CN110763163B - 大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪及测量方法，解决现有垂直度测量操作复杂、耗时费工且测量精度低的问题。其包括测量单元以及控制单元；测量单元包括壳体；壳体前端设置前窗口，后端设置通孔；壳体内由前端向后端依次设置光路切换单元、光学周视扫描单元、内调焦光学成像单元和CCD相机；光路切换单元对应壳体上沿周向均匀设置多个侧窗口；光学周视扫描单元用于协助内调焦光学成像单元对前视目标以及侧视目标进行成像；光路切换单元用于对前视目标和侧视目标的成像光路进行切换；CCD相机位于内调焦光学成像单元的焦面上，对目标进行清晰成像和瞄准判读；控制单元用于控制各个单元以及CCD相机，并根据目标图像数据计算垂直度误差。
Description
技术领域
本发明属于大尺寸工件光电检测技术领域，具体涉及一种用于大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪及测量方法。
背景技术
大尺寸工件的垂直度检测在工业测量领域有着十分重要的应用,比如飞机、大型船舶、航天火箭制造，核电蒸汽发生器加工，锅炉内部构件安装等均有涉及。
由于大尺寸工件外形尺寸庞大，一般为直径轮廓大于4米、长度方向10米以上，因此不能采用三坐标测量机等测量设备，而激光跟踪仪由于使用复杂，测量时间长，易受震动环境影响，数据可靠度低，在制造加工过程中使用不便。以往垂直度的检测中，往往采用纯光学瞄准镜，通过人眼瞄准判定目标的方向，然后在光学瞄准镜的前端，人工加装一个五棱镜，进行手动旋转，人工瞄准垂直方向目标并进行读数，手工进行垂直度计算，整个过程操作极其复杂，耗时费工，且测量精度低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有垂直度测量操作极其复杂、耗时费工、且测量精度低的不足之处，而提供了大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪及测量方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特殊之处在于，包括测量单元以及控制单元；所述测量单元包括壳体，所述测量单元包括壳体，该壳体前端的端面设置有前窗口，后端的端面设置有通孔；壳体内由前端向后端依次设置有光路切换单元、光学周视扫描单元、内调焦光学成像单元和CCD相机；所述光路切换单元对应的壳体上沿周向均匀设置有多个侧窗口；所述光学周视扫描单元用于协助内调焦光学成像单元对前窗口的前视目标以及各个侧窗口的侧视目标进行成像；所述光路切换单元用于对前视目标和侧视目标的成像光路进行切换；所述CCD相机位于内调焦光学成像单元的焦面上，对各个目标进行清晰成像和瞄准判读；所述控制单元用于控制光路切换单元、光学周视扫描单元、内调焦光学成像单元以及CCD相机，并根据所得的目标图像数据计算垂直度误差。
进一步地，所述光学周视扫描单元包括半透半反五棱镜、齿轮副以及第一驱动电机；所述半透半反五棱镜安装在壳体内的支架上；所述第一驱动电机通过齿轮副驱动半透半反五棱镜旋转。
进一步地，所述内调焦光学成像单元包括调焦透镜、丝杠、第二驱动电机以及精密编码器；所述第二驱动电机通过丝杠带动调焦透镜沿壳体轴向做直线运动，进而调节焦距；所述精密编码器集成在第二驱动电机上，可对不同距离的目标进行清晰成像。
进一步地，所述光路切换单元包括机械光栏、弹性拨杆、第三驱动电机以及光耦开关；所述机械光栏位于前窗口与半透半反五棱镜之间；第三驱动电机带动弹性拨杆推动机械光栏打开或关闭；光耦开关用于对机械光栏的转动幅度进行定位。
进一步地，所述壳体上开设有四个侧窗口。
进一步地，所述控制单元包括电连的计算机及电控箱；所述电控箱与CCD相机、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机以及光电耦合开关均通过穿过通孔的电缆连接；所述计算机内安装有图像处理与控制软件。
