基于激光三角法的多方向轴孔内径精密测量方法 【技术领域】
本发明涉及一种精密检测方法，特别涉及一种基于激光三角法的多方向轴孔内径精密测量方法。
背景技术
随着我国汽车行业的迅速发展，对发动机的性能的要求越来越高，发动机箱体上孔轴的配合精度是决定发动机性能的关键因素。轴孔配合精度越高，发动机工作效率越高。高精度、高智能化的轴孔内径测量方法是实现理想配合的重要基础，也是提升发动机性能的必要手段。
现有的内径测量方法分为接触和非接触两种测量方式。接触式测量由于测量工具磨损、人为因素等原因造成测量误差较大，不能满足快速、精确的内径检测要求，而且对于高精度的表面测量，接触式测量存在测量力使被测物表面容易划伤，以上原因使得接触式测量已不适用于高精度表面的测量。因而非接触式测量已逐渐取代接触式测量。电容传感器测量方法和气动法均可实现非接触测量，然而上述两种方法在测量时测头与被测物间隙小，测头在测量孔径伸入取出时稍有不慎就很容易划伤被测物的表面，测量过程缓慢，无法实现轴孔高自动化的在线测量。
光学非接触测量是实现高精度测量必然趋势，然而首先就要解决测量间隙过小的问题。基于激光三角法测量原理的测量方式可以实现在较大间隙下完成高精度测量。构成激光三角法的测量部件包括激光光源和光电检测器件，均固定在一可精密旋转的机械系统上，测量时激光光源发射激光到孔径表面，经反射由光电检测器件接收后将光信号转化为电信号输出，完成单一径向方向的测量；完成一次测量之后旋转测量系统到同一截面的另一径向方向进行测量，逐次旋转测量最后完成同一截面圆周的测量。实际测量中旋转系统的径向跳动所带来的随机误差对测量误差有很大影响，角度间隔越小，径向跳动次数越多，测量误差越大，所以整体上对旋转精度要求很高；测量时间长，完成同一截面的测量需要多次旋转，很难完成产品的在线检测。
【发明内容】
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于激光三角法的多方向轴孔内径精密测量方法，该测量方法能够在测量间隙较大的情况下完成轴孔内径高精度、高效率、高稳定性的自动化在线测量。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于激光三角法的多方向轴孔内径精密测量方法，采用测杆伸入轴孔对轴孔内径进行测量，所述测杆上分布至少一个测量截面，每个测量截面上均布至少两个测头，每个测头均为基于激光三角法测量原理的测量部件。
所述测头的光源采用光纤传光的方式引入。
所述光纤处加装准直器使激光光源经准直后输出平行光。
本发明具有的优点和积极效果是：采用具有多个测量截面、每个测量截面上设置多个测头的测杆伸入轴孔，每个测头均应用激光三角法的测量原理，解决了传统测量方法测量间隙小的问题，实现在较大间隙情况下完成精密测量；本发明中测量所用光源采用光纤传光的方式，极大地减小了测杆径向尺寸，降低发热量，在小孔径尺寸测量中具有明显的优势；本发明可根据实际被测轴孔孔径的大小和深度，设置测量截面以及截面上测头的数量，缩短测量所需时间，单次测量即可完成轴孔多个径向方向直径尺寸和轴孔形位公差的测量，测量效率高、速度快、精度高，能够实现产品高自动化的在线测量。
【附图说明】
图1是本发明采用的测杆多测量截面分布示意图；
图2是本发明采用的测杆同一测量截面上测头分布示意图；
图3是本发明采用的测头的结构示意图。
图中：1、尾纤，2、准直器，3、被测轴孔表面，4、成像物镜，5、PSD。
【具体实施方式】
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1～图3，本发明一种基于激光三角法的多方向轴孔内径精密测量方法，1)预先标定测头，建立测量单元输出电信号与实际被测轴孔表面位移之间的关系；2)预先标定同一截面圆周上四个测头的三角法测量原点位置；3)将测杆深入到被测轴孔内部一定位置，如图1所示，开启激光器，如图3所示，激光经尾纤1传入到测头内部，经准直器2准直后以平行光出射，垂直照射在被测轴孔表面3上，平行光反射后经成像物镜4成像在PSD5的像面上，此时平行光在PSD像面5上成像为一光斑。光电转换器件PSD将接收到的光信号转化为可用于测量和处理的电信号输出；4)按照步骤1)的标定结果，每一个测头输出的电信号经算法处理后计算出相应的被测轴孔表面的位置；5)按照步骤2)的标定结果，根据步骤4)中得到的结果可知被测轴孔表面位置与测量原点之间的距离，即可得到被测轴孔两个相互垂直方向直径(四个径向方向半径)的实际测量尺寸，完成单一测量截面的测量。6)重复上述步骤，完成多个截面被测轴孔内径的测量，完成被测轴孔形位误差的测量。
