CN103575748A - 微小孔径工件内壁的光学检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种微小孔径工件内壁的光学检测系统，本发明检测系统能一次性获得整周内壁的反射图像，采集得到的图片可保存于计算机上，并利用数字图像处理技术将其展开为工件内壁的360度展开图。其原理为由同轴光源发出的平行光竖直向下进入工件孔内，并且经过球形反射镜的反射照亮工件内壁。工件内壁上的反射光线再经过球形反射镜的反射向上，通过同轴光源的透光面进入远心镜头，从而在CCD中形成反射图像。工件内壁某高度上的一段圆环图像，经过反射可在CCD中形成相应的圆环图像。通过对CCD获得的反射图像运用数字图像处理技术，可将其变换为内壁整周展开图像。本发明解决了微小孔径的工件内壁图像获取难题，且降低了检测设备的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对具有微小孔径工件的内壁视觉检测系统，特别是公开一种微小孔径工件内壁的光学检测系统，可获取微小的工件内壁的360度整周展开图像，以进行划痕、瑕疵、缺陷等的检测。
背景技术
随着微小形状尺寸的微结构零件在机械制造、航空航天等领域取得了广泛的发展与应用，对微结构零件的表面质量也提出了越来越高的要求。一些具有小口径通孔的精密内腔工件内径仅为2～5毫米，若内壁表面存在缺陷，将影响工件的性能、稳定性和安全性等。微小孔径的内壁图像获取一直以来是个难题。传统的探测内壁是否有缺陷的方法是采用人工目测方法，即用几十倍的放大镜通过人眼观察整个内壁，进而判断是否存在斑点、裂纹、划伤等缺陷。需要检查员全程参与，耗费人力物力，效率低下。而采用工业内窥镜法，其检测装置难以根据具体要求进行二次开发，需要旋转镜头才能获得整周内壁图像，保存图像不便，而且价格较高。
目前，由赵建林等人的公开号为CN201795994U的 “一种无损检测环形内壁表面的装置”中，发明并公开了一种光学无损检测环形内壁表面的装置，以光学散斑原理为基础，能通过CCD获得内壁的图像并传输给计算机。但是这种方法每次仅能获取内壁某一个角度范围内的图像，需要增加旋转装置台以获得内壁整周图像。增加了装置复杂度，引入新的误差因素。而王炎等人的公开号为CN2187298Y的“管内壁环视光学装置”中，提出了一种利用球面反射镜的视觉检测系统，仅能够对大口径的管道内壁进行测量，如其文中所用195mm直径管道。对于直径仅为2-5mm的微小口径工件则无法进行检测。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提出一种基于球形反射镜的微小孔径工件内壁的光学检测系统，能够快速、无损、非接触地获取微小的工件内壁的反射图像。
本发明是这样实现的：一种微小孔径工件内壁的光学检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括面阵CCD摄像机1、远心镜头2、同轴光源3、被测工件4、球形反射镜5、反射镜支架6、精密竖直位移平台7、精密水平位移平台8、光学支架9和计算机10。将远心镜头2与CCD摄像机1前段镜头装配起来，并与同轴光源3、被测工件4按照从上到下的顺序，依次固定在光学支架8之上，并调节光学支架位置，使镜头轴心与被测工件轴心在同一竖直轴线上，将球形反射镜5放置并固定于反射镜支架6上，并将反射镜支架6水平固定于精密竖直位移平台7上，精密竖直位移平台7和精密水平位移平台8组合使用，实现球形反射镜5所在空间位置的精密调节，调节精密竖直位移平台7的高度，使球形反射镜5从被测工件4的底部深入工件孔内部，并调整精密水平位移平台，使球形反射镜的中心位于被测工件竖直轴心上，将CCD摄像机1通过千兆网线与计算机10相连。
所述的球形反射镜5是在高精度透镜球表面镀上一层高反射率金属薄膜制成，其球形误差和直径变动量均不超过0.5μm。所述的球形反射镜5在球的上半部分水平切除一小块平面并将切面涂黑，以用作检测获取球形反射镜5的圆心。所述被测工件4上的工件孔的孔径不大于3.5mm。
本发明检测系统搭建完毕。并接通各装置的电源，即可开始进行反射图像的采集与检测。
本发明检测系统工作原理如附图1所示。检测系统所用的球形反射镜5应当具有较高球度和较高反射率。当接通同轴光源3的电源时，由其发出的平行光竖直向下进入工件孔内，并且经过球形反射镜的反射作用，照亮工件内壁。工件内壁上的反射光线再经过球形反射镜的反射作用，竖直的反射光线可通过同轴光源3的透光面，进入远心镜头2，从而被CCD摄像机捕获，形成反射图像。工件内壁某高度范围内的一段圆环部分图像，经过系统的反射，可在CCD中形成一块圆环图像。这块圆环图像可利用数字图像处理技术，将其展开并变换为工件内壁原部分的展开图像。保持工件高度不变，升高或降低球形反射镜的高度，可以获得工件内壁不同高度范围的反射图像，从而获取整个工件内壁的图像。
由于本发明采用的是球形反射镜，因而进行实验获得的原始图像是圆形的图像，并且由于是球面反射，而非平面反射，故获得的反射图像会产生失真。工件内壁较高部分的图像将会呈现在圆形反射图像的内部区域，而较低部分的图像则出现在反射图像的外部区域。