同时，本发明还提供了利用上述光电图像测量仪进行大尺寸工件垂直度检测的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将光电图像测量仪调整并固定；
2)启动控制单元，将光学周视扫描单元旋转至非工作位置，关闭侧视目标的成像光路；
3)控制内调焦光学成像单元瞄准前视目标，CDD相机对前视目标进行自动调焦判读，并将前视目标图像数据发送至控制单元；
4)切换光路，关闭前视目标的成像光路，控制光学周视扫描单元旋转扫描，CDD相机对侧视目标进行自动调焦判读，并将侧视目标图像数据发送至控制单元；
5)控制单元对获取的前视目标图像数据和侧视目标图像数据进行垂直度误差计算并显示，即完成垂直度检测。
进一步地，所述光学周视扫描单元包括半透半反五棱镜、齿轮副以及第一驱动电机；所述半透半反五棱镜安装在壳体内的支架上；所述第一驱动电机通过齿轮副驱动半透半反五棱镜旋转；
所述内调焦光学成像单元包括调焦透镜、丝杠、第二驱动电机以及精密编码器；所述第二驱动电机通过丝杠带动调焦透镜沿壳体轴向做直线运动，进而调节焦距；所述精密编码器集成在第二驱动电机上。
进一步地，所述光路切换单元包括机械光栏、弹性拨杆、第三驱动电机以及光耦开关；所述机械光栏位于前窗口与半透半反五棱镜之间；第三驱动电机带动弹性拨杆推动机械光栏打开或关闭；光耦开关用于对机械光栏的转动幅度进行定位。
进一步地，侧视目标为四个，且沿周向均布。
本发明的优点是：
1.本发明中用于大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪与传统的光学瞄准仪、三坐标测量机、激光跟踪仪相比，具有体积小、操作简便、测量效率高、检测精度高、高度集成化、便于携带使用、全自动控制、实时图像识别采集与自动处理、垂直度测量数据自动计算和显示等多项智能化、专用化的特点，可实现对大尺寸工件垂直度进行高精度实时测量。
2.本发明用于大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪可实现对两个相互垂直光路上的目标进行观测成像，一物多用。
3.本发明用于大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪采用了CCD相机图像处理技术可对两个方向的瞄准目标进行自动调焦和判读，实现测量数据的数字化和信息化，更加便捷。
4.本发明用于大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪采用精密电机控制，实现了对不同距离目标的自动调焦，更加智能化，测量方便。
附图说明
图1为本发明中光电图像测量仪中测量单元的整体结构示意图；
图2为本发明中光电图像测量仪中测量单元的内部结构剖视图；
图3为本发明使用光电图像测量仪对大尺寸工件垂直度进行测量的示意图；
附图标号如下：
1-测量单元；2-控制单元；21-计算机；22-电控箱；3-光路切换单元；31-机械光栏；32-弹性拨杆；33-第三驱动电机；34-光耦开关；4-光学周视扫描单元；41-半透半反五棱镜；42-齿轮副；43-第一驱动电机；5-内调焦光学成像单元；51-调焦透镜；52-丝杠；53-第二驱动电机；6-CCD相机；7-电缆；8-前视目标；9-侧视目标；10-前视窗；11-侧视窗。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1-图3所示，大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪包括测量单元1以及控制单元2；所述测量单元1包括壳体，该壳体前端的端面设置有前窗口10，后端的端面设置有通孔；壳体内由前端向后端依次设置有光路切换单元3、光学周视扫描单元4、内调焦光学成像单元5和CCD相机6，其中，光路切换单元对应的壳体上沿周向均匀设置有四个侧窗口。因此，该仪器不仅能够对光学主系统(即内调焦光学成像单元5)瞄准的有限远和无穷远目标进行CCD成像，而且还可以通过光学周视扫描单元4的对垂直于上述瞄准方向的有限远和无穷远目标进行CCD成像。
