CN106989682B - 一种光幕式轴类零件测量仪测头装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光幕式轴类零件测量仪测头装置，包括具有两根支撑杆的U型基架和沿光线方向依次设置的平行光源、位于同一竖直方向上的两个平面镜组、位于同一竖直方向上的两个线阵CCD传感器；所述平面镜组由两个平行且镜面相对设置的平面镜组成，其中所述平面镜与光线之间的夹角为45度；平行光源产生低发散角的平行光，被待测量轴类零件遮挡并且经过两个平面镜组光路改造后产生光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器采集。本发明还公开了采用上述装置测量轴类零件直径的方法。本发明采用平面镜组对光路进行改造，双线阵CCD传感器测量上下边缘、对轴类零件直径尺寸测量精度高、测量范围广。

Description

一种光幕式轴类零件测量仪测头装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及轴类零件直径测量领域，具体为一种光幕式轴类零件测量仪测头装置。

背景技术

在机械工业中，轴类零件是组装合成机械机器的常见典型零件之一，对轴类零件关键尺寸的精密测量对保证轴类零件的加工、装配质量起着非常重要的作用。

接触式测量是较为传统的测量方法，通过与零件表面直接接触测量得出直径尺寸，但由于对工件进行直接接触会造成工件表面的划伤进而影响尺寸精度。基于扫描法的非接触式测量需要高稳定性的微型电机和扫描棱镜，成本较高，难以在工业生产中大范围使用。基于衍射法的非接触式测量随着工件直径的增大测量精度降低，因此只能测量较小直径工件。基于影像法的非接触式测量相对于衍射法测径范围更广，能够检测轴径更大的零件轴，相对于扫描法测径的装置结构更为简单，成本更低。

而现有的基于影像法的光幕式轴类零件测量仪的具有单个线阵CCD传感器的测头装置主要受限于单个线阵CCD传感器的有效工作长度和平行光源长度。如图1所示，采用单个线阵CCD传感器的测头装置，光源1照射在待测轴类零件2上，被其遮挡产生光斑的上下边缘由线阵CCD传感器3采集，线阵CCD传感器3将采集的信号传递给计算机4，找出线阵CCD传感器上被遮挡的光敏原件个数就能求出待测轴类零件直径，由于单个线阵CCD传感器本身长度有限，从而无法测量直径较大的轴类零件。如图2所示，采用两个线阵CCD传感器3的测头装置，可以测量直径较大的轴类零件，但是由于每个线阵CCD传感器3自身存在一定长度，其所能测量的最小尺寸大于两个线阵CCD传感器的安装距离。

发明内容

针对现有技术中对轴类零件测量范围受限的缺陷，本发明提供一种光幕式轴类零件测量仪测头装置，其结构简单、成本低，对轴类零件直径测量精度高且测量范围广。

本发明通过以下技术方案实现：

一种光幕式轴类零件测量仪的测头装置，其关键在于：包括具有两根支撑杆的U型基架和沿光线方向依次设置的平行光源、位于同一竖直方向上的两个平面镜组、位于同一竖直方向上的两个线阵CCD传感器；所述平面镜组由两个平行且镜面相对设置的平面镜组成，其中所述平面镜与光线之间的夹角为45度；平行光源产生低发散角的平行光，被待测量轴类零件遮挡并且经过两个平面镜组光路改造后产生光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器采集；

所述两个平面镜组、两个线阵CCD传感器沿U型基架上一根支撑杆的精密丝杆导轨相向滑动和锁定，其中平行光源的照射方向与线阵CCD传感器的导轨面垂直，线阵CCD传感器的光轴与线阵CCD传感器的导轨面垂直。

通过上述技术方案可知，平行光源对待测轴类零件进行照射，被零件直径部分遮挡后的光斑分别照入上、下两个平面镜组，其光路被上下两个平面镜组改造后，光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器采集。线阵CCD传感器采集到的信号传递给计算机，计算当前状态下待测轴类零件的上下边缘位置以及工件直径。在测量过程中，根据实际零件直径大小，调整两个线阵CCD传感器的位置。相比于传统测头装置，克服了单个线阵CCD传感器自身长度有限不能测量较大轴类零件直径的问题，同时也克服了两个线阵CCD传感器测量轴类零件直径的最小尺寸大于两个线阵CCD传感器的安装距离的问题，测量范围更广，通用性更强。

进一步的，沿所述平行光源的光线方向设有用于放大平行光源光线的第一放大镜片组，该第一放大镜片组位于平行光源和待测量轴类零件之间。有效缩小光源元件尺寸，减小测头装置体积，提高测量精度。

