CN114295075B - 一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法，包括：用于同时生成环形光和准直光的光生成模块，且环形光的传输方向垂直于被测样件的对称中心轴，准直光的传输方向平行于所述被测样件的对称中心轴；用于接收第一反射光并生成第一物像的第一反射光检测模块；用于接收第二反射光并生成第二物像的第二反射光检测模块，以及用于根据第一反射光集获取内凹空间侧面轮廓和根据第二反射光集获取内底面轮廓的控制处理模块。本发明的目的在于提供一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法，有效解决了原各种单探头角度适应性不足，***结构复杂等问题。

Description

一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法

技术领域

本发明涉及轮廓测量技术领域，尤其涉及一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法。

背景技术

随着精密加工技术的不断进步，各种形状的样件表面加工质量不断提升，对表面轮廓检测技术也提出越来越高的要求。轮廓测量方法可分为接触式和非接触式两大类。其中，非接触式测量由于对被测样品表面的无损伤特性而受到青睐，包括干涉法、激光三角法以及共焦法等等。其中，干涉法测量精度极高，但***结构复杂，且对环境稳定性有非常高的要求；共焦法与激光三角法测头结构紧凑，然而由于角度适应性问题，测量内凹型工件内轮廓时需要多个测头与复杂的机械运动结构配合扫描完成，且测量效率较低。

总而言之，由于空间干涉、测头角度适应性等问题，难以实现简单的内凹型工件内轮廓整体测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置及方法，有效解决了原各种单探头角度适应性不足，***结构复杂等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本申请实施例的第一方面提供一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，包括：

光生成模块，用于同时生成环形光和准直光，且所述环形光的传输方向垂直于被测样件的对称中心轴，所述准直光的传输方向平行于所述被测样件的对称中心轴；

第一反射光检测模块，用于接收第一反射光并生成第一物像；所述第一反射光为所述环形光在第一接触位置生成的反射光，所述第一接触位置为所述环形光与所述被测样件的内凹空间侧面的接触位置；

第二反射光检测模块，用于接收第二反射光并生成第二物像；所述第二反射光为所述准直光在第二接触位置生成的反射光，所述第二接触位置为所述准直光与所述被测样件的内底面的接触位置；

控制处理模块，用于根据第一反射光集获取所述内凹空间侧面的轮廓以及根据第二反射光集获取所述内底面的轮廓；

所述第一反射光集为所述第一反射光的集合，所述第二反射光集为所述第二反射光的集合。

相对于现有的测量方法，本申请实施例提供的轮廓测量装置集内凹型工件的侧面轮廓测量和底面轮廓测量于一体，在测试过程中，无需更换测试光路或测试设备便可以测量内凹型工件的侧面轮廓和内凹型工件的底面轮廓，极大的提高了测试效率；此外，由于本申请实施例提供的轮廓测量装置可同时生成用于测量底面轮廓的准直光和用于测量侧面轮廓的环形光，因此不需要多个测头与复杂的机械运动结构相配合，且环形光传输方向垂直于光轴，不需要与定心结构配合，简化了测量装置的复杂度，降低了测量成本。

优选地，所述光生成模块包括依次共轴设置的光发生器、第一光学***、圆台棱镜以及正透镜；

所述圆台棱镜的顶面直径小于所述第一光学***的出射光束直径，所述圆台棱镜的底面直径大于所述出射光束直径，且所述圆台棱镜的侧面与所述圆台棱镜的底面夹角为45°，所述圆台棱镜的顶面靠近所述第一光学***侧。

优选地，所述第一光学***包括共轴且沿光路传输方向依次设置的负透镜、正透镜以及匀化片。

优选地，所述光发生器为超连续谱激光器。

优选地，所述第一反射光检测模块包括共轴且沿光路传输方向依次设置的成像镜头和第一图像传感器。

优选地，所述第二反射光检测模块包括共轴且沿光路传输方向依次设置成像透镜和第二图像传感器。

优选地，还包括位移模块，所述第一反射光检测模块、所述光生成模块以及所述第二反射光检测模块沿光路传输方向设置在所述位移模块上。

优选地，所述位移模块包括支撑平台和驱动机构；

所述第一反射光检测模块、所述光生成模块以及所述第二反射光检测模块沿光路传输方向设置在所述支撑平台上；所述驱动机构的驱动端与所述支撑平台固定连接，所述驱动机构的信号输入端与所述控制处理模块电连接。