光学周视扫描单元4用于协助内调焦光学成像单元5对前窗口10的前视目标8以及各个侧窗口11的侧视目标9进行成像；其包括半透半反五棱镜41、齿轮副42以及第一驱动电机43。半透半反五棱镜41安装在壳体内的支架(图中未示出)上；第一驱动电机43通过齿轮副42驱动半透半反五棱镜41旋转，旋转的转速及方向均由控制单元2控制。
内调焦光学成像单元5包括调焦透镜51、丝杠52、第二驱动电机53以及精密编码器；第二驱动电机53通过丝杠52带动调焦透镜51沿壳体轴向做直线运动，进而调节焦距；精密编码器(图中未示出)集成在第二驱动电机53上，可对不同距离目标的自动调焦，更加智能化，测量方便。
光路切换单元3用于对前视目标和侧视目标的成像光路进行切换，可避免两条光路同时工作造成目标识别错误；其包括机械光栏31、弹性拨杆32、第三驱动电机33以及光耦开关34。机械光栏31位于前窗口与半透半反五棱镜41之间；通过对半透半反五棱镜41周视扫描的控制，第三驱动电机33带动弹性拨杆32推动机械光栏31打开或关闭，对光路自动切换；光耦开关34用于对机械光栏31的转动幅度进行定位。
上述光学周视扫描单元、内调焦光学成像单元以及光路切换单元不限于此，也可采用其他可以实现相同功能的结构形式，协助进行大尺寸工件的垂直度检测。
CCD相机6位于内调焦光学成像单元5的焦面上，对目标进行清晰成像和瞄准判读。
控制单元2用于控制光路切换单元3、光学周视扫描单元4、内调焦光学成像单元以及CCD相机6，并根据所得的各个目标图像数据计算垂直度误差；其包括电连的计算机21及电控箱22；电控箱22与CCD相机6、第一驱动电机43、第二驱动电机53、第三驱动电机33以及光电耦合开关均通过穿过通孔的电缆7连接；计算机21内安装有图像处理与控制软件，通过CCD相机对目标进行识别和瞄准处理，并通过电控箱22对光路切换单元3、光学周视扫描单元4、内调焦光学成像单元5进行程序化的运行控制。
如图3所示，利用上述光电图像测量仪进行大尺寸工件垂直度检测的测量方法包括以下步骤；
1)将光电图像测量仪调整并固定；
2)启动计算机21及电控箱22，将半透半反五棱镜41旋转至非工作位置，关闭侧视目标的成像光路(即侧方为黑色背景，不影响前视目标成像)；
3)控制调焦透镜51瞄准前视目标8，CDD相机对前视目标8进行自动调焦判读，并将前视目标8图像数据发送至计算机21；
4)切换光路，拨杆将机械光栏31关闭，关闭前视目标的成像光路(即前方为黑色背景，不影响侧视目标成像)，控制半透半反五棱镜41旋转扫描，CDD相机对侧视目标9进行自动调焦判读，并将侧视目标9图像数据发送至控制单元2；
5)控制单元2对获取的前视目标8图像数据和侧视目标9图像数据进行垂直度误差计算并显示，即完成垂直度检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：包括测量单元(1)以及控制单元(2)；
所述测量单元(1)包括壳体，该壳体前端的端面设置有前窗口(10)，后端的端面设置有通孔；
壳体内由前端向后端依次设置有光路切换单元(3)、光学周视扫描单元(4)、内调焦光学成像单元(5)以及CCD相机(6)；
所述光路切换单元(3)对应的壳体上沿周向均匀设置有多个侧窗口(11)；
所述光学周视扫描单元(4)用于协助内调焦光学成像单元(5)对前窗口的前视目标(8)以及各个侧窗口的侧视目标(9)进行成像；
所述光路切换单元(3)用于对前视目标(8)和侧视目标(9)的成像光路进行切换；
所述CCD相机(6)位于内调焦光学成像单元(5)的焦面上，对各个目标进行清晰成像和瞄准判读；
所述控制单元(2)用于控制光路切换单元(3)、光学周视扫描单元(4)、内调焦光学成像单元(5)以及CCD相机(6)，并根据所得的目标图像数据计算垂直度误差。
2.根据权利要求1所述的大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：
所述光学周视扫描单元(4)包括半透半反五棱镜(41)、齿轮副(42)以及第一驱动电机(43)；