进一步的，所述对应的平面镜组和线阵CCD传感器之间分别设有第二放大镜片组，该第二放大镜片组用于放大经平面镜组改造后的光线。对光路进行放大处理，提高测头装置的分辨率，提高测量精度。

进一步的，所述第二放大镜片组和线阵CCD传感器之间设置有滤光片。

进一步的，所述第一放大镜组和第二放大镜组均由两块平行的平凸透镜组成，所述两块平凸透镜的平面相对，球面相背。

进一步的，所述测头装置还包括用于固定平行光源和第一放大镜片组的光源架以及两个用于固定平面镜组、第二放大镜片组和线阵CCD传感器的CCD传感器架；所述光源架和两个CCD传感器架分别套设在U型基架的不同支撑杆上并且沿支撑杆的精密丝杆导轨相向滑动和锁定。

所述光源架为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有用于放置平行光源的圆形定位槽以及与第一放大镜片组形状相适配的第一弧形通槽，所述平行光源固定在圆形定位槽内，所述第一放大镜片组固定在第一弧形通槽内。

所述CCD传感器架为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有与平面镜组形状相适配的45度通槽、与第二放大镜片组形状相适配的第二弧形通槽、与滤光片形状相适配的矩形通槽、与线阵CCD传感器形状相适配的定位凹槽；所述平面镜组固定在所述45度通槽内，第二放大镜组固定在所述第二弧形通槽内，滤光片固定在所述矩形通槽内，线阵CCD传感器固定在定位凹槽内。

由上述设计，通过采用插槽结构的方式来定位各元件，在安装或更换元件的过程中可快速装入或卸下，并且各元件之间互不影响。

本发明所述的测头装置测量轴类零件直径的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、用标准件标定零点，将直径为X(mm)的标准件放入待测区域，平行光源产生的平行光被标准件遮挡后的光斑，分别照入上下两个平面镜组，经平面镜组改造和第二放大镜片组放大后光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器采集，最终在线阵CCD传感器上成像，其阴影分别被两个线阵CCD传感器接收并将信号传递给计算机，由计算机算出其所在上下边缘像素点的位置，标定为零点A1、A2；

步骤二、将待测量轴类零件放入待测区域，其阴影部分会相对于标准件产生变化,计算机算出其上下边缘的像素点位置A3、A4，则待测轴类零件的直径为：X+[|A1-A3|+|A2-A4|]×K，其中K＝D/β，D为线阵CCD传感器的光敏像元间距；β为第二放大镜片组的放大倍数，β的理论值为第二放大镜片组中平凸透镜较大焦距与较小焦距的比值；

步骤三、对第二放大镜片组的放大倍数β进行标定，由于CCD传感器架加工及安装误差，使得第二放大镜片组的放大倍数与理论值存误差，需对β进行标定，先对直径为X(mm)标准件进行检测，得出上下边缘两个边界点，记录像素点位置x₁、x₂。再对直径为X+1(mm)标准件进行检测，记录像素点位置为x₃、x₄。则第二放大镜片组的放大倍数为：

步骤四、被标定后的第二放大镜片组的放大倍数β返回步骤二，计算出待测量轴类零件的直径。

本发明的有益效果：通过设置平面镜组对光路进行改造，采用双CCD线阵传感器测量上下边缘，扩大测量范围；测头装置的各元件通过插槽方式定位，安装快捷、方便且各元件互不影响，设置放大镜片组放大光路，缩小光源元件尺寸，减小测头装置体积，提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有技术中单个线阵CCD传感器原理图；

图2为两个线阵CCD传感器原理图；

图3为实施例中本装置的光路原理图；

图4为实施例中本装置放大镜片组的原理图；

图5为实施例中测头装置结构示意图；

图6为实施例中光源架结构示意图；

图7为实施例中CCD传感器架结构示意图；

附图中：1-平行光源；2-待测量轴类零件；3-线阵CCD传感器；4-计算机；5-第一放大镜片组；6-第二放大镜片组；7-平面镜组；8-支撑杆；9-U形基架；10-丝杆导轨；11-光源架；111-圆形定位槽；112-第一弧形通槽；12-CCD传感器架；121-45度通槽；122-第二弧形通槽；123-矩形通槽；124-定位凹槽；13-方形限位孔；14-螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图3和图5所示的一种光幕式轴类零件测量仪的测头装置，包括具有两根支撑杆8的U型基架9和沿光线方向依次设置的平行光源1、位于同一竖直方向上的两个平面镜组7、位于同一竖直方向上的两个线阵CCD传感器3；所述平面镜组7由两个平行且镜面相对设置的平面镜组成，其中所述平面镜与光线之间的夹角为45度；平行光源1产生低发散角的平行光，被待测量轴类零件2遮挡并且经过两个平面镜组7光路改造后产生光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器3采集；