优选地，所述支撑平台为筒状支撑平台，且所述支撑平台的出光侧透明。

本申请实施例的第二方面提供一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量方法，应用于如上所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，包括以下步骤：

获取第一反射光集；

获取第二反射光集；

根据所述第一反射光集和环形光切法获取所述内凹空间侧面的轮廓；

根据所述第二反射光集和激光三角测距法获取所述内底面的轮廓。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、有效解决了原各种单探头角度适应性不足，***结构复杂等问题，可以方便地获取侧面轮廓和底面轮廓，填补该应用领域现有技术的空白，实现了内凹型工件的内表面整体三维轮廓高效率测量；

2、环形光的传播方向垂直与光轴，避免了环形光不垂直于光轴时，光轴与被测样件中心轴间不共轴导致环形光自带离轴误差，导致测量不准确；

3、采用超连续谱激光作为种子光源，避免了反射光束由于干涉在环形光束上产生散斑现象（光束非常不均匀），使计算时轮廓线定位不准，导致测量误差。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明轮廓测量装置的光路结构示意图；

图2为本发明光生模块的光路结构示意图；

图3为本发明环形光束与内凹空间侧面接触位置的轮廓线示意图；

图4为本发明透镜组的光路结构示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1、光发生器；2、第一光学***；3、圆台棱镜；4、正透镜；5、成像透镜；6、第二图像传感器；7、第一反射光检测模块；8、支撑平台；9、驱动机构；10、控制处理模块；11、被测样件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，如图1所示，包括：

光生成模块，用于同时生成环形光和准直光，且环形光的传输方向垂直于被测样件11的对称中心轴，准直光的传输方向平行于被测样件11的对称中心轴。通过此种设置，使得光生成模块中心轴（也是环形光的中心）与被测样件11的对称中心轴可以只平行而不共轴，即不会造成环形光因离轴产生的圆形误差(由正圆变成椭圆形)，避免了环形光斜入射（环形光传输方向与被测样件11的对称中心轴夹角不为90°时）时***需要增加共轴调节机构的问题。

第一反射光检测模块7，用于接收第一反射光并生成第一物像；第一反射光为环形光在第一接触位置生成的反射光，第一接触位置为环形光与被测样件11的内凹空间侧面的接触位置；

第二反射光检测模块，用于接收第二反射光并生成第二物像；第二反射光为准直光在第二接触位置生成的反射光，第二接触位置为准直光与被测样件11的内底面的接触位置；

控制处理模块10，用于根据第一反射光集获取内凹空间侧面的轮廓以及根据第二反射光集获取内底面的轮廓；

第一反射光集为第一反射光的集合，第二反射光集为第二反射光的集合，且作为优选地，避免重复处理相同的数据，第一反射光集中的任意一束第一反射光均来自于不同的第一接触位置；第二反射光集中的任意一束第二反射光均来自于不同的第二接触位置。

具体地，本实施例中的光生成模块如图2所示，包括依次共轴设置的超连续谱激光器、第一光学***2、圆台棱镜3以及正透镜4，且圆台棱镜3的顶面靠近第一光学***2侧；

其中，由于超连续谱激光器发出的光为宽光谱高斯光，宽光谱可以避免反射光产生散斑，而高斯光通过圆台棱镜后，无论是反射而成的圆环光还是透射而成的准直光，其光束分布都是不均匀的，难以准确识别提取轮廓线，因此本实施例中设置有用于对超连续谱激光器发出的高斯光进行准直、扩束和光束整形的第一光学***2，从而将高斯光转变为均匀光，以避免上述问题的产生。具体地，本实施例中的第一光学***2包括透镜组和用于将呈高斯分布的光强转变为均匀分布的匀化片，且透镜组和匀化片沿光路传输方向依次设置。其中，为缩短光路结构，减小测量装置的体积，本实施例中的透镜组采用伽利略扩束结构，如图4所示，包括一个负透镜和一个正透镜，且负透镜和正透镜之间的距离为负透镜和正透镜的焦距之差。

