光学干涉法半球动压马达球径检测仪

段荣; 王静; 岳春国; 董清宇

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0032

光学干涉法半球动压马达球径检测仪

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0032

北京航天控制仪器研究所，北京 100039

详细信息

作者简介:
段荣（1961-），北京航天控制仪器研究所研究员，研究方向：机械设计等，邮箱：17710784912@163.com

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出版历程
- 网络出版日期: 2021-08-18

A Ball Diameter Measuring Instrument Based on Optical Interferometry for Hemisphere Dynamic Pressure Motors

Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 10039, China

摘要

摘要: 半球动压马达的球形偶件（即半球和球碗）由于精度高，其加工过程中的球径和球度检测必须依靠高精度三坐标仪和圆度仪，检测过程繁琐、复杂、耗时、低效，成为长期以来半球动压马达制造过程中最大的效率瓶颈之一。本文介绍了一种基于光的干涉原理研制而成的球径检测装置。工程应用表明：该装置具有操作简便、精度高和结果直观等优点，并可实现零件加工时的在位检测，极大地提高了检测效率，对提高半球动压马达乃至所有球形零件的制造效率具有重要意义。
- 半球动压马达 /
- 光学干涉 /
- 干涉光圈 /
- 球径 /
- 球度
Abstract: As the precision of the spherical couple parts (i.e. the hemisphere and the ball bowl) of a hemisphere dynamic pressure motor is very high, their ball diameter and sphericity measurement during fabricating process have to rely on high precision three-dimensional and roundness measuring instruments. Therefore the measuring process is tedious, complicated, time-consuming, and inefficient. For a long time, it has been one of the bottlenecks that reduce efficiency in the manufacture of hemisphere dynamic pressure motors. In this paper, a ball diameter measuring instrument developed on the basis of the principal of optical interference is introduced. Its application showed that it featured simple operation, high precision, and visible results. It can be used for in-situ measurement while the parts are under fabrication, which greatly improves the measurement efficiency. It has great potential for increasing the efficiency of manufacture of hemisphere dynamic pressure motors and other spherical parts as well.
- hemisphere dynamic pressure motor /
- optical interference /
- interference aperture /
- ball diameter /
- sphericity

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图 1 球形偶件

Figure 1. Spherical couple parts

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图 2 光的等厚干涉

Figure 2. Optical equal thickness interference

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图 3 干涉条纹的相关计算

Figure 3. The calculation of interference apertures

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图 4 基准光学样板检测球形零件

Figure 4. Checking spherical parts using a benchmark optical part

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图 5 合格与不合格球度光圈示例

Figure 5. The apertures examples of qualified and unqualified sphericity

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图 6 检测仪的组成

Figure 6. The composition of the instrument

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图 7 手持测头功能

Figure 7. Function of the handheld probe

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图 8 手持测头外形结构

Figure 8. Schematic of the handheld probe

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图 9 基准光学玻璃样板外形

Figure 9. Profile of the benchmark optical parts

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图 10 光学样板间的快速切换

Figure 10. Quick replacement of different optical parts

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图 11 具有干涉图形自动处理和球径显示功能

Figure 11. Function of auto-processing and display of ball diameters

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图 12 检测仪外形

Figure 12. The appearance of the measuring instrument case

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表 1 光圈数与球径差之间的对应关系表

Table 1. The correspondence between aperture number and ball radius

光圈数N	半径差△（μm）	光圈数N	半径差△（μm）
0.25	0.000	5.25	7.703
0.50	0.000	5.50	7.445
0.75	0.372	5.75	7.818
1.00	0.745	6.00	8.190
1.25	1.117	6.25	8.562
1.50	1.489	6.50	8.934
1.75	1.861	6.75	9.307
2.00	2.234	7.00	9.679
2.25	2.606	7.25	10.051
2.50	2.978	7.50	10.423
2.75	3.335	7.75	10.795
3.00	3.327	8.00	11.168
3.25	4.095	8.25	11.540
3.50	4.467	8.50	11.912
3.75	4.839	8.75	12.285
4.00	5.212	9.00	12.657
4.25	5.584	9.25	13.029
4.50	5.956	9.50	13.401
4.75	6.328	9.75	13.774
5.00	6.701	10.00	14.146

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表 2 光圈形态与球度之间的对应关系

Table 2. The correspondence between aperture shape and sphericity

光圈形态	球度值（µm）
	0.1
	0.2
	0.3
	0.4
	0.5
	0.6
	0.7

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表 3 球径检测结果对比

Table 3. Comparison of measurements of ball radius

零件编号	三坐标仪/mm	光学干涉法/mm	二者之差/µm
球碗1	R7.4964	R7.4964	0
球碗2	R7.4988	R7.4989	0.1
球碗3	R7.4940	R7.4942	0.2

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表 4 当前检测法与光学干涉法综合对比

Table 4. Comparison between the current method and the optical interferometry-based method

对比项目	三坐标+圆度仪	光学干涉法	说明
检测时间	20分钟	4秒	时间缩短至原来的1/300
能否在位检测？	不能	能
能否直观了解面形误差情况?	不能	能	光圈形状可反映球度误差形貌
需要专业人员操作？	需要	不需要

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