CN104596428B - 基于光谱共焦及三角法原理的白光测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头***和方法。本发明中的白光测头由光谱共焦测量模块、三角测量模块、数据处理模块和运动控制模块组成。光谱共焦测量模块完成基于光谱共焦原理的高精度位移测量，并为三角测量模块提供白光点光源；三角测量模块完成基于三角原理的位移测量，并为光谱共焦测量模块提供定位信息，保证被测工件与白光测头距离在光谱共焦测量模块的测量范围之内；数据处理模块完成对光谱共焦测量模块和三角测量模块输出数据的处理和融合，并把结果输出给运动控制模块；运动控制模块根据数据处理模块的计算结果调整白光测头与工件间的距离。本发明提出的基于光谱共焦和三角法原理的白光测头具有体积小、结构紧凑的优点，并可以实现大量程、高精度位移及轮廓测量。

Description

基于光谱共焦及三角法原理的白光测头

技术领域

本发明涉及一种白光测头***和方法。更具体地，涉及一种基于光谱共焦原理和三角法原理进行位移测量的白光测头***和方法。

背景技术

随着我国的航空、航天、汽车和造船等高技术产业飞速发展，对产品的零部件外形及尺寸的精度，特别是“空间复杂曲面零件”的工艺水平及精度要求越来越高，如，飞机发动机的叶片、螺旋叶片、轮机叶片、复杂刀具等。能否对复杂曲面零件进行高效率、高精度的检测，将直接关系到产品的质量和使用寿命。

能对复杂曲面零件进行高效率、高精度测量的技术手段业内一般称作“坐标测量机测头”。测头通常分为接触式测头与非接触式测头两类。前者主要是机械式测头，后者主要是光学测头。

非接触式测头，即光学测头，采用光学方法进行测量。具有如下优点：1)无伤检测：因是非接触测量，所以没有测量力，可测量柔软和易变形件、脆性和易损件，特别适合那些不允许接触的场合；(2)可远距离测量：即，可远离被测工件对曲面进行扫描测量；(3)测量效率高：不像接触测头那样需要探测、退回、移动等进行逐点测量，可高速扫描测量；(4)测量精度高：因光斑可做得很小，进而可探测一般机械测头难以探测的部位，并无需测头半径补偿。

光学测头以三角测量法应用最为广泛。三角测量法主要基于光学三角法测量原理，具体说来，就是利用光源、像点和物点之间的三角关系来求得物点的距离。传统的三角法光学测头所用光源主要是激光光源，因为激光具有亮度高、探测信噪比高的优点。但激光测头进行三角测量时，照射到物体表面的激光会呈现颗粒状的结构，这种颗粒状的结构称为“散斑”。由于散斑效应的存在，确定像点的质心位置变得异常困难，导致三角法测量误差很大，测量光洁度高的物体表面时更为明显。如果用白光作为三角法测量的光源，在物体表面反射后，不会出现散斑效应，得到的是分布均匀且对称的光点，这样就能大大提高三角法的测量精度。

光学三角法目前的测量精度为十几微米，为了更精细的测量位移，需要采用新型位移测量技术。

光谱共焦技术是基于共焦原理并结合光谱信息进行微位移测量的一种新技术。该***光源为白光源，通过透镜组发生光谱色散，不同波长的单色光聚焦到不同的轴向位置，被被测物体表面反射并被透镜组聚焦到针孔，针孔后的光谱仪得到一个光谱峰，光谱峰的峰值位置对应聚焦于被测物体表面的波长，可以换算为距离值。

光谱共焦***在物体表面形成的是一系列单色光形成的光斑，如果精心设计光学***，可以让该光斑的尺寸减小到几十微米，从而可以为三角法测量提供满足要求的白光点光源。

光谱共焦技术的测量精度与测量范围有关，小的测量范围可以得到更高的精度，比如，测量范围为几十微米的光谱共焦位移传感器测量精度可以达到0.01微米。

三角法和光谱共焦技术相结合可以同时兼顾大量程和高精度。比如，三角法量程为10厘米时，三角法测量精度可达到十几微米；光谱共焦技术测量范围为几十微米时，测量精度可以达到＜0.1微米，两种方法测量数据融合就可以达到测量范围10厘米，测量精度0.1微米的指标，这样，相对测量精度就可以达到1/10⁵。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头，实现大量程、高精度位移测量。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头***，其由光谱共焦测量模块、三角法测量模块、数据处理模块及运动控制模块组成；