所述两个平面镜组7、两个线阵CCD传感器3沿U型基架9上一根支撑杆8的精密丝杆导轨10相向滑动和锁定，其中平行光源1的照射方向与线阵CCD传感器3的导轨面垂直，线阵CCD传感器3的光轴与线阵CCD传感器的导轨面垂直。

沿所述平行光源1的光线方向设有用于放大平行光源光线的第一放大镜片组5，该第一放大镜片组5位于平行光源1和待测量轴类零件2之间。有效缩小光源1尺寸，减小测头装置体积，提高测量精度。

所述对应的平面镜组7和线阵CCD传感器3之间分别设有第二放大镜片组6，该第二放大镜片组6用于放大经平面镜组7改造后的光线。对光路进行放大处理，提高测头装置的分辨率，提高测量精度。

所述第二放大镜片组6和线阵CCD传感器3之间还设置有滤光片(图3未示出)。

如图4所示，所述第一放大镜组和第二放大镜组均由两块平行的平凸透镜组成，所述两块平凸透镜的平面相对，球面向背。

参考图3、图5、图6、图7，所述光幕式轴类零件测量仪测头装置还包括用于固定平行光源1和第一放大镜片组5的光源架11以及两个用于固定平面镜组7、第二放大镜片组6和线阵CCD传感器3的CCD传感器架12；所述光源架11和两个CCD传感器架12分别套设在U型基架9的不同支撑杆8上并且沿支撑杆的精密丝杆导轨10相向滑动和锁定。

所述光源架11为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有用于放置平行光源1的圆形定位槽111以及与第一放大镜片组5形状相适配的第一弧形通槽112，所述平行光源1固定在圆形定位槽内111，所述第一放大镜片组5固定在第一弧形通槽112内。

所述CCD传感器架12为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有与平面镜组7形状相适配的45度通槽121、与第二放大镜片组形状相适配的第二弧形通槽122、与滤光片形状相适配的矩形通槽123、与线阵CCD传感器形状相适配的定位凹槽124；所述平面镜组7固定在所述45度通槽121内，第二放大镜组固定在所述第二弧形通槽122内，滤光片固定在所述矩形通槽123内，线阵CCD传感器固定在定位凹槽124内。

所述光源架11和两个CCD传感器架12分别套设在U型基架9的不同支撑杆8上并且沿支撑杆的精密丝杆导轨10相向滑动和锁定。具体地，在光源架11和线阵CCD传感器的端部均一体延伸有固定部。如图5，图6，图7所示，所述固定部上开设有方形限位孔13和螺纹孔14，所述方形限位孔13通过拎紧螺钉固定在支撑杆8上，螺纹孔14通过精密丝杆导轨上下移动。实际测量轴类零件直径时，根据需要调整光源架11及线阵CCD传感器架12的位置。

本实施例中所述的测头装置测量轴类零件直径的测量方法，按如下步骤进行：

步骤一、用标准件标定零点，将直径为X(mm)的标准件放入待测区域，平行光源1产生的平行光被标准件遮挡后的光斑，分别照入上下两个平面镜组7，经平面镜组改造和第二放大镜片组放大后光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器3采集，最终在线阵CCD传感器3上成像，其阴影分别被两个线阵CCD传感器3接收并将信号传递给计算机，由计算机算出其所在上下边缘像素点的位置，标定为零点A1、A2；

步骤二、将待测量轴类零件放入待测区域，其阴影部分会相对于标准件产生变化,计算机算出其上下边缘的像素点位置A3、A4(类似于坐标点)，则待测轴类零件的直径为：X+[|A1-A3|+|A2-A4|]×K，其中K＝D/β，D为线阵CCD传感器3的光敏像元间距；β为第二放大镜片组6的放大倍数，β的理论值为第二放大镜片组6中平凸透镜较大焦距与较小焦距的比值；

步骤三、对第二放大镜片组6的放大倍数β进行标定，由于CCD传感器架12加工及安装误差，使得第二放大镜片组6的放大倍数与理论值存误差，需对β进行标定，先对直径为X(mm)标准件进行检测，得出上下边缘两个边界点，记录像素点位置x₁、x₂。再对直径为X+1(mm)标准件进行检测，记录像素点位置为x₃、x₄。则第二放大镜片组的放大倍数为：

步骤四、被标定后的第二放大镜片组6的放大倍数β返回步骤二，计算出待测量轴类零件的直径。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (2)

