基于光学放大原理的机械零件尺寸检测技术

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The Dimension Measurement Technology for Mechanical Parts Basedon the Optical Amplification PrincipleCAI Wei，ZHANG Yan，SHI Liu-yong，LI Peng-wei(College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Hainan Haikou 570228，China)Abstract：Since the traditional dimension measureme nt equipments for mechanical parts have$oine drawbacks such∞ loweficiency，high random deviation and low accuracy，a project is putforward to design a measuring instrume nt with higheficiency and accuracy.The project is mainly combined with the instrument base，correcting stem，detecting stem，level，conveying belt and pacts unloading stem.Moreover，the structure ofthe instrument，design principle 0厂me asuringoptical path and the stem de viation ace ilustrated in details.And it is being detected over the experime nt with thequalifed rate of O.95 which is much Dzore accurate than the traditional way.In a word.the instrument has suchcharacteristics as M efwiency，hUgh accuracy and low random deviation and thus it wilplay an important role in thefieldofparts detecting our country。

Key Words：M echanical Parts；Optical Amplification；M easurement Technologyl I百随着先进数控机床、加工平台的产生，机械零件的加工方式也向着大批量 、专-化方向发展，对机械零件互换性的要求也越来越高 ，因而对所加工零件的检验就成为-项重要的任务。尤其是零件尺寸的检测，其检测结果是衡量某些零件是否合格的重要标准之- 。目前，国内对于大批量零件的尺寸检测常采用抽样调查的方法，并且大多是人工检测。

其缺点：(1)对零件的产品尺寸测量通常是由检测人员借助螺旋测微器进行人工检测的，其检测结果受检测人员的主观因素影响很大，而且工作效率低 、劳动强度大，检测精度低 ；(2)采用抽样检测并不能保证每-个产品都合格，抽戎部检测的产品并不能准确的代表全部产品。而能同时实现机械零件快速、高精度检测的仪器价格都是相当昂贵的 。针对上述缺陷，设计了-种快速、高精度的尺寸检测仪，能够实现低成本、高效率、高精度地检测大批量机械零件的尺寸，以产生更大的经济效益。

2零件高度的检测原理及整体方案设计2.1检测基本原理如图 1所示，有色光线在准直孔的作用下以极细的光束照射出来，通过凹透镜的折射后，到达刻度尺上形成-个亮斑 ，亮斑的位置在刻度尺上反映每-束光线相对于凹透镜中心线的竖直位置。当检测对象的高度与基准高度有偏差时，基准孔相对于凹透镜中心线的竖直位置就会有偏差。由于凹透镜的折射作用，光线与水平方向偏向-定的角度，当射到刻度尺上面时，亮斑的距离偏差比实际检测对象的高度放大Tfljs。倍，式中；产凹透镜的焦距。因此如果放大倍数足够，人工即可以直接分辨出偏差的范围。假设合格被测对象的高度公差范围是，基准对象检测时准来稿日期：2012-09-29基金项目：国家自然基金(51009044)；国家级大学生创新训练计划项目(201210589009)作者简介：蔡 维，(1991-)，男，重庆渝北人，本科生，主要研究方向：机械设计制造及其 自动化；张 燕，(1978-)，女，湖北鄂州人，硕士，副教授 ，主要研究方向：机电-体化208 蔡 维等：基于光学放大原理的机械零件尺寸检测技术 第7期直孔中心线与凹透镜中心线重合，则根据凹透镜折射原理。相应的刻度尺上面的亮斑范围为S。因此当产品检测时，亮斑在范围S以内的为合格品，在范围S以外为非合格品。

(f1)光路图(b)光路放大图图 1光束在不同竖直高度入射后折射到刻度尺的范围Fig.1 Beam Refraction in Diferent Vertical Heightof the Incident to the Scale Range2-2整体方案设计根据光学放大原理所设计的高度检测仪，其检测方案，如图2所示。

图2检测方案流程图Fig.2 Detection Program Flowchart3检测仪的结构设计由光学放大原理设计的检测仪结构，如图3所示。整体上包括底座、校正装置、检测装置、水平仪、传送带及零件卸载装置等几部分。

