CN102052894B - 一种潜望式影像测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种潜望式影像测量仪，它以三轴CNC移动工作台为主体，配备显微镜、潜望目镜、CCD、照明系统、电气控制卡和个人计算机。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡驱动，实现程序控制。个人计算机配备图像采集卡，接收由显微镜和CCD所构成光学成像系统捕获的工件图像。潜望目镜安装在显微镜的下端，由连接管、棱镜组件和传动组件三个部分组成。棱镜组件以棱镜为主体，外部为固定、连接、转动的部件。传动组件由微电机与齿轮组成，微电机的主体与连接管固定，电机轴上固定有驱动齿轮，驱动齿轮直接与棱镜组件中的齿轮啮合。在微电机转动时，带动棱镜组件转动，以调整棱镜反射面的朝向。

Description

一种潜望式影像测量仪

技术领域

本发明为一种特殊的影像测量仪，通过采用潜望物镜的方式，解决普通影像测量仪无法测量工件侧壁、孔内侧壁的难题，极大的拓宽了影像测量仪的应用范围。

背景技术

影像测量仪是一种新兴的几何量测量仪器，能高效的完成二维尺寸的测量，相对于传统的接触式坐标测量机，影像测量仪对二维平面尺寸的测量具有绝对的优势，但是由于仅限于二维测量和简单的高度测量，严重限制了影像测量仪的应用范围。

目前，影像测量仪需要借助棱镜等辅助手段才能实现侧壁的测量，这种方式局限性较大，需要在待测的各个位置都放置棱镜，且不能实现对孔内壁的测量。

在近年来的文献中，还没有发现解决这个问题的报道。

发明内容

本发明介绍了一种潜望式影像测量仪，它以三轴CNC移动工作台[1]为主体，配备显微镜[2]、潜望物镜[3]、CCD、照明系统[4]、电气控制卡[5]和个人计算机[6]。

三轴CNC移动工作台[1]分为XY移动平台和Z轴，XY移动平台用于承载被测工件，显微镜[2]固定于Z轴上，显微镜下端固定有潜望物镜[3]，Z轴的上下运动可以控制显微镜的聚焦清晰度。XYZ三个轴均由直线导轨、滚珠丝杠和直流伺服控制系统组成，可以获得非常高的定位精度。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡[5]的驱动，实现程序控制，满足自动测量的需要。

个人计算机[6]配备图像采集卡，接收由显微镜[2]和CCD所构成光学成像系统捕获的工件图像数据；个人计算机[6]包括精密测量模块，利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对XYZ三维移动工作台[1]上工件的测量；个人计算机[6]通过向电气控制卡发送命令来移动XYZ三维移动工作台[1]，使得需要测量的区域移动到显微镜的可视区域内；照明系统[4]在不同工件、不同测量要求下，保证光学成像系统获取到高质量的图像数据。图1给出了本发明的整体结构示意图。

潜望物镜[3]安装在显微镜前端，潜望物镜内部安装有45度的棱镜，通过棱镜将工件侧壁或孔内壁的图像反射到显微镜内部成像，如同在水平方向上成像效果一样；潜望物镜下端的棱镜部分与上部之间为活动连接，通过一个微电机的转动来控制棱镜反射面的朝向，以保证侧壁朝向任何方向时，都能方便的完成测量。

电气控制卡[5]包括：三轴运动控制、伺服电机驱动、照明控制、光栅尺读数、操作手柄支持、与个人计算机通讯等功能。为了实现对棱镜朝向的精确控制，需要增加一轴的伺服控制及驱动，采用绝对式旋转编码器反馈棱镜的转动角度，控制系统内部采用PID算法对棱镜电机进行速度跟踪，并精确定位其运动位置。

本发明具有如下优点：

(1)拓宽了影像测量仪的应用范围，避免用户重复购买影像测量仪和接触式坐标测量机；

(2)工件摆放无需找正，侧壁朝向任何方向都能进行高精度测量；

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的工作原理示意图。

图3是本发明的潜望物镜结构示意图。

图4是本发明的自动找正测量示意图。

图中主要结构为：1-XYZ三轴移动工作台，2-显微镜、3-潜望物镜、4-照明系统、5-电气控制卡、6-个人计算机、7-被测工件、8-45度棱镜、9-连接管、10-棱镜组件、11-传动组件。

具体实施方式

潜望式影像测量仪以三轴CNC移动工作台[1]为主体，配备显微镜[2]、潜望物镜[3]、CCD、照明系统[4]、电气控制卡[5]和个人计算机[6]。

三轴CNC自动移动工作台[1]分为XY移动平台和Z轴，XY移动平台用于承载被测工件，显微镜[2]固定于Z轴上，显微镜下端固定有潜望物镜[3]，Z轴的上下运动可以控制显微镜的聚焦清晰度。XYZ三个轴均由直线导轨、滚珠丝杠和直流伺服控制系统组成，可以获得非常高的定位精度。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡[5]的驱动，实现程序控制，满足自动测量的需要。

个人计算机[6]配备图像采集卡，接收由显微镜[2]和CCD所构成光学成像系统捕获的工件图像数据；个人计算机[6]包括测量模块，利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对XYZ三维移动工作台[1]上工件的测量。