其中，

光谱共焦测量模块由白光光源、Y型光纤、光谱共焦透镜组、光谱测量模块组成，白光光源耦合到Y型光纤中，Y型光纤出射的白光经光谱共焦透镜组成像到工件上，被工件表面反射的光再经光谱共焦透镜组聚焦进Y型光纤，并经Y型光纤传导到光谱测量模块中，光谱测量模块完成回光的光谱测量，并把测量结果发送给数据处理模块；

三角测量模块由成像透镜组和面阵CCD组成，成像透镜组实现把光谱共焦测量模块投影在被测工件表面的白光点成像到面阵CCD上，面阵CCD实现白光像点探测并传送到数据处理模块；

数据处理模块包括光谱数据处理模块、图像数据处理模块和数据融合模块。其中所述光谱数据处理模块处理光谱共焦测量模块输出的光谱数据，得到光谱峰值；图像数据处理模块处理三角测量模块中的面阵CCD采集输出的图像数据，提取白光像点中心；数据融合模块根据光谱数据处理模块输出的光谱峰值计算位移量，并根据图像数据处理模块输出的白光像点中心坐标计算位移量，再把两种不同精度的位移量进行融合，实现大量程、高精度位移测量；

运动控制模块控制白光测头相对工件的运动，保证测头和工件的距离在光谱共焦测量模块的测量范围内，并实现动态测量；

在一些实施例中，所述光谱共焦测量模块中的白光光源可以采用卤钨灯或者白光LED。

在一些实施例中，所述光谱共焦测量模块中的光谱仪光谱测量范围应该包括白光光源的大部分或全部可见-近红外光谱段。

在一些实施例中，所述光谱共焦测量模块中的Y型光纤是单向传输的，即，白光源从Y型光纤一个输入端耦合输入，而反射回来的光从另一输入端输出到光谱仪。

在一些实施例中，所述光谱共焦测量模块中的光谱共焦透镜组可以根据需要设计，达到所需的测量范围、测量精度的指标。

在一些实施例中，所述三角测量模块中的面阵CCD也可采用线阵CCD，这时数据处理模块中的图像数据处理模块用于提取一维图像的中点。

一种采用基于光谱共焦和三角法原理的白光测头实现位移测量的方法，包括以下步骤：

1 光谱共焦测量模块中的白光光源发出的白光耦合进Y型光纤中的一个输入端，并从输出端输出，输出的白光经光谱共焦透镜组聚焦到工件表面；

2 聚焦到工件表面的白光被工件反射，部分反射光再次经光谱共焦透镜组聚焦到Y型光纤的输出端，经Y型光纤传输在另一个输入端输出到光谱测量模块中；

3 光谱共焦测量模块中的光谱测量模块测量Y型光纤输出的光谱，并传送给数据处理模块中的光谱数据处理模块，根据光谱共焦原理，得到的光谱是近似高斯型的曲线；

4 数据处理模块包括光谱数据处理模块提取光谱曲线的中心波长，并把中心波长值传给数据融合模块；

5 被测工件表面反射的部分反射光经三角测量模块中的成像透镜组成像到三角测量模块中的面阵CCD上，面阵CCD探测图像信息并输出给数据处理模块；

6 数据处理模块中的图像数据处理模块提取图像(一般为圆光斑或椭圆光斑)的中心点，并把中心点坐标值传给数据融合模块。

7 数据处理模块中的数据融合模块根据光谱数据处理模块传输的中心波长图计算得到一个工件距离测头的距离值，并根据图像数据处理模块传输的图像中心坐标值计算得到工件到测头的另一个距离值，两个距离值具有不同的测量精度；