(a)正视图(b)俯视 图1.准直孔 2.水泡水平仪 3A-f义器区 4.支撑杆 5.滑轨 6.卸载装置7.邑部件 8孩0度尺 9.活动测头 lO.卸载区域 1 1.传送带 l 2.复位弹簧l3.凹透镜 14.检测人位板 15.被测物 16B被测物流水线运动区17.固定测头 18.精密微动旋转杆 l9.旋钮 20.弹簧图3高度检测仪整体结构设计示意图Fig.3 The Height Detector Overall Structure Design Diagram3.1各个部件的功能分析底座包括仪器区 3A和被测物流水线运动区 16B，底座底部设有对称分布在底座底部四角的四个锥体测头，目的是固定整个装置；位于-端的两个活动测头 9可 自由调节整个检测仪的高度。校正装置上的可调高度的精密微动旋转杆上设有准直孔 l，准直孔距离底座的高度可调节；准直孔是为了射出-条直线单色光束。检测装置由滑轨 5、支撑杆4、检测人位板 14、凹透镜 13及复位弹簧 12等组成。支撑杆4可沿着滑轨来回移动，以调节凹透镜13与刻度尺8之间的距离。复位弹簧 12确保前-个物件被检测后使凹透镜复位，以便检测下-个物件。水泡水平仪 2设置在该检测仪底座仪器区，缓慢调节活动测头9，并观察水泡是否位于中间位置，否则继续调整，直至使整个装置水平。检 4装置与刻度尺之间还设有由邑部件7和弹簧20等组成的卸载装置6，通过邑部件17控制弹簧 20可使不合格物件检测完毕后弹出到卸载区域 10。

刻度尺 8用于分辨光束折射后落在刻度尺上的位置，两个极限合格产品检测时，刻度尺上亮斑的两个极端位置即为检测边界点。检测时根据亮斑位置和两边界点判定零件是否合格。

3-2工作过程检测装置校准后 ，以底座为基点。调节检测装置上的旋钮l9，并拿-个标准件放在检测入位板 14下，再调节精密微动螺旋杆 18，使准直孔 1上升到适当高度处，使其凹透镜中心敲透过准直孔内”，记录下”与刻度尺垂直的位置，并固定精密微动螺旋杆 l8。取出检测入位板 14下的标准件，并固定检测装置在滑轨5上的某-位置。例如：17mm为精确物件高度，允许误差范No.7July.201 3 机 械设 计 与 制造围(-0.05～O.05)mm，7ram已经由上述步骤调节完毕，然后将偏差极限的物件 16.95mm和 17.05ram的物件分别放在检测人位板14下，由于凹透镜上下移动，光线射到凹透镜时，发生折射，光线射到刻度尺上，由于物件误差，在刻度尺上①的上下位置出现极限偏差位置②③，②③范围内为零件合格区域，可以用笔标记极限位置以便分辨。检测的准备工作完成。

再分别在传送带l7区域上放人被测零件 15。当被测物在传送带上运动到检测入位板 14下时，由于零件的误差 ，会引起检测入位板上下微小移动，从而引起凹透镜上下微动。让光线折射到刻度尺上8，看是否在垂直刻度尺上②③区域内。如果在②③区域内则符合要求，不在则不合格 ，此时按动邑部件，使卸载装置启动，此时卸载装置上的弹簧20工作，把不合格的物件弹射到卸载区域 10，从而快速检测不出合格物件∩以根据高度的需要自行调节上下物件极限偏差 ，从而确定②③区域，达到所需的精度。

4实验结果与讨论4。1实验结果该系统在仪器调整水平和仪器调零后，进行零件高度的检测实验。假设此时零件的基本尺寸为D，对于上下偏差不-样的零件装配要求，可以采然算成上下偏差相等来简化对光路的分析。这样不仅省去了繁琐的转化过程，而且为光路系统的分析与计算带来方便。其分析结果并不影响该套装置的可靠陛。实验中统-假设：ei-es。此时调节精密微动旋转杆 18，如图3(a)所示，其准直孔中心E距水平底座上表面的垂直距离为h。，同时调节支撑杆 4上旋钮l9，此时检测人位板 l4下端 D距水平底座上表面的垂直距离为h 。调节的支撑杆 5与滑轨5连接处距刻度尺 8的水平距离为 S刻度尺8上偏差光束折射范围最低点为A、最高点为B。最高点与最低点之间的距离为s，最低点 A的水平面的垂直距离为h。精密微动旋转杆 1 8和刻度尺 8之间的距离恒定为常数k。由检测原理可知h。；D，凹透镜中心距检测人位板为常量 a， D-0 。式中：厂-凹透镜的焦距。检测参照数据(用来确定不同零件的合格区域)，如表 1所示；仪器的检测实验结果数据，如表2所示。

