可用于工件内腔尺寸测量的共焦式激光测量方法研究

摘要

工件内腔尺寸的测量一直都是生产企业的难点，因此开展工件内腔尺寸测量方法的研究至关重要。非接触式测量技术广泛应用于工件尺寸的测量，而其中激光共焦测量方法因其独特的光学层析能力和良好的测量精度具有独特的优势。本文主要针对内腔式零部件尺寸的测量开展了一种共焦式激光测量方法研究。 论文的主要工作如下： 1．介绍了激光共焦测量原理，在分析动态主动调焦法测量原理的基础上，进一步阐述了单光路共焦技术的理论。与此同时，为了更好地研究激光共焦技术的检测特性，先期对激光测量系统的光路进行了相关仿真与设计，在后文中再用实验进一步说明理论的正确性及实验的可行性。并从理论上分析了点探测器轴向偏移量及针孔光阑尺寸对共焦测量系统的影响。 2．对器件进行了选型。重点对光电信息转换与处理系统进行了深入的研究和探讨，设计了光电信号处理电路、A/D采集电路和单片机控制电路，并通过单片机编程实现了光强信号的检测。 3．设计了自动调焦系统，采用宏动与微动相结合的调焦控制方法，实现了大行程、高精度的自动调焦。设计了两级进给台的单片机控制电路及驱动电路，同时进行了两级进给台的机械结构设计，使得聚焦透镜可以快速精确的进行调焦。 4.搭建了共焦测量系统，针对光屯测量系统的分辨率、共焦测量系统的尺寸检测、共焦测量系统内腔尺寸检测、共焦系统的重复性以及共焦系统的稳定性做了相应的实验，并对实验结果进行了分析。后文的实验研究探索中也初步证明了基于激光共焦原理的激光位移测量方法具有一定的创新性及实际应用价值。 实验结果表明，课题所设计的共焦测量系统具有10μm的分辨率和良好的稳定性，可以实现对工件内腔尺寸的测量。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 可用于内腔式零部件轮廓非接触测量方法的国内外研究现状

1.2.1 激光三角测量法

1.2.2 光环截面法

1.2.3 激光共焦测量法

1.3 论文主要研究内容

2 共焦测量系统方案

2.1 激光共焦测量原理

2.2 激光共焦成像系统的理论分析

2.2.1 透镜成像理论分析

2.2.2 单光路共焦技术的理论分析

2.3 光路共焦系统的影响因素分析及参数优化

2.3.1 点探测器轴向偏移量的影响

2.3.2 针孔光阑尺寸的影响

2.4 光路系统仿真设计

2.5 测量系统整体方案

2.6 本章小结

3 光电检测系统设计

3.1 光源与探测器

3.1.1 激光光源

3.1.2 光电探测器

3.1.3 光电转换电路

3.2 信号采集系统设计

3.2.1 A/D 转换芯片

3.2.2 信号采集电路设计

3.2.3 软件设计

3.3 本章小结

4 自动调焦系统设计

4.1 驱动方式的选择

1. 音叉

2.步进电机

3.压电陶瓷驱动器

4.2 自动调焦系统整体设计

1.宏动工作台的设计

2.精动工作台的设计

4.3 自动调焦系统机械结构

4.4 步进电机驱动设计

4.4.1 步进电机选型

4.4.2 步进电机驱动电路设计

4.4.3 软件设计

4.5 压电陶瓷驱动模块设计

4.5.1 压电陶瓷特性分析

4.5.2 压电陶瓷的驱动控制

4.6 系统整体电路设计

4.7 共焦测头的尺寸设计

4.8 本章小结

5 共焦测量系统实验

5.1 光电采集系统的分辨率实验

5.1.1 实验系统搭建

5.1.2 实验数据与分析

5.2 共焦测量系统的分辨率实验

5.2.1 实验系统搭建

5.2.2 实验数据与分析

5.3 共焦测量系统重复性实验

5.4 共焦测量系统内腔尺寸检测实验

5.4.1 实验系统搭建

5.4.2 实验数据与分析

5.5 共焦系统稳定性实验

5.6 实验误差分析

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文内容总结

6.2 后期工作展望

致谢

参考文献