同时为减小轮廓测量装置的体积，本实施例中通过圆台棱镜3来同时生成环形光和准直光，具体的，本实施例中的圆台棱镜3顶面直径小于第一光学***2的出射光束直径，圆台棱镜3底面直径大于出射光束直径，且圆台棱镜3侧面与圆台棱镜3底面的夹角为45°。其中，作为优选地，为使得更多的光束能够进行反射或透射，圆台棱镜3侧面均匀的镀设有高反射膜层，圆台棱镜3顶面均匀的镀设有高透膜层。

工作时，超连续谱激光器发出光斑为圆形的高斯激光光束，高斯激光光束经第一光学***2扩束、准直和匀化后，变成光束直径增加且光强均匀分布的准直光束，其中，准直光束直径大于圆台棱镜3顶面的部分传输至圆台棱镜3侧面，经圆台棱镜3侧面反射后形成环形光束，并传输到内凹空间侧面；准直光束直径小于圆台棱镜3顶面的部分，穿过圆台棱镜3顶面，由圆台棱镜3底面出射，并经正透镜4聚焦于内底面。

本实施例中的第一反射光检测模块7包括共轴且沿光路传输方向依次设置的成像镜头和第一图像传感器，第一反射光经成像镜头成像于第一图像传感器。第二反射光检测模块包括共轴且沿光路传输方向依次设置成像透镜5和第二图像传感器6，第二反射光经成像透镜5成像于第二图像传感器6

因面阵CCD可以直观的获取二维图像信息，因此本实施例中的第一图像传感器和第二图像传感器6均设置为面阵CCD。

本实施例中的控制处理模块10设置为计算机，根据第一反射光集和环形光切法获取内凹空间侧面的轮廓；根据第二反射光集和激光三角测距法获取内底面的轮廓。

工作时，环形光束入射到内凹空间侧面后，环形光束在该处（环形光束与内凹空间侧面的接触位置）散射，反射的光束被第一反射光检测模块7接收并形成一个受被测样件该截面形貌调制过的图像，该图像被计算机采集和处理，从而得到该截面（环形光束与内凹空间侧面的接触位置）的轮廓。

具体地，被计算机采集的图像通过蒙版后（即取一个图像上的有效计算区域，比如是环形图像，就取一个环形有效区域），沿该图像上每个角度径向方向，取该方向上光强的中点位置（这个图像的光强分布为近均匀）为这个角度的轮廓点，遍历各个角度，即获得这个截面的轮廓线，如图3所示。沿被测样件11的中心轴方向动移动第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块，以不断获得各个截面轮廓；最后将各截面轮廓按照运动步长间隔拼接，从而得到被测样件侧面的轮廓。但是，此时这个轮廓是在像空间，长度单位为像素，需要建立像空间与实际空间的对应关系，因此在具体实施过程中，采用标准环规对成像***进行标定，由于标准环规的实际直径已知，通过本***测量标准环规，按照上述过程计算得到环规的直径（单位为像素），与标准环规实际直径相比，即得到每个像素代表的实际长度。

准直光束聚焦到内底面，光斑在该处（准直光束与内底面的接触位置）发生漫反射和散射，漫反射和散射的光束被第二反射光检测模块接收并成像，该像被计算机采集和处理，从而得到该点（准直光束与被测样件11的接触位置）的轮廓。

具体地，以下对激光三角测距法的原理进行介绍：

激光三角测距法主要是通过一束激光以一定的入射角度照射被测目标（本实施例中的内底面），激光在目标表面发生反射和散射，在另一角度利用透镜（本实施例中的成像透镜5）对反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD位置传感器（本实施例中的第二图像传感器6）上。当被测物体发生移动时，位置传感器上的光斑将产生移动，其位移大小对应被测物体的移动距离，因此可通过算法设计，由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形，对光斑位移的计算运用了几何三角定理，故该测量法被称为激光三角测距法。

因此，在本实施例中，按照等步长移动第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块，使其对被测样件11的内底面进行扫描，即可获得被测样件11的内底面轮廓。

进一步地，为了使得测量装置测量的轮廓的精度更高，也为了实现测量过程的全自动化，本实施例中还设置有位移模块，通过位移模块来带动第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块运动，相比于人为移动第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块，不仅不用重新调节测量光路，同时避免了因光路更改产生的误差，在提高测量效率的同时还提高了测量准确度。

