專利名稱：圓度測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種測(cè)量系統(tǒng)及方法，特別是關(guān)于一種圓度測(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著3C產(chǎn)品小型化、輕型化的發(fā)展趨勢(shì)，在制造3C產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于精密模具、精密加工技術(shù)的要求急速提升，然而在主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，常因主軸本身軸承的摩擦或偏心，影響軸對(duì)稱工件的圓度公差。
圓度公差系一種科學(xué)評(píng)定零件表面質(zhì)量的公差，現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)圓度的測(cè)量有兩種方法，一種是用旋轉(zhuǎn)式圓度儀測(cè)量，另一種是用V形塊測(cè)量。旋轉(zhuǎn)式圓度儀要求一個(gè)高精度值基準(zhǔn)軸系作為基準(zhǔn)，制造成本很高，因此，旋轉(zhuǎn)式圓度儀價(jià)格昂貴，同時(shí)對(duì)被測(cè)工件的限制較多，許多對(duì)圓度公差有較高要求的零件，如大、長軸，不能于轉(zhuǎn)軸式圓度儀上測(cè)量。現(xiàn)有技術(shù)中的V形塊測(cè)量法，通常測(cè)頭設(shè)置于V形塊的夾角平分線上，然后通過測(cè)頭的最大、最少讀數(shù)差來估計(jì)零件的圓度誤差。然而，此種測(cè)量方法存在較大的測(cè)量誤差。
此外，還有一種圓度測(cè)量方法是利用接觸式探針進(jìn)行測(cè)量，但接觸式探針會(huì)與待測(cè)工件相接觸產(chǎn)生摩擦，使工件表面會(huì)因摩擦而導(dǎo)致受損，此外，某些材質(zhì)較軟的工件無法以接觸式探針測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種測(cè)量準(zhǔn)確、適用于精密測(cè)量的圓度測(cè)量系統(tǒng)及方法。
一種圓度測(cè)量系統(tǒng)，用以對(duì)一待測(cè)工件圓度進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量系統(tǒng)包括一激光光源系統(tǒng)、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及一感測(cè)系統(tǒng)，其中該激光光源系統(tǒng)可發(fā)射一激光光束，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置用以安裝該待測(cè)工件，且工件的軸線與激光光束相互垂直，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)與感測(cè)系統(tǒng)之間。
一種圓度測(cè)量方法，用以對(duì)一待測(cè)工件圓度進(jìn)行測(cè)量，該方法主要包括以下步驟提供一種圓度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包括一激光光源系統(tǒng)、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及一感測(cè)系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)與感測(cè)系統(tǒng)之間；將被測(cè)工件裝于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上；開啟激光光源系統(tǒng)，使其對(duì)被測(cè)工件發(fā)射激光光束，且工件的軸線與激光光束相互垂直；使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)工件轉(zhuǎn)動(dòng)；開啟感測(cè)系統(tǒng)，感測(cè)系統(tǒng)感測(cè)激光光強(qiáng)度信號(hào)，并測(cè)出被測(cè)工件的圓度。
相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明圓度測(cè)量系統(tǒng)與方法中，工件始終不接觸測(cè)量系統(tǒng)，可避免使工件表面會(huì)因摩擦而導(dǎo)致受損，另外，利用激光進(jìn)行精確與快速的測(cè)量，因此大大提高測(cè)量精度和效率。

圖1是本發(fā)圓度測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)圓度測(cè)量系統(tǒng)的激光光源系統(tǒng)示意圖；圖3是圓度掃描示意圖；圖4是高斯激光光束的場(chǎng)分布特性圖；圖5(A)圖是高斯光束的光強(qiáng)度分布曲線圖；圖5(B)圖是高斯光束的光強(qiáng)度積分區(qū)域示意圖。
具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明較佳實(shí)施例的圓度測(cè)量系統(tǒng)10，該圓度測(cè)量系統(tǒng)10包括一激光光源系統(tǒng)101、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置(圖未示)及一感測(cè)系統(tǒng)102。激光光源系統(tǒng)101由激光光源1011與若干透鏡1022構(gòu)成，其可發(fā)射一平行的激光光束103。該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)101與感測(cè)系統(tǒng)102之間，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上可安裝一需要進(jìn)行圓度測(cè)量的工件104，且工件104的軸線與激光光束103相互垂直。感測(cè)系統(tǒng)102包括一傳感器1021、一信息處理模塊(圖未示)及一顯示界面(圖未示)，信息處理模塊內(nèi)建立有一光強(qiáng)度信號(hào)與圓度轉(zhuǎn)化關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，傳感器1021感測(cè)的光強(qiáng)度信號(hào)可經(jīng)信息處理模塊處理后選擇性地顯示于顯示界面上。
