CN117968755A - 一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法，所述测头包括姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元和测头连接件，姿态测量单元包括姿态测量光电位置传感器和位置测量光电位置传感器；尺寸测量单元包括尺寸测量内窥镜和环形光发生器，尺寸测量内窥镜用于观测由环形光发生器产生的环形光，计算出光环上每个点的三维坐标，得到深孔内表面的三维点云数据，根据三维点云数据计算深孔尺寸；缺陷测量单元用于拍摄深孔内表面图像，结合三维点云数据，对深孔内表面缺陷进行识别与评价；测头连接件用于固定连接姿态测量单元、尺寸测量单元和缺陷测量单元。本发明能够实现细长深孔的尺寸精确测量和缺陷的定性识别和定量评定。
Description
技术领域
本发明属于几何量精密测量技术领域，具体涉及一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法。
背景技术
以枪炮枪管、火炮身管、发动机气缸、变速箱体、液压缸和特殊轴承等为典型代表的深孔类零件，广泛应用于国防工业、航空航天、汽车工业等领域。由于特定应用的需要，深孔类零件往往具有孔径小、孔深长、半封闭、内部结构复杂等特点，其孔径等尺寸及内表面缺陷的三维测量难度较大。
目前，针对深孔尺寸及内表面的检测问题的研究主要可分为接触式测量和非接触式测量两个方向。在接触式测量方面，主要有内径千分表、杠杆式电感位移传感器、三坐标测量机等，为离散点测量，测量误差大、测量效率低，还有可能刮伤被测表面，同时，这些方法需要将测头***孔内，无法测量非常小的孔。在非接触式测量方法方面，电涡流法、磁漏法、超声波法等非光学原理的测量方法对测量对象的材料、厚度等有一定的要求。例如电涡流法要求被测管道材料质量均匀、壁厚较薄且形状规则；磁漏法仅适用于铁磁材料的检测，且抗干扰性差；超声波法可以实现缺陷尺寸的检测且灵敏度高，但只适用于厚度均匀且形状简单的管道检测。这些方法仅适用于深孔零件的缺陷检测，无法测量内径和形状误差等几何参数。相比之下，基于光学原理的非接触式测量方法具有测量精度高、效率高、便于进行标定和误差补偿等优点，随着激光技术、成像传感器技术和计算机技术的进步，此类方法近年来已成为主流的深孔检测方法。
然而，随着对深孔内径等参数和缺陷识别精度要求的不断提高，不仅要求能够定性判断缺陷的存在、位置和类型，而且需要获取内表面三维扫描数据，对孔径和缺陷等进行定量识别。然而由于细长深孔的特殊性质，目前市场上缺乏一种能够测量细长深孔尺寸和缺陷的全面性测量方案。2018年，中国科学技术大学的朱烨在其论文“深孔类零件内表面三维综合测量技术的研究”中，建立基于双目视觉的圆结构光测量模型，能够实现30mm～100mm内径的内径测量和缺陷检测，该方法实现了三维测量，但对表面缺陷的检测仅从点云数据中提取，且只能识别径向尺寸大于20μm的缺陷；公开号为CN114264249A的中国专利公开了一种深孔狭小内腔三维测量***及方法，通过反射镜组改变成像光路，可以使圆结构光在单目立体视觉***近距离范围内成像，结构紧凑，易于进入狭小内腔。上述方法通过沿深孔轴向的位移执行机构的进给运动获得整个进给过程中圆形结构光的序列图像，遍历所有序列图像后实现深孔内腔的三维测量，对位移执行机构要求较高，位移机构的径向跳动偏差会造成测量结果的不准确。公开号为CN115727781A的中国专利公开了一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法，通过定心机构使测头中心轴与深孔轴线重合，保证测头可沿深孔轴线直线移动，使用脉冲定位传感器和光电编码器检测测头在孔内的位置信息，该方法采用机械结构进行定心，当内壁存在缺陷时会影响定心准确性，且适用于特定内径尺寸范围的深孔，使用较为受限。
发明内容
本发明的目的是一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法，能够实现细长深孔的尺寸精确测量和缺陷的定性识别和定量评定。
本发明的一个方面提供一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头，包括姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元和测头连接件，
所述姿态测量单元包括姿态测量光电位置传感器和位置测量光电位置传感器，所述姿态测量光电位置传感器用于测量测头的姿态信息，所述位置测量光电位置传感器用于测量测头的位置信息；
所述尺寸测量单元包括尺寸测量内窥镜和环形光发生器，所述尺寸测量内窥镜用于观测由所述环形光发生器产生的环形光，计算出光环上每个点的三维坐标，得到深孔内表面的三维点云数据，根据所述三维点云数据计算深孔尺寸；