8 数据融合模块对两个不同精度的测量数据进行融合，得到最终的距离值；

9 如果工件到测头的距离超过了光谱共焦测量模块的测量范围，数据融合模块会发出指令给运动控制模块，通过运动控制模块来调整测头位置，并进行上述步骤。

本发明提出的基于光谱共焦和三角法原理的白光测头利用光谱共焦测量模块在工件表面产生的白光点作为三角法测量模块的白光测点，充分吸取了目前国际上流行的白光检测的技术优势；并且利用三角法测量值作为光谱共焦测量模块的定位信息，来保证被测工件处于光谱共焦测量模块的测量范围内；又充分结合了三角法测量范围较大和光谱共焦法测量精度高的特点，优势互补，实现大量程、高精度的位移测量。

附图说明

图1所示为白光测头***模块组成；

图2所示为白光测头光学***图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下通过实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明提出了一种用于坐标测量机的白光测头***和方法，具体来说，就是基于光谱共焦技术和三角法原理的白光测头，可以实现大量程、高精度的位移量测量，从而为需要精确测量工件表面轮廓的工业应用提供更好的技术手段。

本发明实施例的白光测头***组成如图1所示，其主要包括：光谱共焦测量模块1；三角测量模块2；数据处理模块3；运动控制模块4。

其中，

光谱共焦测量模块1由白光光源1A、Y型光纤1B、光谱共焦透镜组1C、光谱测量模块1D组成；

如图2所示，白光光源1A耦合到Y型光纤1B中，Y型光纤1B出射的白光经光谱共焦透镜组1C成像到工件上，被工件表面反射的光再经光谱共焦透镜组1C聚焦进Y型光纤1B，并经Y型光纤1B传导到光谱测量模块1D中，光谱测量模块1D完成回光的光谱测量，并把测量结果发送给数据处理模块3；

光谱共焦测量模块1中的白光光源1A可以采用卤钨灯、白光LED或者其他宽带白光源。

光谱共焦测量模块1中的Y型光纤1B是单向传输的，即，白光光源1A从Y型光纤1B一个输入端耦合输入，而反射回来的光从另一输入端输出到光谱测量模块1D。

光谱共焦测量模块1中的光谱共焦透镜组1C可以根据需要设计，达到所需的测量范围、测量精度的指标。

光谱共焦测量模块1中的光谱测量模块1D光谱测量范围应该包括白光光源的大部分或全部可见-近红外光谱段。

三角测量模块2由成像透镜组2A和面阵CCD2B组成；

如图2所示，成像透镜组2A实现把光谱共焦测量模块1投影在被测工件5表面的白光点成像到面阵CCD2B上，面阵CCD2B实现白光像点探测并传送到数据处理模块3；

三角测量模块2中的面阵CCD2B也可采用线阵CCD，这时数据处理模块3中的图像数据处理模块3B用于提取一维图像的中点。

数据处理模块3包括光谱数据处理模块3A、图像数据处理模块3B和数据融合模块3C。其中，光谱数据处理模块3A处理光谱共焦测量模块1输出的光谱数据，得到光谱峰值；图像数据处理模块3B处理三角测量模块2中的面阵CCD2B采集输出的图像数据，提取白光像点中心；数据融合模块3C根据光谱数据处理模块3A输出的光谱峰值计算位移量，并根据图像数据处理模块3B输出的白光像点中心坐标计算位移量，再把两种不同精度的位移量进行融合，实现大量程、高精度位移测量；

运动控制模块4根据数据处理模块3测量得到的位移数据来控制白光测头相对被测工件5的运动，保证测头和被测工件5的距离在光谱共焦测量模块1的测量范围内，并实现动态测量；

本发明实施的白光测头具有如下优点：

1.可以把光谱测量模块与白光光源放置于坐标测量机的底座部分，通过Y型光纤把光引导到白光测头中，从而使白光测头结构紧凑、体积小；便于运动；

2.充分结合光谱共焦测量精度高和三角法测量范围较大的优势，真正实现大量程、高精度位移测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头***，其由光谱共焦测量模块(1)、三角测量模块(2)、数据处理模块(3)和运动控制模块(4)组成；

