[发明专利]便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间坐标的测量仪器及其使用方法，具体地说是一种便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法。

背景技术

三坐标测量机作为一种高效的精密测量仪器，将一切尺寸、形状、位置等几何量测量都归结为坐标测量，利用软件求特征参数，进行评定，使它具有很强的通用性；而且，由于其测量范围大、精度高，易与柔性制造系统和计算机集成制造系统相连接，因而它在机械、电子、汽车和航空航天等工业中有极广泛的应用。

然而，一台传统的三坐标测量机的总重量往往达数吨乃至数十吨，利用三坐标测量机进行测量时需要将被测物放到测量机上，而生产中往往要求在加工、装配现场，在装备上进行测量，还有一些对象根本就无法搬到三坐标测量机上，所以传统的三坐标测量机都因其笨重等原因，均不能满足大型工件现场快速测量的需要。为了实现现场测量，要求发展数字化无导轨便携式现场和在线三坐标测量机。

在国外，近几年来便携式三坐标测量机的发展非常迅速，并有成熟产品投放市场，最具代表性的有激光跟踪视觉三坐标测量机和关节臂式三坐标测量机，但这些便携式三坐标测量机的技术高度保密，而且价格昂贵，在国内很难推广，只有一些科研院所和大型企业在使用。

专利号为200410019071.2的中国发明专利，公开了一种“光笔式便携三维坐标测量系统”，是利用CCD摄像机视觉成像原理和数字图像处理技术来进行测量。由于z轴为摄像机的光轴方向，该方向上的镜头畸变最大，加之测量背景中存在图像干扰等因素，使得虽然在x、y轴方向上的测量精度可以达到0.1mm，但在z轴方向的测量精度还达不到0.1mm。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法，其中的测量机构件组成简单，成本低廉，便于携带与装配，其测量三坐标的方法易于操作且测量结果可靠，测量过程不受环境条件的限制，测量精度可达到1um，如果能有效增大CCD光电探测器阵列的尺寸，其测量精度可以进一步提高到0.1 um。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

一种便携式光纤干涉三坐标测量机，包括光纤衍射球面波发生装置、光纤笔、球面波干涉光强度测量仪，其中：

（1）光纤衍射球面波发生装置与光纤笔

①光纤衍射球面波发生装置包括半导体激光器、激光输入耦合器、耦合用单模光纤、激光耦合器、移相器、两单模光纤、光纤固定环；

②半导体激光器、激光输入耦合器、耦合用单模光纤、激光耦合器依次相串接；

③两单模光纤的一端连接于激光耦合器的输出光束端，它们分别经移相器后将它们的经研磨的出射端于光纤笔的固定环上固定，它们的出射端的端面中心与位于它们下方的光纤笔的笔尖测头中心共线；

（2）球面波干涉光强度测量仪

①球面波干涉光强度测量仪为由CCD光电探测器组成的二维阵列；

②球面波干涉光强度测量仪位于两单模光纤两出射端端面的前方，它们之间有距离。（两球面波能在强度测量仪上产生比较明显的干涉条纹即可，平行设置时相对而言干涉条纹比较明显）；

③激光耦合器的输入光束端连接有独立的CCD光电探测器，用来检测两单模光纤的出射端发射回来的光干涉强度。（以保证两单模光纤发射的球面波有足够的光强）

作为本发明的优化，所述单模光纤的有效内核直径为2-3um，它们的轴线间距为125um。（有效内核直径限定为2-3um，主要是为了保证两模光纤的出射端能产生高质量的球面波。两单模光纤的轴线距离为125um，由光纤外径和光纤固定环结构决定，两单模光纤的轴线距离应尽量小，以保证两光纤出射端产生的球面波为相干光波）

本发明还提供了一种测量三坐标的方法，利用上述便携式光纤干涉三坐标测量机并按照下述步骤顺序进行：

（1）组装设备

组装所述的便携式光纤干涉三坐标测量机，调整光纤笔和CCD光电探测器二维阵列之间的位置，使得由两光纤出射端产生的两球面波在CCD光电探测器阵列上，能产生比较明显的干涉条纹，并使两单模光纤出射端端面中心点A、B与点C上下共线；

（2）测量

给半导体激光器加电，使之产生波长为λ的激光束，该激光束应该稳定，而且其光强能足以使两单模光纤的出射端产生的两相干球面波在CCD阵列上产生明显的干涉条纹。（目前采用波长为632.8nm，功率为2.0mw，光管长205mm的氦氖激光器，当然也可以使用其它波长的激光束，只要满足上述要求就可以）；

该激光束经输入耦合器耦合进耦合用单模光纤；