具体地，本实施例中的位移模块包括支撑平台8和驱动机构9；第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块沿光路传输方向设置在支撑平台8上；驱动机构9的驱动端与支撑平台8固定连接，驱动机构9的信号输入端与计算机电连接；通过计算机控制驱动机构9动作，从而驱动支撑平台8产生位移，带动第一反射光检测模块7、光生成模块以及第二反射光检测模块动作，其中，支撑平台8的运动方向可以为任意方向。

进一步地，为避免外来物体碰触到轮廓测量装置的测量元器件，造成测量元器件的损坏、污染或者光路的改变，本实施例中的支撑平台8设置为筒状支撑平台8，且支撑平台8的出光侧（出光侧指的是靠近被测样件11的内底面一侧）透明，从而避免上述情况的发生。

实施例2

本实施例提供了一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量方法，应用于如实施例1所提供的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，包括以下步骤：

获取第一反射光集；

获取第二反射光集；

根据第一反射光集和环形光切法获取内凹空间侧面的轮廓；

根据第二反射光集和激光三角测距法获取内底面的轮廓。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，包括：

光生成模块，用于同时生成环形光和准直光，且所述环形光的传输方向垂直于被测样件(11)的对称中心轴，所述准直光的传输方向平行于所述被测样件(11)的对称中心轴；

第一反射光检测模块(7)，用于接收第一反射光并生成第一物像；所述第一反射光为所述环形光在第一接触位置生成的反射光，所述第一接触位置为所述环形光与所述被测样件(11)的内凹空间侧面的接触位置；

第二反射光检测模块，用于接收第二反射光并生成第二物像；所述第二反射光为所述准直光在第二接触位置生成的反射光，所述第二接触位置为所述准直光与所述被测样件(11)的内底面的接触位置；

控制处理模块(10)，用于根据第一反射光集获取所述内凹空间侧面的轮廓以及根据第二反射光集获取所述内底面的轮廓；所述第一反射光集为所述第一反射光的集合，所述第二反射光集为所述第二反射光的集合。

2.根据权利要求1所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述光生成模块包括依次共轴设置的光发生器(1)、第一光学***(2)、圆台棱镜(3)以及正透镜(4)；

所述圆台棱镜(3)的顶面直径小于所述第一光学***(2)的出射光束直径，所述圆台棱镜(3)的底面直径大于所述出射光束直径，且所述圆台棱镜(3)的侧面与所述圆台棱镜(3)的底面夹角为45°，所述圆台棱镜(3)的顶面靠近所述第一光学***(2)侧。

3.根据权利要求2所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述第一光学***(2)包括共轴且沿光路传输方向依次设置的负透镜、正透镜(4)以及匀化片。

4.根据权利要求2所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述光发生器(1)为超连续谱激光器。

5.根据权利要求1所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述第一反射光检测模块(7)包括共轴且沿光路传输方向依次设置的成像镜头和第一图像传感器。

6.根据权利要求1所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述第二反射光检测模块包括共轴且沿光路传输方向依次设置成像透镜(5)和第二图像传感器(6)。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，还包括位移模块，所述第一反射光检测模块(7)、所述光生成模块以及所述第二反射光检测模块沿光路传输方向设置在所述位移模块上。

8.根据权利要求7所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述位移模块包括支撑平台(8)和驱动机构(9)；

所述第一反射光检测模块(7)、所述光生成模块以及所述第二反射光检测模块沿光路传输方向设置在所述支撑平台(8)上；所述驱动机构(9)的驱动端与所述支撑平台(8)固定连接，所述驱动机构(9)的信号输入端与所述控制处理模块(10)电连接。

9.根据权利要求8所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述支撑平台(8)为筒状支撑平台(8)，且所述支撑平台(8)的出光侧透明。

10.一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任意一项所述的一种内凹型工件的内表面整体三维轮廓测量装置，包括以下步骤：

获取第一反射光集；

获取第二反射光集；

根据所述第一反射光集和环形光切法获取所述内凹空间侧面的轮廓；

根据所述第二反射光集和激光三角测距法获取所述内底面的轮廓。

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