所述半透半反五棱镜(41)安装在壳体内的支架上；
所述第一驱动电机(43)通过齿轮副(42)驱动半透半反五棱镜(41)旋转。
3.根据权利要求2所述的大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：
所述内调焦光学成像单元(5)包括调焦透镜(51)、丝杠(52)、第二驱动电机(53)以及精密编码器；所述第二驱动电机(53)通过丝杠(52)带动调焦透镜(51)沿壳体轴向做直线运动，从而调节焦距；
所述精密编码器集成在第二驱动电机(53)上。
4.根据权利要求3所述的大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：
所述光路切换单元(3)包括机械光栏(31)、弹性拨杆(32)、第三驱动电机(33)以及光耦开关(34)；
所述机械光栏(31)位于前窗口与半透半反五棱镜(41)之间；第三驱动电机(33)带动弹性拨杆(32)推动机械光栏(31)打开或关闭；
光耦开关(34)用于对机械光栏(31)的转动幅度进行定位。
5.根据权利要求4所述的大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：所述壳体上开设有四个侧窗口。
6.根据权利要求5所述的大尺寸工件垂直度检测的光电图像测量仪，其特征在于：所述控制单元(2)包括电连的计算机(21)及电控箱(22)；所述电控箱(22)与CCD相机(6)、第一驱动电机(43)、第二驱动电机(53)、第三驱动电机(33)以及光电耦合开关均通过穿过通孔的电缆(7)连接；
所述计算机(21)内安装有图像处理与控制软件。
7.利用权利要求1所述的光电图像测量仪进行大尺寸工件垂直度检测的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将光电图像测量仪调整并固定；
2)启动控制单元(2)，将光学周视扫描单元(4)旋转至非工作位置，关闭侧视目标(9)的成像光路；
3)控制内调焦光学成像单元(5)瞄准前视目标(8)，CDD相机对前视目标(8)进行自动调焦判读，并将前视目标(8)图像数据发送至控制单元(2)；
4)切换光路，关闭前视目标的成像光路，控制光学周视扫描单元(4)旋转，CDD相机对侧视目标(9)进行自动调焦判读，并将侧视目标(9)图像数据发送至控制单元(2)；
5)控制单元(2)对获取的前视目标(8)图像数据和侧视目标(9)图像数据进行垂直度误差计算并显示，即完成垂直度检测。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述光学周视扫描单元(4)包括半透半反五棱镜(41)、齿轮副(42)以及第一驱动电机(43)；
所述半透半反五棱镜(41)安装在壳体内的支架上；
所述第一驱动电机(43)通过齿轮副(42)驱动半透半反五棱镜(41)旋转；
所述内调焦光学成像单元(5)包括调焦透镜(51)、丝杠(52)、第二驱动电机(53)以及精密编码器；所述第二驱动电机(53)通过丝杠(52)带动调焦透镜(51)沿壳体轴向做直线运动，进而调节焦距；
所述精密编码器集成在第二驱动电机(53)上。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：
所述光路切换单元(3)包括机械光栏(31)、弹性拨杆(32)、第三驱动电机(33)以及光耦开关(34)；
所述机械光栏(31)位于前窗口与半透半反五棱镜(41)之间；第三驱动电机(33)带动弹性拨杆(32)推动机械光栏(31)打开或关闭；
光耦开关(34)用于对机械光栏(31)的转动幅度进行定位。
10.根据权利要求7-9任一所述的测量方法，其特征在于：所述侧视目标(9)为四个，且沿周向均布。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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