利用共聚焦色差线传感器对小型圆柱体进行快速且高精度的圆度测量

《Sensors and Actuators A: Physical》：Fast and High-precision Roundness Metrology of Small Cylinders with a Confocal Chroma-line Sensor

　　

李巧琳|吴博荣|李宝珍|赵佳丽|李兴辉|杨树明

中国西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，西安，710049

摘要

圆度测量对于提高工业制造中圆柱形零件的产品质量至关重要。针对小型圆柱形工件的精密圆度测量问题，传统方法难以准确测量这些工件，本文提出了一种表面坐标扫描和重建方法。将直径为3毫米、长度为50毫米的小型圆柱形工件的截面圆划分为24个等效部分，由共聚焦色差线传感器进行扫描。每个部分的坐标点形成一个弧线，其半径和中心坐标通过最小二乘法进行拟合。然后将这24个特征弧线轮廓拼接成一个完整的圆度轮廓。与其他方法相比，该方法具有更高的测量效率，并消除了运动误差，因为在扫描过程中共聚焦色差线传感器的光学探头和被测工件都保持静止状态。实验测得的小型圆柱形工件的圆度误差为0.2微米，与商用仪器的测量结果一致。

引言

圆柱形零件在制造和工业应用中起着重要作用。一些尺寸较小的圆柱形零件被称为小圆柱体，例如小型RV减速器中的滚轮、针滚轴承、精密加工用的销规以及用于测量卡盘跳动量的销规[1]、[2]。由于单个零件的精密错位可能会影响高度关联的零件-组件-装配-整个机器制造过程中的传输精度，因此所使用的圆柱体的质量会极大地影响机器的性能和寿命[3]、[4]。同样，表面质量（包括粗糙度和圆度）也是影响加工质量的关键因素[5]、[6]。因此，小圆柱体的质量对机械和加工过程至关重要。精密测量对于精密制造中的过程和质量控制至关重要，不仅用于通过检测确定制造零件是否满足规定的公差，还用于通过改进工艺或根据测量结果进行补偿来减少与设计值的偏差[7]、[8]、[9]、[10]。因此，对小圆柱体的测量对于提高其质量是必要的。

关于表面形状测量，高伟教授展示了基于超短脉冲激光和光学频率梳的尺寸测量技术[11]。提出了一种基于像差焦点误差差分检测的纳米分辨率扫描探头，用于深孔测量[12]。开发了一种高速高精度的FPGA架构，用于精确的3D形状测量[13]。高反射表面形状测量采用自适应条纹投影技术[14]。传统上，圆度测量使用两点法、三点法或投影法进行。高精度圆度测量可以通过旋转扫描方法实现，例如使用Taylor Hobson高精度圆度测量仪器。圆度偏差可以通过四种方法进行评估：最小外接圆（MCC）、最大内切圆（MIC）、最小区域圆（MZC）和最小二乘圆（LSC）。还开发了一种在线测量方法，用于测量球体的圆度偏差[15]。高伟教授提出了一种正交混合方法，用于圆度测量中的误差分离，该方法使用一对位移传感器和角度传感器[16]。在此基础上，使用三个彩色共聚焦传感器来分离直径为30毫米的圆柱形工件的运动误差[17]。然而，由于偏心和倾斜误差，准确测量小型圆柱形工件的圆度仍然具有挑战性[18]。为了解决这个问题，日本东北大学的魏伟教授实验室开发了一种拼接线性扫描方法。与传统旋转扫描方法不同，该方法将小圆柱体安装在V形槽上，并使用金刚石触针轮廓仪进行线性扫描[19]、[20]、[21]。后续研究采用红宝石球触针作为机械滤波方法，以消除金刚石触针引起的高频数据的影响[22]。尽管使用红宝石球触针的拼接线性扫描方法可以实现高精度的圆度测量，但触针的测量力会影响测量结果的对准。传统上，非接触式表面形状测量可以通过基于相位计算的结构光技术实现，但其精度无法满足小尺寸工件的圆度测量要求[23]、[24]。虽然已经提出了一些微光学超精密方法用于精确测量[25]、[26]，但它们不适合小圆柱体的圆度测量[25]、[26]。因此，开发了一种非接触式超精密二维坐标测量机，用于精细圆柱形工件的圆度测量，该测量机采用超精密直线台和共聚焦位移传感器[27]、[28]、[29]、[30]。然而，这种设备存在效率低和受直线台运动误差影响的问题。

本文提出了一种快速高精度的圆柱形工件圆度测量方法。实验中使用了由180个光谱共聚焦位移传感器组成的共聚焦色差线传感器，这些传感器的间距为7.5微米。被测的小圆柱体安装在V形槽上，其轴线垂直于色差线。因此，圆柱体与色差线的交点曲线作为弧线坐标数据获得。将工件截面的坐标划分为24个等效弧线进行扫描，相邻弧线之间有重叠区域。通过组合这些弧线轮廓形成圆度轮廓。由于共聚焦色差线传感器的光学探头和工件都保持静止，因此测量效率高且无运动误差。以下部分将介绍所提出方法的原理和实验。

部分摘录

原理

核心思想是使用光学传感器收集被测工件表面的亚微米级坐标数据。通过这些坐标来表征表面地形。对于小圆柱体的圆度测量，将截面圆的精密坐标数据分割成多个等效弧线，由色差线传感器进行扫描。如图1(a)所示，小圆柱体初始位置放置在V形槽中（弧线1）。

实验

如图4(a)所示，共聚焦色差线传感器（由180个间距为7.5微米的共聚焦点位移传感器组成）安装在一个具有3个自由度（DOF）的手动平台上。该传感器的分辨率为0.15微米，Z轴测量范围为0.1毫米，最大可测量倾斜角度为±40°，但实际上只有$\pm 10.5°$' role="presentation">$\pm 10.5°$中心部分适用于所提出方法的精密圆度测量，因为被测工件是圆柱形状。

比较

为了展示所提出技术的快速高精度测量能力，进行了对比分析。图8(a)和(b)分别展示了色差线传感器和共聚焦传感器的弧线坐标扫描示意图。

实验和对比验证中使用的共聚焦色差线传感器、点型色差共聚焦传感器以及商用基准测量仪的具体型号和核心技术规格如下所示

结论

本文提出了一种用于小型圆柱形工件（直径3毫米，长度50毫米）圆度测量的表面精密坐标扫描和重建方法，由于这些工件尺寸较小，传统方法难以准确测量。实验中使用了共聚焦色差线传感器（由180个分辨率为0.15微米的共聚焦点位移传感器组成，Z轴测量范围为0.1毫米，可测量倾斜角度为±40°）。结果表明

CRediT作者贡献声明

李巧琳：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。李宝珍：撰写——审阅与编辑、正式分析、概念化。吴博荣：撰写——审阅与编辑、可视化、软件开发、数据分析、正式分析。李兴辉：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、正式分析。赵佳丽：资源协调，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

李巧琳于2022年在日本东北大学获得精密工程博士学位，2022年至2024年在中国清华大学担任博士后研究员。他目前是西安交通大学的机械工程教授。他的研究兴趣集中在微纳制造的表面测量领域，包括精密机械零件和光学元件。