李西龍

（中國(guó)航發(fā)黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州 貴陽(yáng)550014）

1 概述

幾何量測(cè)量是指與工件尺寸、形狀和位置有關(guān)的測(cè)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(guò)程之一[1]。準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量不僅可以定性判斷工件的質(zhì)量，而且還可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)分析不良工件的原因，從而在機(jī)器制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率和低成本的目標(biāo)[2]。由于幾何量測(cè)量技術(shù)對(duì)機(jī)械制造過(guò)程的反哺作用，因此對(duì)幾何量測(cè)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(jiàn)幾何量測(cè)量方法

2.1 長(zhǎng)度的檢測(cè)

2.1.1 利用位移傳感器檢測(cè)

節(jié)流式氣動(dòng)量?jī)x使用噴嘴擋板來(lái)測(cè)量由于流量變化引起的位移并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的測(cè)量。長(zhǎng)度的測(cè)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(shí)的長(zhǎng)度Z 與pn之間的關(guān)系，由于測(cè)量噴嘴的內(nèi)徑為d=1.2～2mm，因此最大的測(cè)量長(zhǎng)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(jì)來(lái)測(cè)量流量Q，并且可以通過(guò)流量來(lái)表示長(zhǎng)度Z 的大小。

圖1 Z 與pn 關(guān)系曲線(xiàn)

2.1.2 利用速度或轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)

線(xiàn)速度的積分是長(zhǎng)度，可以通過(guò)將輸出信號(hào)集成到線(xiàn)速度檢測(cè)中來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)度。使用一定直徑的旋轉(zhuǎn)輥，使其與物體接觸，然后在待測(cè)物體的整個(gè)長(zhǎng)度上旋轉(zhuǎn)輥，轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)數(shù)，并在轉(zhuǎn)換后檢測(cè)長(zhǎng)度。

2.2 厚度的檢測(cè)

2.2.1 利用超聲波檢測(cè)

超聲波的厚度檢測(cè)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(cè)相同，超聲波只是傳輸介質(zhì)不同，因此省略說(shuō)明。共振超聲厚度測(cè)量原理見(jiàn)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(cè)厚原理

使用超聲波測(cè)厚儀時(shí)，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(xiàn)檢測(cè)

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

雙重射線(xiàn)將射線(xiàn)分為兩條路徑：一種用于檢測(cè)，直接射入被測(cè)材料中；另一個(gè)用作參考，并射入到由伺服驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)楔形中。射線(xiàn)探測(cè)器檢測(cè)到兩束射線(xiàn)并進(jìn)行比較，通過(guò)使用伺服放大器和伺服電機(jī)移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)楔形件的位置來(lái)平衡系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)楔形的位置計(jì)算材料厚度。X 射線(xiàn)測(cè)厚儀可以檢測(cè)0.1 至15 毫米的材料厚度，精度為滿(mǎn)刻度的0.5%。

2.2.3 利用紅外線(xiàn)檢測(cè)

紅外線(xiàn)可用于檢測(cè)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(guò)物體時(shí)，紅外線(xiàn)衰減與測(cè)得的厚度和特定的單值函數(shù)有關(guān)，可以通過(guò)檢測(cè)透射光的變化來(lái)檢測(cè)厚度[4]。被測(cè)薄膜放置在光源和反射鏡之間，從光源發(fā)出的光通過(guò)濾光片轉(zhuǎn)換為兩種不同波長(zhǎng)的光，這些光交替發(fā)出并進(jìn)入反射鏡，反射光穿過(guò)薄膜射到凹面鏡，反射光會(huì)聚在紅外探測(cè)器上，探測(cè)器的輸出是反應(yīng)的脈沖值，并在計(jì)算后獲得厚度測(cè)量值。

2.2.4 利用激光檢測(cè)

激光檢測(cè)方法包括三角法和偏轉(zhuǎn)法。

a.三角法檢測(cè)厚度原理見(jiàn)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(diǎn)A，并且反射光束通過(guò)透鏡聚焦后成像到O 點(diǎn)。