測(cè)量被測(cè)工件104的圓度時(shí)，將被測(cè)工件104裝于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上；開啟激光光源系統(tǒng)101，使其對(duì)被測(cè)工件104發(fā)射激光光束103；使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)工件104以其軸心線為轉(zhuǎn)軸沿順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；緊接開啟感測(cè)系統(tǒng)102，感測(cè)系統(tǒng)102感測(cè)激光光強(qiáng)度信號(hào)，并測(cè)出被測(cè)工件104的圓度。
請(qǐng)參圖3至圖5，所述圓度測(cè)量方法是應(yīng)用激光刀緣法原理，以下就本圓度測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)說明。當(dāng)激光以基本的橫向電磁模態(tài)震蕩，則產(chǎn)生的光束強(qiáng)度為高斯空間分布形態(tài)，這樣的激光光束103稱為高斯光束，其電場(chǎng)分布，如圖3所示，若以數(shù)學(xué)模型來表示，則可寫成E(r,z)=E0W0W(z)×exp(-r2W2(z))---(a)]]>
×exp{-j[kz-tan(zzR)]}---(b)]]>×exp[-jkr22R(z)]---(c)]]>上式等號(hào)后第一項(xiàng)(a)為一振幅因子(Amplitude factor)，其表示振幅r值而改變的關(guān)系；而第二項(xiàng)(b)為光波沿軸向(longitudinal)z的相位變化關(guān)系；第三項(xiàng)(c)則為表示光波沿徑向(Radial)r的相位變化關(guān)系。
其中，r＝(x2+y2)0.5，W0為束腰半徑(Beam waist radius)，E0為束腰處的電場(chǎng)強(qiáng)度，λ為波長，j為虛數(shù)符號(hào)。在束腰處的平面上，光波波前(Wave front)的曲率半徑R(0)→∞，為一平面且光束的直徑最小。W(z)和R(z)分別為距束腰半徑(Beam waist)距離為z的平面上的光點(diǎn)半徑(Spot size或Beamsize)及其波前的曲率半徑，且波數(shù)k=2πλ,]]>若把原點(diǎn)(z＝0)設(shè)于腰部則W(z)=W0[1+(λzπW02)2]1/2=W0[1+(zzR)2]1/2---(Eq-2)]]>R(z)=[1+(πW02λz)2]=z[1+(ZRZ)2]---(Eq-3)]]>上式中，ZR=πW02λ]]>定義為雷利范圍(Rayleigh range)，束腰(Waist)處距離為ZR(Z＝ZR)的平面上，其光點(diǎn)面積正好為束腰面積(Waist area)的兩倍[W(zR)＝W0]，且其波曲率半徑R為最小。
當(dāng)光束傳播距離z＞＞ZR時(shí)，R≈z，W≈λzπW0,]]>高斯光束近似一位于腰部的點(diǎn)光源發(fā)出的光，其法發(fā)散角(Divergence angle)可近似為θ=dW(z)dz=W0ZR=λπW0---(Eq-4)]]>由此可見W0及λ決定了高斯光束的所有性質(zhì)。
由于光波的電場(chǎng)變化甚快，故于檢測(cè)上皆以光強(qiáng)度的方式處理。而通常檢測(cè)系統(tǒng)系檢測(cè)到光的強(qiáng)度分布而不是振幅，因此由(Eq-1)式和其公軛復(fù)數(shù)相乘而得光的強(qiáng)度分布，以直角坐標(biāo)表的如下I＝E·E*
=I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2W2}---(Eq-5)]]>其中x0，y0是光束的中心；I0＝Imax為光束中心點(diǎn)的光強(qiáng)度；W為光束截面半徑(spot size或beam size)，是高斯光束的半徑，定義成光強(qiáng)度I0自中心點(diǎn)向兩邊降至I0的e-2(約為0.1353倍)時(shí)，兩點(diǎn)間跨越距離的一半。
請(qǐng)同時(shí)參閱圖1與圖4，假定掃描的方向是x軸，則未被待測(cè)圓度工件104遮末的部分激光光束103，經(jīng)由傳感器1021所接受的光強(qiáng)度信號(hào)為S(xa)=∫-∞∞∫xa∞I(x,y)dxdy]]>=∫-∞∞∫xa∞I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2]W2}dxdy---(Eq-6)]]>=I0(πW22)12∫xa∞exp{-2(x-x0)2W2}dx]]>其中xa為工件邊緣于x坐標(biāo)軸所在位置。
由上式(Eq-6)可得到整個(gè)激光光束區(qū)域的光強(qiáng)度分布曲線如圖5(A)所示。今考慮兩個(gè)位置的相應(yīng)差值，也即xk與xk+Δx所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度信號(hào)差為SA(xk)-SB(xk+Δx)=∫-∞∞∫xk-ΔxxkI(x,y)dxdy---(Eq-7)]]>上式(Eq-7)乃的結(jié)果相當(dāng)于圖5(B)中類似狹縫區(qū)域部分的光強(qiáng)度作積分。