所述缺陷测量单元包括缺陷测量内窥镜，所述缺陷测量内窥镜用于拍摄深孔内表面图像，结合所述三维点云数据，对深孔内表面缺陷进行识别与评价；
所述测头连接件用于固定连接所述姿态测量单元、所述尺寸测量单元和所述缺陷测量单元，以使所述姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元之间的位置关系固定不变。
优选地，所述位置测量光电位置传感器安装于所述测头连接件的一端，所述尺寸测量内窥镜安装于所述测头连接件中，所述位置测量光电位置传感器的中心和所述尺寸测量内窥镜的中心均位于测头轴线上，且所述位置测量光电位置传感器的测量面和所述尺寸测量内窥镜的图像传感器靶面与测头轴线方向垂直。
优选地，所述位置测量光电位置传感器和所述姿态测量光电位置传感器均为二维结构，能够给出所述外置激光发生器发出的准直激光入射到其光敏面上的光点位置二维坐标，通过两组二维坐标解算出测头在径向的偏移以及测头的俯仰角、偏转角。
优选地，所述测头连接件的中间段为对称镂空结构，用于使所述环形光发生器产生的结构光投射到被测深孔内壁上，并且所述尺寸测量内窥镜的测量头能够在其视场中观测到该结构光。
本发明的另一个方面提供一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的方法，利用上述的测头进行深孔尺寸和缺陷测量，所述方法包括以下步骤：
S1：建立全局测量坐标系O-XYZ、测头坐标系OS-XSYSZS、尺寸测量内窥镜的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2，测头坐标系的原点Os取在所述位置测量光电位置传感器的光敏面的中心处，Xs轴在测头对称平面内并平行于测头的轴线方向指向缺陷测量内窥镜一端，尺寸测量内窥镜的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2与测头坐标系OS-XSYSZS仅存在沿Xs轴方向的固定平移量；
S2：测头沿孔深轴向方向以一定的步长移动，在某位置处，通过所述位置测量光电位置传感器获取测头在孔深方向的位置信息，结合所述姿态测量光电位置传感器获取的测头姿态信息，计算测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换平移关系；
S3：在该位置处，基于所述尺寸测量单元获取的深孔内表面在测头坐标系中的三维点云数据、所述缺陷测量单元获取的缺陷图像、所述测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换关系以及所述尺寸测量单元、缺陷测量单元在测头坐标系中的固定位置，将所述三维点云数据和缺陷图像对应到全局测量坐标系中；
S4：重复上述步骤S2、S3，通过测头沿深孔轴向的运动，实现被测细长深孔的尺寸与缺陷测量。
优选地，在步骤S1之前，所述方法还包括将测头安装到能够沿孔深方向做直线运动的位移机构上，所述位移机构的位移量能够实时获取。
优选地，所述测头坐标系的初始位置与所述全局测量坐标系重合。
根据本发明上述方面的用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法，能够实现细长深孔的尺寸精确测量和缺陷的定性识别和定量评定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一种实施方式的用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头的结构示意图；
图2是本发明一种实施方式的坐标系建立方法的示意图；
图中：1-激光发生器；2-准直激光；3-半透半反分光棱镜；4-姿态测量光电位置传感器；5-位置测量光电位置传感器；6-半透半反平面镜；7-尺寸测量内窥镜；8-环形光发生器；9-缺陷测量内窥镜；8-测头连接件；11-测头轴线；12-被测深孔。
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，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施方式提供一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头，图1是本发明一种实施方式的用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式的测头包括姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元和测头连接件10。