因此，需要运用数字图像处理技术进行图像处理工作。将圆形图像展开并变换为矩形图像，并按照球面反射规律消除失真，得到还原的工件内壁展开图像。通过固定工件所在高度不变，升高或降低反射镜，以获得不同高度的内壁反射图像，进而拼接为完整的工件内壁展开图像。图像处理工作的主要流程如附图2所示。
本发明的有益效果是：本发明在检测时，无需旋转装置镜头即可获得微小的工件孔整周内壁图像，在利用数字图像处理技术后就能将球面上的反射图像展开为矩形的360度内壁整周展开图，方便进行后续划痕、瑕疵、缺陷等的检测工作。与现有的工业内窥镜检测系统相比，本发明检测系统成本较低，检测方便，提高了检测效率。
附图说明
图1 是本发明检测系统剖视结构示意图。
图2 是本发明图像处理工作的主要流程示意图。
图中：1、CCD摄像机； 2、远心镜头； 3、同轴光源； 4、被测工件； 5、球形反射镜； 6、反射镜支架； 7、精密竖直位移平台； 8、精密水平位移平台； 9、光学支架； 10、计算机。
具体实施方式
根据附图1，本发明一种微小孔径工件内壁的光学检测系统，检测系统包括面阵式CCD摄像机1、远心镜头2、同轴光源3、被测工件4、球形反射镜5、反射镜支架6、精密竖直位移平台7、精密水平位移平台8、光学支架9和计算机10。先根据结构示意图搭建好检测系统，将远心镜头2与CCD摄像机1前段镜头装配起来，并与同轴光源3、被测工件4按照从上到下的顺序，依次固定在光学支架8之上，并调节光学支架位置，使镜头轴心与被测工件轴心在同一竖直轴线上，将球形反射镜5放置并固定于反射镜支架6上，并将反射镜支架6水平固定于精密竖直位移平台7上，精密竖直位移平台7和精密水平位移平台8组合使用，实现球形反射镜5所在空间位置的精密调节，调节精密竖直位移平台7的高度，使球形反射镜5从被测工件4的底部深入工件孔内部，并调整精密水平位移平台，使球形反射镜的中心位于被测工件竖直轴心上，将CCD摄像机1通过千兆网线与计算机10相连。
由于本发明采用的是球形反射镜，因而进行实验获得的原始图像是圆形的图像，并且由于是球面反射，而非平面反射，故获得的反射图像会产生失真。工件内壁较高部分的图像将会呈现在圆形反射图像的内部区域，而较低部分的图像则出现在反射图像的外部区域。因此，需要运用数字图像处理技术进行图像处理工作。
根据附图2，本发明检测系统开始检测，首先确保CCD摄像机1、远心镜头2和同轴光源3保持竖直并固定不动，然后将被测工件4夹持，保持工件轴向竖直。将球形反射镜由工件底部竖直向上插入工件孔，使之上半球部分位于工件孔之内。打开光源，在计算机屏幕上实时显示被测工件内部俯视图，并目测调整精密水平位移平台8以使球形反射镜5的中心与工件孔的中心重合。运行图像处理软件，获取两中心的坐标，计算偏差量。再根据此偏差量反馈调整位移平台水平位置，使两中心精确重合，确保中心偏差小于预设值。进行图像展开和变换，获得此高度范围的工件内壁展开图像。保持工件位置不变，升高精密竖直位移平台，使球形反射镜能获取较高高度的工件内壁图像，并重复检测工作获得此高度范围的内壁展开图像。如此操作直至整个内壁高度上的图像均已获取，进行图像拼接融合，获得工件内壁完整高度范围的展开图像，方便进行后续划痕、瑕疵、缺陷等的检测工作。
Claims (4)
1.一种微小孔径工件内壁的光学检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括面阵CCD摄像机（1）、远心镜头（2）、同轴光源（3）、被测工件（4）、球形反射镜（5）、反射镜支架（6）、精密竖直位移平台（7）、精密水平位移平台（8）、光学支架（9）和计算机（10）；将远心镜头（2）与CCD摄像机（1）前段镜头装配起来，并与同轴光源（3）、被测工件（4）按照从上到下的顺序，依次固定在光学支架（8）之上，并调节光学支架位置，使镜头轴心与被测工件轴心在同一竖直轴线上，将球形反射镜（5）放置并固定于反射镜支架（6）上，并将反射镜支架（6）水平固定于精密竖直位移平台（7）上，精密竖直位移平台（7）和精密水平位移平台（8）组合使用，实现球形反射镜（5）所在空间位置的精密调节，调节精密竖直位移平台（7）的高度，使球形反射镜（5）从被测工件（4）的底部深入工件孔内部，并调整精密水平位移平台，使球形反射镜的中心位于被测工件竖直轴心上，将CCD摄像机（1）通过千兆网线与计算机（10）相连。
2.根据权利要求 1 所述的微小孔径工件内壁的光学检测系统，其特征在于：所述的球形反射镜（5）是在高精度透镜球表面镀上一层高反射率金属薄膜制成，其球形误差和直径变动量均不超过0.5μm。
3.根据权利要求 1 所述的微小孔径工件内壁的光学检测系统，其特征在于：所述的球形反射镜（5）在球的上半部分水平切除一小块平面并将切面涂黑，以用作检测获取球形反射镜（5）的圆心。
4.根据权利要求 1 所述的微小孔径工件内壁的光学检测系统，其特征在于：所述被测工件（4）上的工件孔的孔径不大于3.5mm。
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