实现轴孔精密测量，测杆地设计至关重要。本发明中测杆结构如图1所示，测杆上分布多个测量截面，测量截面的数量和截面间距可根据被测轴孔的深度进行调整。当被测轴孔只需要单一的内径尺寸测量时，只需在测杆上设置一个测量截面，在测量截面相对位置分布两个测头，按照上述测量方法单次测量即可完成测量截面直径尺寸的测量。为了提高内径尺寸测量精度，根据误差平均效应可适当增加测头数量，如图2所示，在同一测量截面圆周上均匀分布四个测头，相邻两个测头位置相互垂直，相对两个测头位置在同一直线上。测量时，四个测头同时工作，单次测量即可完成四个不同径向方向的测量，大大缩短测量工作时间。同一测量截面上测头的数量可根据被测轴孔的径向尺寸和实际测量需要而定。当被测轴孔较深时，可适当增加测量截面数量，也可在少量测量截面情况下测杆在完成一次测量时，移动测杆到另一位置深度再次进行测量，依靠增加测量次数实现更多截面测量，提高形位误差测量精度。单截面内径测量精度是保证多截面形位误差测量精度的前提。当被测轴孔径向尺寸较大时，在同一测量截面上可在条件允许下相应增加测头数量，单次测量完成更多径向方向直径测量，提高单截面内径尺寸测量精度。
在小孔径测量条件下，光源的尺寸是决定整体尺寸的关键因素。本发明中光源部分采用带尾纤的二极管激光发射器，测杆上设有专门用于放置尾纤的孔，二极管激光发射器放置于测杆外部，尾纤经测杆内孔将外部光源引入到测杆内部，将尾纤输出端固定在测头上使传入的激光出射方向垂直于被测轴孔表面。与传统方法直接将激光器放置于测杆内部相比，小尺寸尾纤传光方式可极大地减小测杆径向尺寸，降低光源发热量，减小由于激光源的发热给测量结果带来的不利影响。实际工作中，光斑的尺寸直接影响PSD电信号的输出，进而影响测量精度。为了降低光学系统畸变和杂散光的影响，提高PSD的位置精度，在尾纤处加一准直器使激光光源经准直后输出平行光，降低出射光的发散角，使成像光斑大小处于接近理想成像尺寸。
本发明采用的测量系统由测量模块、电路控制模块和计算机信号处理模块组成，根据现场生产过程和作业环境规划测量整体系统和模块间的工作流程和时间，实现自动化在线测量。具体测量过程如下：预先标定测头，建立测头输出电信号与实际被测轴孔表面位置之间的关系；预先标定同一截面圆周上四个测头的三角法测量原点位置；开启激光器，激光光源由尾纤传入并垂直照射到被测轴孔表面发生反射，反射光经成像物镜在光电接收器件PSD上成像，PSD将光信号转换为电信号输出。通过对电信号的测量，配合相应的信号处理算法，即可得出光斑在PSD上的成像位置，然后由结构参数可计算出相应被测轴孔表面的位置，根据事先的标定结果即可得到此径向方向上的实际测量半径。在同一测量截面上综合四个径向方向的测量的结果，完成截面上相互垂直的两条直径的测量。多测量截面同时进行测量，得到不同截面的内径测量结果，完成被测轴孔形位误差的测量。
本发明利用光纤传光，在同一测量截面上均匀设置多个测头，采用激光三角法的测量原理，单次测量可实现多个径向方向的测量，测杆上分布多个测量截面可实现对测量轴孔形位误差的测量。本发明是一种基于传导光源、多测头的轴孔内径自动化测量方法，其独特之处在于：测杆与被测轴孔表面之间测量间隙大，对轴孔表面不会造成任何损伤，采用多截面多测头分布，单次测量可完成多截面多个径向方向的测量，可同时实现轴孔孔径和形位误差的自动化测量，测量速度快、效率高，精度可达1μm。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。