所述姿态测量单元可以测量测头的姿态信息，结合测头在孔深方向的位置信息，可以得到测头的准确位置和姿态；所述尺寸测量单元通过尺寸测量内窥镜7观测由环形光发生器8产生的环形光在被测深孔12内壁上生成的影像，通过成像光线和结构光空间方程的交会计算出光环上每个点在尺寸测量内窥镜坐标系下的三维坐标，得到深孔内表面的三维点云数据，进而精确计算深孔孔径等尺寸信息；所述缺陷测量单元采用缺陷测量内窥镜9拍摄视场范围内的深孔内表面图像，获取内表面形貌特征，结合同一位置处的三维点云数据，可对深孔内表面缺陷进行定性识别和定量评定，实现内表面缺陷的综合评价；所述测头连接件10将姿态测量单元、尺寸测量单元和缺陷测量单元固定连接，各个单元之间的位置关系固定不变，可实现三维点云信息和缺陷图像的对应和融合。
所述姿态测量单元包括外置激光发射器1、半透半反分光棱镜3、半透半反平面镜6、姿态测量光电位置传感器4、位置测量光电位置传感器5。姿态测量光电位置传感器4用于测量测头的姿态信息，位置测量光电位置传感器5用于测量测头的位置信息。所述尺寸测量单元包括尺寸测量内窥镜7和环形光发生器8。所述缺陷测量单元包括缺陷测量内窥镜9。尺寸测量内窥镜7用于观测由环形光发生器8产生的环形光，计算出光环上每个点的三维坐标，得到深孔内表面的三维点云数据，根据所述三维点云数据计算深孔尺寸。尺寸测量内窥镜7可以采用自带照明的内窥镜测量头，拍摄视场范围内的深孔内表面图像。
所述的测头连接件10中间段采用对称镂空设计，保证环形光发生器8产生的结构光(环形光)可以投射到被测深孔12内壁上，且尺寸测量内窥镜7可以在其视场中观测到该结构光。
所述姿态测量单元中的半透半反平面镜6和位置测量光电位置传感器5安装于测头一端，与尺寸测量单元、缺陷测量单元共同安装固定到测头连接件10中，位置测量光电位置传感器5的中心和尺寸测量内窥镜7的中心均位于测头轴线11上，且位置测量光电位置传感器5的测量面和尺寸测量内窥镜7的图像传感器靶面与测头轴线11的方向垂直。
所述位置测量光电位置传感器5和所述姿态测量光电位置传感器4均为二维结构，可给出所述外置激光发生器1发出的准直激光2入射到其光敏面上的光点位置二维坐标，通过两组二维坐标可以解算出测头在径向的偏移以及测头的俯仰角、偏转角。
本发明的实施方式还提供一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的方法，利用本发明上述实施方式的测头进行深孔尺寸和缺陷测量，包括以下步骤：
S1：如图2所示建立全局测量坐标系O-XYZ、测头坐标系OS-XSYSZS、尺寸测量内窥镜7的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜9的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2。测头坐标系的原点OS取在所述位置测量光电位置传感器5光敏面的中心处，坐标系与测头固连；XS轴在测头对称平面内并平行于测头轴线方向指向缺陷测量内窥镜9一端，测头坐标系符合右手定则；尺寸测量内窥镜7的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜9的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2与测头坐标系OS-XSYSZS仅存在沿Xs轴方向的固定平移量xc1、xc2。
S2：测头沿孔深轴向方向以一定的步长移动，在某位置处，获取测头在孔深方向的位置信息tx，结合所述姿态测量单元获取的测头姿态信息(ω，κ，ty，tz)，计算测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换平移关系Rt(ω，/>κ，tx，ty，tz)；
S3：在该位置处，基于所述尺寸测量单元获取深孔内表面在测头坐标系中的三维点云数据；基于所述缺陷测量单元获取缺陷图像；基于所述测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换关系以及所述尺寸测量单元、缺陷测量单元在测头坐标系中的固定位置，将所述三维点云数据和缺陷图像对应到全局测量坐标系中。
S4：重复上述步骤S2、S3，通过测头沿深孔轴向的运动，实现被测细长深孔的三维测量与缺陷图像采集。
在一个实施例中，在步骤S1之前，将测头安装到可沿孔深方向做直线运动的位移机构上，所述位移机构的位移量可实时获取；所述的测头坐标系的初始位置与所述全局测量坐标系重合。
与现有技术相比，本发明上述实施方式的用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头及方法具有如下有益效果：
