,取平均值作为测量结果,取极限误差和相对误差作为测量精度的评定依据,结果见下表1-1。

表1-1不同长度直尺直线度测量结果（单位：

μm）

测量长度

第一次

第二次

第三次

第四次

第五次

平均值

极限偏差

100mm

0.449

0.456

0.467

0.469

0.480

0.464

0.036

200mm

0.830

0.850

0.837

0.835

0.849

0.838

0.027

300mm

1.051

1.030

1.006

1.030

1.010

1.025

0.054

400mm

9.482

9.467

9.487

9.496

9.446

9.476

0.059

实际测试结果表明,测量精度优于0.1μm/m,与精度分析结果基本吻合，但实测结果小于计算值，这是因为理论分析中单项误差取值偏大的缘故。

以上知基于双频激光干涉技术和直尺反转误差分离技术的高精度直线度基准装置,可在一般条件下实现优于0.1μm/m的测量不确定度，可用于大尺寸直尺直线度误差的高精度检测。

（3）基于激光准直高精度直线度测量装置原理

采用双频激光干涉仪可实现对运动部件线位移和角位移的高精度检测，但仪器价格昂贵，测量成本较高，且是单参数测量，难以满足所有用户的需要。

致力于解决双激光干涉仪测量有的以上问题，设计出了一种由半导体激光器、单模光纤准直技术、四象限光电器件组成，并由单片机进行数据采集、处理和显示测量结果的二维直线度准直，其系统原理及测量结构如下图1-4所示，半导体激光器射出的激光通过透镜1耦合到单模光纤中，经过透镜2对光线进行扩束分散，然后通过角锥棱镜反射到四象限探测器上[12]。

图1-4基于激光准直直线度测量系统原理及结构图

使用以上测量系统测量时，激光器和接收器放置在待测工件的一端，角锥棱镜沿工件移动。

角锥棱镜将激光器发射的激光光束反射在接收装置上，当角锥棱镜沿被测工件（如导轨等）方向移动时，被测工件的直线度误差使角锥棱镜与激光光束之间产生相对移动（角锥棱镜与激光光束之间产生相对移动的关系如图1-5所示）从而使激光光束照射在接收装置（四象限光电检测器）上的位置产生变化。

接收装置输出的电压信号与光位移量成正比，这个电压信号被送入到单片机系统后进行数据采集,最后得到直线度误差。

信号也可以通过单片机的串行口把采集的数据送人PC机，在PC机上通过误差评定软件进行数据处理，计算出被测件的直线度误差值。

图1-5角锥棱镜与激光光束之间产生相对移动关系图

当角锥棱镜沿被测导轨移动时，如果在横向或纵向有δ位移偏差，则光线经过角锥棱镜反射后有2δ的偏移，因此用角锥棱镜作位敏感元件，可以使测量直线度的灵敏度提高一倍[13]。

1.4课题研究的意义

双激光干涉仪引导式超长工件直线度测量装置的设计为大尺寸工件的直线度误差的测量提供了一种测量方法，较为精确的测量出工件几何误差，对于其在以后加工工艺的确定以及机械加工的精密度保证有重要作用。

课题的研究成果直接面向机械加工的应用，可以说在一定程度上为实际加工中超长工件直线度误差的测量方法的改进有参考价值，为大型工件的精密加工制造奠定了一个较为可靠的测量基础。

1.5课题研究的内容

本文介绍了一种超长工件直线度误差的测量方法，即双激光干涉仪引导式超长工件的直线度测量。

首先根据实际测量中的环境和设计制造便捷性的要求，提出多种测量系统和待测工件间相对运动装置的设计方案。

通过对各个方案的比较，确定最实际可行的方案。

然后通过对方案进行Solidworks及Autocad的三维、平面图的绘制，完成了测量装置机构的设计。

对双激光干涉仪、激光位移传感器等元件，选定了型号并拟定了安装定位方案，阐述其在测量过程的工作原理。

最后通过对测量机构各个主要组件进行参数计算、强度校核，验证零部件强度、刚度，并选用标准件，完成整个双激光干涉仪引导式超长工件直线度检测机构的结构设计。

1.6本章小结

本章前两节探讨了一般情况下直线度误差的检测和测量方法，及现阶段国内外直线度误差测量现状，尺寸较小的工件轮廓的直线度测量已较为系统且精度较高，但对于较大甚至超长工件轮廓的直线度测量装置并不够完善且成本较高。

第三节着重描述了两种精密测量