若將S(xa)除上激光總能量引起的信號(hào)S(∞)；即全部激光光束103未被遮斷(xa→-∞)的總能量信號(hào)，則可將S(xa)做正規(guī)化處理，得一無因次量光強(qiáng)度信號(hào)，抵抗因環(huán)境撓動(dòng)造成量測(cè)信號(hào)的變化為S‾(xa)=S(xa)S(∞)=(2πω2)12∫xa∞exp[-2(x-x0)ω]dx---(Eq-8)]]>通過以上數(shù)學(xué)模型，可將傳感器1021所感測(cè)光強(qiáng)度信號(hào)換算出所測(cè)工件的圓度，從而建立一光強(qiáng)度信號(hào)與圓度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，這樣可方便圓度測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種圓度測(cè)量系統(tǒng)，用以對(duì)一待測(cè)工件圓度進(jìn)行測(cè)量，其特征在于該測(cè)量系統(tǒng)包括一激光光源系統(tǒng)、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及一感測(cè)系統(tǒng)，其中該激光光源系統(tǒng)可發(fā)射一激光光束，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)與感測(cè)系統(tǒng)之間，用以安裝該待測(cè)工件，且工件的軸線與激光光束相互垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的圓度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該激光光束為高斯光束。
3.如權(quán)利要求1所述的圓度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該激光光束為平行光束。
4.如權(quán)利要求1所述的圓度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該激光光源系統(tǒng)由激光光源與若干透鏡構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的圓度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該感測(cè)系統(tǒng)包括一傳感器、一信息處理模塊及一顯示界面，傳感器所感測(cè)的光強(qiáng)度信號(hào)可經(jīng)信息處理模塊處理后顯示于顯示界面上。
6.一種圓度測(cè)量方法，用以對(duì)一待測(cè)工件圓度進(jìn)行測(cè)量，其特征在于包括以下步驟提供一種圓度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包括一激光光源系統(tǒng)、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及一感測(cè)系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)與感測(cè)系統(tǒng)之間；將被測(cè)工件裝于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上；開啟激光光源系統(tǒng)，使其對(duì)被測(cè)工件發(fā)射激光光束，且工件的軸線與激光光束相互垂直；使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)工件轉(zhuǎn)動(dòng)；開啟感測(cè)系統(tǒng)，感測(cè)系統(tǒng)感測(cè)激光光強(qiáng)度信號(hào)，并測(cè)出被測(cè)工件的圓度。
7.如權(quán)利要求6所述的圓度測(cè)量方法，其特征在于該激光光束為高斯光束。
8.如權(quán)利要求6所述的圓度測(cè)量方法，其特征在于該激光光束為平行光束。
9.如權(quán)利要求6所述的圓度測(cè)量方法，其特征在于該激光光源系統(tǒng)由激光光源與若干透鏡構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求6所述的圓度測(cè)量方法，其特征在于該感測(cè)系統(tǒng)包括一傳感器、一信息處理模塊及一顯示界面，傳感器所感測(cè)的光強(qiáng)度信號(hào)可經(jīng)信息處理模塊處理后顯示于顯示界面上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種圓度測(cè)量系統(tǒng)及方法，該測(cè)量系統(tǒng)包括一激光光源系統(tǒng)、一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及一感測(cè)系統(tǒng)，其中該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)置于激光光源系統(tǒng)與感測(cè)系統(tǒng)之間，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上可安裝一需要進(jìn)行圓度測(cè)量的工件，激光光源系統(tǒng)可發(fā)射一激光光束，且工件的軸線與激光光束相互垂直。該圓度測(cè)量方法包括以下步驟提供一種所述圓度測(cè)量系統(tǒng)及一被測(cè)工件；接著將被測(cè)工件裝于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上；開啟激光光源系統(tǒng)，使其對(duì)被測(cè)工件發(fā)射激光光束；使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)工件轉(zhuǎn)動(dòng)；緊接開啟感測(cè)系統(tǒng)，感測(cè)系統(tǒng)感測(cè)激光光強(qiáng)度信號(hào)，并測(cè)出被測(cè)工件的圓度。利用激光進(jìn)行精確與快速測(cè)量，可大大提高測(cè)量精度和效率。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1884965SQ20051003555
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者簡揚(yáng)昌 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司