1、本发明可同步实现深孔内表面尺寸测量和缺陷测量，针对细长深孔类零件的内表面尺寸及缺陷测量，将所述尺寸测量单元测量获取的内表面三维点云数据和所述缺陷测量单元获取的内表面图像相融合，实现对深孔内表面尺寸和缺陷的综合识别与评价。
2、本发明可通过所述姿态测量单元结合测头在孔深方向的位置信息，获得测头在深孔测量过程中的实时位置及姿态，进而将测头获取的尺寸和缺陷信息统一到同一坐标系下，不依赖复杂定心机构，也不必考虑测头所在沿孔深方向运动的位移执行机构的径向跳动误差对测量结果的影响，有效提高测量精度，测量的实施也更为灵活。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (7)
1.一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的测头，其特征在于，包括姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元和测头连接件，
所述姿态测量单元包括姿态测量光电位置传感器和位置测量光电位置传感器，所述姿态测量光电位置传感器用于测量测头的姿态信息，所述位置测量光电位置传感器用于测量测头的位置信息；
所述尺寸测量单元包括尺寸测量内窥镜和环形光发生器，所述尺寸测量内窥镜用于观测由所述环形光发生器产生的环形光，计算出光环上每个点的三维坐标，得到深孔内表面的三维点云数据，根据所述三维点云数据计算深孔尺寸；
所述缺陷测量单元包括缺陷测量内窥镜，所述缺陷测量内窥镜用于拍摄深孔内表面图像，结合所述三维点云数据，对深孔内表面缺陷进行识别与评价；
所述测头连接件用于固定连接所述姿态测量单元、所述尺寸测量单元和所述缺陷测量单元，以使所述姿态测量单元、尺寸测量单元、缺陷测量单元之间的位置关系固定不变。
2.根据权利要求1所述的测头，其特征在于，所述位置测量光电位置传感器安装于所述测头连接件的一端，所述尺寸测量内窥镜安装于所述测头连接件中，所述位置测量光电位置传感器的中心和所述尺寸测量内窥镜的中心均位于测头轴线上，且所述位置测量光电位置传感器的测量面和所述尺寸测量内窥镜的图像传感器靶面与测头轴线方向垂直。
3.根据权利要求2所述的测头，其特征在于，所述位置测量光电位置传感器和所述姿态测量光电位置传感器均为二维结构，能够给出所述外置激光发生器发出的准直激光入射到其光敏面上的光点位置二维坐标，通过两组二维坐标解算出测头在径向的偏移以及测头的俯仰角、偏转角。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的测头，其特征在于，所述测头连接件的中间段为对称镂空结构，用于使所述环形光发生器产生的结构光投射到被测深孔内壁上，并且所述尺寸测量内窥镜的测量头能够在其视场中观测到该结构光。
5.一种用于细长深孔尺寸和缺陷测量的方法，其特征在于，利用权利要求1-4中任一项所述的测头进行深孔尺寸和缺陷测量，所述方法包括以下步骤：
S1：建立全局测量坐标系O-XYZ、测头坐标系OS-XSYSZS、尺寸测量内窥镜的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2，测头坐标系的原点OS取在所述位置测量光电位置传感器的光敏面的中心处，XS轴在测头对称平面内并平行于测头的轴线方向指向缺陷测量内窥镜一端，尺寸测量内窥镜的相机坐标系Oc1-Xc1Yc1Zc1以及缺陷测量内窥镜的相机坐标系Oc2-Xc2Yc2Zc2与测头坐标系OS-XSYSZS仅存在沿XS轴方向的固定平移量；
S2：测头沿孔深轴向方向以一定的步长移动，在某位置处，通过所述位置测量光电位置传感器获取测头在孔深方向的位置信息，结合所述姿态测量光电位置传感器获取的测头姿态信息，计算测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换平移关系；
S3：在该位置处，基于所述尺寸测量单元获取的深孔内表面在测头坐标系中的三维点云数据、所述缺陷测量单元获取的缺陷图像、所述测头坐标系与全局测量坐标系之间的转换关系以及所述尺寸测量单元、缺陷测量单元在测头坐标系中的固定位置，将所述三维点云数据和缺陷图像对应到全局测量坐标系中；
S4：重复上述步骤S2、S3，通过测头沿深孔轴向的运动，实现被测细长深孔的尺寸与缺陷测量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括将测头安装到能够沿孔深方向做直线运动的位移机构上，所述位移机构的位移量能够实时获取。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述测头坐标系的初始位置与所述全局测量坐标系重合。
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