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激光在測量軸母線直線度誤差中的應用研究
發布時間：2017-09-01
一、引言
由于激光具有光能強且集中、方向性和單色性好的特點,因此近些年來在幾何量測量中得到了廣泛應用。本文使用的實驗裝置就是應用了激光單色性好的特點,利用激光的衍射效應測量軸母線直線度誤差。
二、測量原理
用激光測量直線度誤差的原理是夫瑯和費單縫衍射原理。
由夫瑯和費單縫衍射原理可知:當激光通過上、下棱緣間的狹縫b時,衍射條紋間距D、縫寬b、激光波長λ、狹縫到屏幕的距離L之間的關系為D=λL/b。
實驗時,為了易于測量條紋間距,可在狹縫與接收屏幕之間放一負透鏡,用來放大衍射條紋的寬度和間距,放置負透鏡后D=kλL/b。
式中,k為負透鏡的放大倍數,其值可用負透鏡安放前后多次測得的衍射條紋平均間距之比確定。在圖2所示的測量裝置的條件下,k=1.689。
三、測量方法
測量前,先調整激光器2使激光束與被測軸6的母線相切,調整負透鏡9使激光束通過負透鏡的中心,再粗調棱緣5,使其接近軸母線(棱緣要處于軸母 線的最高點),然后用微調螺絲4微調棱緣并觀察屏幕10,使屏幕上出現清晰的衍射條紋。為得到衍射條紋間距,該裝置使用容柵式數顯卡尺11測量衍射條紋間 距。為提高測量準確度,減小誤差,可選幾個條紋間距進行測量。
為便于測量,該裝置將一暗盒固定在數顯卡尺的游標后面,暗盒中放一發光二極管,發光二極管發出的光,經寬度可調的狹縫后照射在屏幕上。測量時, 將該光線置于暗條紋的中間進行瞄準,然后按下卡尺上的置零按鈕,接著移動n個條紋間距并再次瞄準,即可在卡尺的讀數窗上讀出n個條紋間距的數值,通過計 算,即可得到衍射條紋的平均間距。
測量時,先在軸母線的一端測起,然后利用固定在工作臺1上的鋼板尺8將V型塊7等距離地移至每一個測量位置進行測量。
四、測量結果的比較
本次實驗分別用激光和千分表對同一小軸的同一母線的直線度誤差進行了測量。測量時,可從小軸的任一端測起,并將第一個測量點定為0點,然后每隔10mm作為一個測量點,共測12點,測得數據及處理過程。
用表中的bi-b0(i=0,1,11)之差值及千分表測得值作出誤差折線圖。
按最小包容區域法作兩條平行線L1和L2,經計算得直線L1的方程。
可見,兩種方法測得結果比較接近。
五、誤差分析及比較
下面分析兩種方法讀數時讀數誤差對直線度誤差的影響。
1.用激光測量時讀數誤差的影響
式中,bi為各測量點狹縫寬度;p、g為折線上兩個最低點位置序號;k為最高點位置序號;Di為各點衍射條紋平均間距。
將式(3)全微分并忽略k、K及L的誤差的影響后,按方和根法合成,得到用激光測量軸母線直線度誤差的讀數方法誤差的計算式
式中,ΔDi為容柵卡尺的不確定度
g= 1, p= 10, k= 2, Dk=3.774mm,Dg=3.886mm,Dp=3.1478mm,將上述數據代入式(4),則激光測量方法的讀數誤差值為
從式(4)可看出,當b0取值越小時,bk、bg、bp值也越小,而Dk、Dg、Dp值就越大,D1值就越小,測量準確度就越高。
2.用千分表測量時讀數誤差的影響
用千分表測量直線度誤差時,按最小包容區域法其讀數方法誤差的計算。式中,Δt為千分表的不確定度。
將g=1,p=11,k=5,Δt=±0.001mm,代入式(5)得
可見δ1<δ2
六、結束語
由上述實驗對比及計算分析可以看出,用激光測量軸母線直線度誤差的測量準確度比較高。若按測量誤差占尺寸公差的1/5~1/10取值,則該方法 適用于直線度公差大于2.5Μm的軸母線直線度誤差的測量。用上述方法測量時,若將軸轉過90b后再測量另一條母線,經數據處理后,便可得到其軸心線在任 意方向上的直線度誤差。
摘自：中國計量測控網