表 1检测参照数据Tab.1 The Detection Reference Data组数 焦距flmm 理论偏差es.-.-e./mm h a/ram hJmm Sdmm h/mm s/mm30 17 15O 23.57l 12.8571 32 70345 14o6250 19.286 21.4288O 65 250 62.143 35.7144o0 51.429 57.142100 84 400 65.714 68.57 l5oo 52.143 85.71480 65 250 71.071 17.857400 65.714 28.571100 84 400 82.257 32.286500 78.571 42.857120 l02 500 91.429 57.142600 85.714 68.572表 2实验结果数据Tab.2 The Test Result Data若采用传统螺旋测微器检测零件的合格率。为满足实验的科学性，使用上述实验中同-批零件，每-组零件取 10个零件进行测量，对其中四组进行每个零件进行检测，其测量结果，如表3所示。

4.2实验结果讨论针对第-种由光学放大原理制成的检测仪，对这批零件进∑行分析。由公式 - 0～得平均合格率为：Vw 1-4-w2w 3w4-4-w s-t-w 6A1- w17ws-l-w9w loW 1lw lz- 95%则该检测仪的检测效率在95%2右。

然而对于传统检测仪器检测的结果进行了误差校正得到相对准确的检测结果。

由残余误差公式 ：式中： -算术平均值 ；z厂第 i个测量值；f残余误差 ；△ 术平均值与真值之差。

将上述测量的数据带人公式(1)中：： -W ]-W 2 "4--3W4： 87.5%V当考虑了实验标准偏差 s后，检测组 1时D1121314151ul，- -29.687mrn同时 8，lr-D， (2)根据 ：- 0.810mm。最后结果l： ±3s ： 、/n x/1029687±3-I 、..z j.Z 格产品 9个，W -90%。

5 6 5 6 8 2lO 机械设计与制造No.7July.2013--- 同理：分析得出 、 、 。所以：-- --T W'-WW2W3W44 89.731%则 < 所以得出：使用螺旋测微仪检测零件的合格率没有该设计的精度检测仪检测合格率高。并且该精度检测仪的工作效率明显优于螺旋测微仪，体现了这种光学放大原理检测技术的优越性。

表 3采用传统螺旋测微器检测的数据Tab.3 Traditional Screw Micrometer Detected Data组数 序号 理论 e s D/mm li/mm 测量偏差 合格率l 3O 32.975 -2.9752 3O 31.083 -1.0833 3O 3l-224 -l2244 30 29.382 0.6l85 30 28.529 1.47l1 3 0.96 30 34.156 4.1567 3O 27.016 2.9848 3O 28.163 1.8379 30 27.359 2.64110 30 27.085 2.9151 80 83.201 -3.2012 80 81.132 -1.1323 80 85.307 -5-3O74 80 8O.339 --0.3395 8O 78.535 1.4652 5 0.96 8O 79.306 0.6947 8O 8l J0o5 -1.o058 80 74.345 5.6559 80 8O.696 -o.696lO 8O 77.485 2.515l l00 99.305 0.6952 1o0 lo4.328 -4.3283 lo0 94.o58 5.9424 1o0 93.272 6.7285 loo 105.449 -5.4493 6 0.86 l0o 101.107 -1.1077 l00 lo6.363 -6.3638 1oo 95.158 4.8429 1o0 97.325 2.67510 1oo 94.329 5.67ll 8O 83.201 -3.2012 80 82.147 -2.1473 8O 8O.128 -0.1284 8O 77.328 2.6725 8O 82.1l3 -2.136 80 79.305 0.6954 5 0.97 8O 75.104 4.8968 80 73.085 6.915。9 80 84.305 -4.305lO 8O 83.442 -3.429 1o0 101.747 -l74710 10o 99.21 0.795结论(1)根据光学放大原理设计了-种机械零件尺寸检测仪，其结构简单、操作方便、检测成本较低。

(2)与传统的检测仪器相比，该检测仪不仅能进行单件检测同时也能实现流水线检测，工作效率及检测准确性明显提高。