GJ-4型共焦测头的结构设计与研究

摘要

本文中所介绍的GJ-4型共焦测头是光学非接触测头的一种，其测量原理为激光扫描共焦显微检测法原理，运用了动态主动调焦的方法，通过使用时间差法处理信号将位移量的测量转化为对时间差的测量。
　　 与前几代共焦测头相比，GJ-4型测头增加了一级汇聚光路，利用非球面物镜，将测量光斑大幅减小，使之能够更好的完成对微小物体的测量；GJ-4型测头的光电接收器件使用高响应度的雪崩光电二极管，能够对一些弱反射表面获取到较好的测量信号；GJ-4型测头的结构结实稳定，并设计有多处调节机构，使其能够满足光路原理的要求；另外，GJ-4的测量范围和可测角度比前代测头均有所扩大。
　　 本论文完成了GJ-4型共焦测头的设计和调试，将其向产品化方向推进，主要的工作内容如下：
　　 1.简要介绍了动态主动调焦测量原理和时间差法测量原理；
　　 2.对光路进行了理论推导并根据推导结果改进了测头光路；
　　 3.设计了新的测头结构方案，根据测头新方案，对机械结构进行了改进设计，完成了新增加元件的选型，关键的调节机构设计以及相应的电路改进。
　　 4.对新型测头的安装调试流程及调试环节的影响进行了分析研究，完成了新测头的性能实验；
　　 5.总结了在研究过程中发现的不足，提出本课题今后的发展方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1三坐标测量机和三坐标测头简介

1.1.1三坐标测量机简介

1.1.2三坐标测头简介

1.1.3三坐标测头的发展方向

1.2非接触式测头

1.2.1激光三角法测头

1.2.2离焦法测头

1.3本课题的主要研究内容

第二章历代共焦测头介绍及相关问题分析

2.1共焦测头的测量原理

2.1.1主动调焦法测量原理

2.1.2振动透镜位移量与物镜聚光点位移量之间函数关系的推导

2.2历代测头的比较

2.2.1第一代共焦测头

2.2.2第二代共焦测头

2.2.3第三代共焦测头

2.2.4小结

2.3时间差法的测量原理

2.4小孔光阑偏离理想位置对测量精度的影响

第三章GJ-4型测头的系统结构设计

3.1音叉激振系统

3.1.1音叉结构尺寸的确定

3.1.2音叉的正反馈激励系统

3.2 GJ-4型测头的改进光路

3.3 GJ-4型测头中光学元件的选型

3.3.1非球面物镜

3.3.2光电接收器

3.3.3其他元件的选型

3.4.GJ-4型测头的机械结构设计

3.4.1测头的整体结构

3.4.2主要组件

3.4.3光电接收器的径向调节机构

3.4.4光电接收器的轴向调节机构

3.4.5小孔光阑的径向调节机构

3.4.6平行光的调节机构

3.5 GJ-4测头中电路部分的改变

3.6 GJ-4型测头中振动透镜位移量和系统焦平面之间的函数关系

3.7小结

第四章GJ-4型测头的安装与调试

4.1各个组件的安装

4.1.1激光器组件的安装

4.1.2平凸透镜组件的安装

4.1.3小孔光阑组件的安装

4.1.4非球面物镜组件

4.1.5光电接收器组件

4.1.6线圈组件的安装

4.2前期的安装调整

4.3小孔光阑的调节

4.4音叉的安装

4.5平行光的调节

4.6光电接收器的调节

4.6.1汇聚光点位于小孔不同位置的分析

4.6.2光电接收器的调节

第五章实验

5.1新测头测量范围的确定实验

5.2新测头的可测角度的确定实验

5.3新测头对不同被测表面测量信号强度的实验

5.4新测头的重复性实验

5.5新测头的精度实验

5.6对小孔偏移所引起的误差对比实验

第六章总结与展望

6.1主要工作总结

6.2技术展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