潜望物镜[3]安装在显微镜[2]的下端，它们之间通过螺纹连接。潜望物镜[3]由三个部分组成：连接管[9]、棱镜组件[10]和传动组件[11]，结构参加附图3。

连接管[9]位于潜望物镜上端，为空管结构，上端通过螺纹与显微镜前端连接，下端通过凹槽与棱镜组件连接，起连接显微镜与棱镜组件的作用。在不使用潜望物镜的场合，只需拧下与显微镜间的螺纹连接即可。

棱镜组件[10]以棱镜为主体，外部为固定、连接、转动的部件，并有传动齿轮。棱镜在组件中精确固定，确保反射面的45度反射角准确、稳定。并在棱镜反射面外部留有开口，使工件图像可顺利进入棱镜反射面。

传动组件[11]由微电机与齿轮组成，微电机的主体与连接管固定，电机轴上固定有驱动齿轮，驱动齿轮直接与棱镜组件中的齿轮啮合。在微电机转动时，带动棱镜组件转动，以调整棱镜反射面的朝向。棱镜组件内部设有卡位装置，确保棱镜只能在0～360度范围内旋转。在微电机尾端装有绝对式旋转编码器，作为棱镜朝向的反馈装置。

电气控制卡方面，在普通影像测量仪控制卡中增加一轴的伺服控制及驱动，控制卡以绝对式旋转编码器的反馈为输入，内部采用PID算法对棱镜电机进行速度跟踪及位置伺服控制，精确的定位棱镜朝向。

计算机中具备棱镜测控模块，棱镜测控模块提供三种操控模式实现对棱镜朝向的控制：手动任意操控模式、点点对齐模式、平行线对齐模式。手动任意操控模式控制棱镜按角度增量方式转动或转动到指定位置，提供了操控棱镜的最大灵活性，但控制精度和方便性上比较差。点点对齐模式通过指定的两个测量点来确定一条直线，以此直线作为棱镜朝向的平行方向来控制棱镜。平行线对齐模式控制棱镜朝向与指定的线段平行。

棱镜测控模块提供无需对工件侧壁朝向进行找正的测量方式，可极大的提高侧壁的测量效率：首先棱镜测控模块控制棱镜大致朝向测量侧壁，初步与测量平面平行，测量模块在测量侧壁平面上测量两个点，以此两点的连线作为该测量平面的朝向，棱镜测控模块以点点对齐模式调整棱镜的朝向与此连线平行，测量模块再对测量表面进行测量，可保证高精度的测量。测量示意图如附图4所示。

棱镜测控模块使用具备高度准直性能的同轴光源对工件侧壁进行照明。同轴光源采用点光源发光，在点光源前端有一个准直透镜，点光源发出的发散性光线通过准直透镜转变为准直光源。准直同轴光源从显微镜侧面的反射镜中进入显微镜，形成平行于显微镜光轴的光线，这些光线照射到45度棱镜上，再反射到被测工件侧壁，工件侧壁根据表面特征不同，会反射不同的光线到45度棱镜上，然后由棱镜反射这些光线透过显微镜，进入到CCD表面成像，使得仪器最终能获取高质量的工件侧壁图像。

测量模块利用图像处理技术，对获取的工件侧壁图像进行滤波、边缘提取、边缘增强、拟合等一系列操作，计算得到侧壁几何特征的测量值。

Claims (1)

1.一种潜望式影像测量仪，由三轴移动工作台[1]、显微镜[2]、潜望物镜[3]、CCD、照明系统[4]、电气控制卡[5]、个人计算机[6]组成，其特征在于：所述潜望式影像测量仪在显微镜[2]的前端装有潜望物镜[3]；所述的个人计算机具备棱镜测控模块；

所述三轴移动工作台[1]分为XY移动平台和Z轴，XY移动平台用于承载被测工件，显微镜[2]固定于Z轴上；

所述潜望物镜由连接管[9]、棱镜组件[10]和传动组件[11]组成；

所述连接管[9]位于潜望物镜上端，为空管结构，上端通过螺纹与显微镜前端连接，下端通过凹槽与棱镜组件连接；

所述棱镜组件[10]内部安装45度棱镜，外部为固定、连接、转动的部件，并有传动齿轮；棱镜在组件中精确固定，在棱镜反射面外部留有开口，工件图像通过开口进入棱镜反射面；

所述传动组件[11]由微电机与驱动齿轮组成，微电机的主体与连接管固定，微电机的电机轴上固定有驱动齿轮，驱动齿轮直接与棱镜组件中的传动齿轮啮合；在微电机转动时，带动棱镜组件转动，调整棱镜反射面的朝向；棱镜组件内部设有卡位装置，限制棱镜只能在0～360度范围内转动；在微电机尾端装有绝对式旋转编码器；电气控制卡[5]以绝对式旋转编码器的反馈为输入，内部采用PID算法对棱镜电机进行速度跟踪及位置伺服控制，精确定位棱镜朝向；

所述棱镜测控模块提供手动任意操控模式、点点对齐模式和平行线对齐模式精确控制棱镜的朝向；手动任意操控模式控制棱镜按角度增量方式转动或转动到指定位置；点点对齐模式通过指定的两个测量点来确定一条直线，以此直线作为棱镜朝向的平行方向来控制棱镜；平行线对齐模式控制棱镜朝向与指定的线段平行。

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