圖3 三角法激光厚度檢測(cè)原理

圖6 為光電式外徑檢測(cè)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(cè)量的材料直徑。當(dāng)光束射到待測(cè)物體時(shí)，由于受測(cè)物體直徑內(nèi)的遮光效應(yīng)，光電管無(wú)法接收光，因此每次光束掃描待測(cè)物體的直徑時(shí)，都會(huì)輸出一個(gè)方波脈沖，脈沖寬度與直徑成比例，可以通過(guò)測(cè)量脈沖寬度來(lái)獲得測(cè)量的直徑d。

圖中所示的直徑計(jì)細(xì)束等速掃描方法由1 至6、17 和18 實(shí)現(xiàn)，輸出方波和方波寬度中的脈沖數(shù)由8 至16 實(shí)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(cè)原理

2.3 寬度的檢測(cè)

圖5 為光電式測(cè)寬儀的原理，通過(guò)光電法測(cè)量運(yùn)動(dòng)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(cè)量被測(cè)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(gè)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(gè)傳感器的輸出總和中獲得寬度檢測(cè)值。

圖5 光電式測(cè)寬儀

2.4 直徑的檢測(cè)

圖6 激光測(cè)徑儀工作原理示意圖

3 孔、軸幾何量測(cè)量技術(shù)

3.1 孔、軸的非接觸式測(cè)量方法

非接觸式測(cè)量方法包括電容傳感式內(nèi)徑測(cè)量、激光位移測(cè)量法、氣動(dòng)量?jī)x孔徑測(cè)量法。電容傳感式內(nèi)徑測(cè)量，使用直徑稍小的圓柱形電容傳感器將其插入要測(cè)量的孔中，并在被測(cè)工件和電極之間的孔中產(chǎn)生電容，必須確保測(cè)試對(duì)象的表面沒(méi)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(cè)金屬工件[5]。LDS 主要由兩部分組成：一個(gè)是經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直了的點(diǎn)狀激光源，其投射在被測(cè)面上的激光斑點(diǎn)直徑一般為0.05-0.1μm；另一部分是光電探測(cè)器及對(duì)應(yīng)成像透鏡部分，光電探測(cè)器一般采用PSD、CCD 或CMOS。PSD 一般用于價(jià)格敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，如紅外主動(dòng)式PSD 三角法測(cè)距系統(tǒng)一般用于無(wú)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(jiǎn)單及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。激光位移傳感器的測(cè)量原理見(jiàn)圖7 所示。

圖7 激光位移傳感器的測(cè)量原理

3.2 孔、軸的接觸式測(cè)量方法

在傳感器內(nèi)部，交流激勵(lì)源連接到初級(jí)線(xiàn)圈的兩極，反串聯(lián)連接的兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)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(guò)三個(gè)線(xiàn)圈后，牢固地連接到傳感器的接觸頭，通過(guò)勵(lì)磁源的交流信號(hào)的作用，鐵芯將初級(jí)線(xiàn)圈的磁通量感應(yīng)到兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)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(shí)，接觸頭在外力作用下發(fā)生位移，則鐵芯也會(huì)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(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的輸出電壓U1、U2為：

可以簡(jiǎn)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(jiǎn)單，與成本相比，其精度完全滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的幾何量測(cè)量要求。在實(shí)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(cè)量。

4 結(jié)論

從幾何量測(cè)量設(shè)備行業(yè)的發(fā)展來(lái)看，幾何量測(cè)量設(shè)備的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(lái)越突出。這是因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)在制造過(guò)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(cè)量技術(shù)水平的快速提高。隨著測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化程度的不斷提高，無(wú)論是從工業(yè)制造環(huán)境中對(duì)幾何量測(cè)量技術(shù)的需求還是從測(cè)量?jī)x器行業(yè)的發(fā)展角度而言，幾何量測(cè)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(jìng)爭(zhēng)力。