所述光谱共焦测量模块(1)由白光光源(1A)、Y型光纤(1B)、光谱共焦透镜组(1C)、光谱测量模块(1D)组成；白光光源(1A)耦合到Y型光纤(1B)中，Y型光纤(1B)出射的白光经光谱共焦透镜组(1C)成像到工件上，被工件表面反射的光再经光谱共焦透镜组(1C)聚焦进Y型光纤(1B)，并经Y型光纤(1B)传导到光谱测量模块(1D)中，光谱测量模块(1D)完成回光的光谱测量，并把测量结果发送给所述数据处理模块(3)；

所述三角测量模块(2)由成像透镜组(2A)和面阵CCD(2B)组成，实现基于三角法的位移测量；成像透镜组(2A)实现把所述光谱共焦测量模块(1)投影在被测工件表面的白光点成像到面阵CCD(2B)上，面阵CCD(2B)实现白光像点探测并传送到所述数据处理模块(3)；

所述数据处理模块(3)包括光谱数据处理模块(3A)、图像数据处理模块(3B)和数据融合模块(3C)；其中，光谱数据处理模块(3A)处理所述光谱共焦测量模块(1)输出的光谱数据，得到光谱峰值；图像数据处理模块(3B)处理所述三角测量模块(2)中的面阵CCD(2B)采集输出的图像数据，提取白光像点中心；数据融合模块(3C)根据光谱数据处理模块(3A)输出的光谱峰值计算位移量，并根据图像数据处理模块(3B)输出的白光像点中心坐标计算位移量，再把两种不同精度的位移量进行融合，实现大量程、高精度位移测量；

所述运动控制模块(4)根据所述数据处理模块(3)测量得到的位移数据来控制白光测头相对被测工件(5)的运动，保证测头和被测工件(5)的距离在所述光谱共焦测量模块(1)的测量范围内，并实现动态测量；

所述光谱共焦测量模块(1)中的白光光源(1A)采用卤钨灯或者白光LED。

2.一种采用权利要求1所述白光测头***进行位移测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)光谱共焦测量模块(1)中的白光光源(1A)发出的白光耦合进Y型光纤(1B)中的一个输入端，并从输出端输出，输出的白光经光谱共焦透镜组(1C)聚焦到工件表面；

b)聚焦到工件表面的白光被工件反射，部分反射光再次经光谱共焦透镜组(1C)聚焦到Y型光纤(1B)的输出端，经Y型光纤(1B)传输在另一个输入端输出到光谱测量模块(1D)中；

c)光谱共焦测量模块(1)中的光谱测量模块(1D)测量Y型光纤(1B)输出的光谱，并传送给数据处理模块(3)中的光谱数据处理模块(3A)，根据光谱共焦原理，得到的光谱是近似高斯型的曲线；

d)数据处理模块(3)中光谱数据处理模块(3A)提取光谱曲线的中心波长，并把中心波长值传给数据融合模块(3C)；

e)被测工件表面反射的部分反射光经三角测量模块(2)中的成像透镜组(2A)成像到三角测量模块(2)中的面阵CCD(2B)上，面阵CCD(2B)探测图像信息并输出给数据处理模块(3)；

f)数据处理模块(3)中的图像数据处理模块(3B)提取图像的中心点，并把中心点坐标值传给数据融合模块(3C)；

g)数据处理模块(3)中的数据融合模块(3C)根据光谱数据处理模块(3A)传输的中心波长图计算得到一个被测工件(5)距离测头的距离值，并根据图像数据处理模块(3B)传输的图像中心坐标值计算得到被测工件(5)到测头的另一个距离值，两个距离值具有不同的测量精度；

h)数据融合模块(3C)对两个不同精度的测量数据进行融合，得到最终的距离值；

i)如果被测工件(5)到测头的距离超过了光谱共焦测量模块(1)的测量范围，数据融合模块(3C)会发出指令给运动控制模块(4)，通过运动控制模块(4)来调整测头位置，并进行上述步骤。