1.一种光幕式轴类零件测量仪测头装置，其特征在于：包括具有两根支撑杆(8)的U型基架(9)和沿光线方向依次设置的平行光源(1)、位于同一竖直方向上的两个平面镜组(7)、位于同一竖直方向上的两个线阵CCD传感器(3)；所述平面镜组(7)由两个平行且镜面相对设置的平面镜组成，其中所述平面镜与光线之间的夹角为45度；平行光源(1)产生低发散角的平行光，被待测量轴类零件(2)遮挡并且经过两个平面镜组(7)光路改造后产生光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器(3)采集；

所述两个平面镜组(7)、两个线阵CCD传感器(3)沿U型基架(9)上一根支撑杆的精密丝杆导轨(10)相向滑动和锁定，其中平行光源(1)的照射方向与线阵CCD传感器(3)的导轨面垂直，线阵CCD传感器(3)的光轴与线阵CCD传感器(3)的导轨面垂直；

沿所述平行光源(1)的光线方向设有用于放大平行光源光线的第一放大镜片组(5)，该第一放大镜片组(5)位于平行光源(1)和待测量轴类零件(2)之间；

对应的平面镜组(7)和线阵CCD传感器(3)之间分别设有第二放大镜片组(6)，该第二放大镜片组(6)用于放大经平面镜组(7)改造后的光线；

所述第二放大镜片组(6)和线阵CCD传感器(3)之间还设置有滤光片；

所述第一放大镜片组(5)和第二放大镜片组(6)均由两块平行的平凸透镜组成，且所述两块平凸透镜的平面相对，球面相背；

还包括用于固定平行光源(1)和第一放大镜片组(5)的光源架(11)以及两个用于固定平面镜组(7)、第二放大镜片组(6)和线阵CCD传感器(3)的CCD传感器架(12)；所述光源架(11)和两个CCD传感器架(12)分别套设在U型基架的不同支撑杆(8)上并且沿支撑杆的精密丝杆导轨(10)相向滑动和锁定；

所述光源架(11)为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有用于放置平行光源(1)的圆形定位槽(111)以及与第一放大镜片组(5)形状相适配的第一弧形通槽(112)，所述平行光源(1)固定在圆形定位槽(111)内，所述第一放大镜片组(5)固定在第一弧形通槽(112)内；

所述CCD传感器架(12)为矩形腔体结构，其从前到后依次开设有与平面镜组(7)形状相适配的45度通槽(121)、与第二放大镜片组(6)形状相适配的第二弧形通槽(122)、与滤光片形状相适配的矩形通槽(123)、与线阵CCD传感器(3)形状相适配的定位凹槽(124)；所述平面镜组(7)固定在所述45度通槽(121)内，第二放大镜片组(6)固定在所述第二弧形通槽(122)内，滤光片固定在所述矩形通槽(123)内，线阵CCD传感器固定在定位凹槽(124)内。

2.根据权利要求1所述的测头装置测量轴类零件直径的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、用标准件标定零点，将直径为X毫米的标准件放入待测区域，平行光源(1)产生的平行光被标准件遮挡后的光斑，分别照入上下两个平面镜组(7)，经平面镜组改造和第二放大镜片组放大后光斑的上下边缘由两个线阵CCD传感器(3)采集，最终在线阵CCD传感器(3)上成像，其阴影分别被两个线阵CCD传感器(3)接收并将信号传递给计算机，由计算机算出其所在上下边缘像素点的位置，标定为零点A1、A2；

步骤二、将待测量轴类零件放入待测区域，其阴影部分会相对于标准件产生变化,计算机算出其上下边缘的像素点位置A3、A4，则待测轴类零件的直径为：X+[|A1-A3|+|A2-A4|]×K，其中K＝D/β，D为线阵CCD传感器(3)的光敏像元间距；β为第二放大镜片组(6)的放大倍数，β的理论值为第二放大镜片组(6)中平凸透镜较大焦距与较小焦距的比值；

步骤三、对第二放大镜片组(6)的放大倍数β进行标定，由于CCD传感器架(12)加工及安装误差，使得第二放大镜片组(6)的放大倍数与理论值存误差，需对β进行标定，先对直径为X毫米标准件进行检测，得出上下边缘两个边界点，记录像素点位置x₁、x₂，再对直径为X+1毫米标准件进行检测，记录像素点位置为x₃、x₄，则第二放大镜片组的放大倍数为：

步骤四、被标定后的第二放大镜片组(6)的放大倍数β返回步骤二，计算出待测量轴类零件的直径。