CN113029036B - 一种非接触式物体三维轮廓光学检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式物体三维轮廓光学检测装置及检测方法，所述装置包括：频域干涉测距仪、计算机、仿形探头支架、光纤探头和精密旋转平台；所述频域干涉测距仪与计算机连接，所述仿形探头支架包围待测件，所述光纤探头有多个，安装在仿形探头支架上，且与频域干涉测距仪通过光纤连接。本发明公开的非接触式的物体三维轮廓光学检测装置可对待测件进行无死角全方位的测量，测量速度快，测量精度高，通用性强，经三坐标测量机及标准件标定，本发明公开的物体三维轮廓光学检测装置其测量精度＜20um。

Description

一种非接触式物体三维轮廓光学检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于工件检测领域，尤其涉及一种物体三维轮廓光学检测装置。
背景技术
工业加工生产中经常需要对加工零件的尺寸、曲面特征等进行测量，而且对测量精度和测量效率都有一定的要求，现有的测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量。
接触式测量是指测量工具与被测物之间直接接触，之后通过读数的方式获取被测物件的几何尺寸和轮廓信息，典型的直接测量工具或装置有千分尺、游标卡尺、量规和三坐标测量机等。当待测物件数量较少时，接触式测量方式简便、快捷且测量精度高，然而当面对大批量产品检测及大尺寸产品时，接触式测量工作效率低、人为误差大、操作专业复杂且易损伤测量对象表面的问题，除此之外，直接接触测量也无法在有毒有害环境中进行测量。
非接触式测量是指测量工具和被测物件没有直接接触，通过间接手段得到被测物体的轮廓要素，然后通过数据处理得到物体的三维轮廓。非接触式测量时测量工具与被测物件不直接接触，从而避免了测量过程中对被测物件的损伤，尤其在测量低强度、易碎、易变形物件时，非接触式测量尤为重要，除此之外非接触式测量还具有检测精度高、检测速度快、易于实现自动化等优点，而且可以应用于有毒有害、有放射性环境中，目前光学检测方法是最常用的一种非接触式检测方法。
现有的非接触式轮廓光学检测方法主要有飞行时间法、光度立体视觉和结构光法，其中飞行时间法的主要原理是通过探测器接收物件反射的脉冲信号，计算从脉冲发出到脉冲接收之间的时间差，从而获取物件的轮廓信息，然而该方法要求有高精度的运动控制系统；光度立体视觉的主要原理是利用多台相机对同一检测对象进行拍照，根据相机之间的位置关系，以及相机之间的差异，获取物体表面三维形貌，该方法要利用精密复杂的光学成像系统进行测量，而且后期还需要进行复杂的图像处理；结构光法主要包括：条纹投影法、激光线扫法、散焦恢复法和散斑投影等，其主要原理是采用不同的光源照射被测物件，然后对比经被测物件调制后的反射光与参考光之间的差异，根据三角关系原理求出被测物件的深度信息和三维形貌，该方法对光源照明条件有严苛的要求，对被测对象有严格的尺寸限制，而且后期图像处理复杂。除此之外，上述3种非接触光学轮廓检测方法均还存在检测精度低，精度不高于50μm，检测环境要求高，一般要求恒温、恒湿度及低振动的检测环境，以及只能检测光源照射到的物体表面轮廓，无法通过一次检测获取物体的全景轮廓等缺陷，上述3种非接触光学轮廓检测方法在实际应用中均具有很大的局限性。
因此，亟需发展一种非接触式的轮廓检测装置，该装置既确保足够高的检测精度又能够实现高效的轮廓检测，同时具有较好的环境适应性及通用性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非接触式的物体三维轮廓光学检测装置及其检测方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种非接触式物体三维轮廓光学检测装置，所述装置包括：频域干涉测距仪、计算机、仿形探头支架、光纤探头和安装平台；所述频域干涉测距仪与计算机连接，所述仿形探头支架位于待测件外围并包围待测件，所述光纤探头有多个，安装在仿形探头支架上，且光纤探头表面不与待测件表面接触，所述频域干涉测距仪通过光纤束与多个光纤探头与连接，所述安装平台用于固定待测件。
优选的，所述装置还包括精密旋转平台，所述精密旋转平台安装在安装平台上，待测件安装在所述精密旋转平台上，所述仿形探头支架为单列线性支架，固定于安装平台上，位于精密旋转平台一侧。
优选的，所述频域干涉测距仪为多通道干涉测距仪，其工作量程为200mm，测距精度＜2μm，通道数≥32个，检测速度＜2s/通道。
优选的，所述光纤探头波长为1550nm，端面回光为30dB，焦距范围为10mm～200mm，焦点光斑＜200μm。
优选的，所述仿形探头支架的材料选择热膨胀系数<1×10-5℃-1、抗拉强度>500MPa，且能够加工成型材料。
一种非接触式物体三维轮廓光学检测方法，所述方法包括：
S1.设计加工仿形探头支架；根据待测件的形貌特征，设计与待测件外形轮廓相同或者近似形状的仿形探头支架框架，并根据检测指标要求，设计光纤探头的分布，优化仿形探头支架结构，保证探头在最优工作条件下工作；
S2.根据设计结果，安装光纤探头，保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直，并将光纤探头与频域干涉测距仪进行连接，频域干涉测距仪与计算机连接，搭建如上所述的非接触式物体三维轮廓光学检测装置；
S3.对上述光纤探头进行射线方程参数标定，所述射线方程参数为光纤探头起点坐标(X0，Y0，Z0)，以及描述光纤探头出射光线的几何射线方向向量(a，b，c)；
S4.选择标准件，利用三坐标测量机验证标定的光纤探头射线方程参数以及步骤S2中搭建的非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的精度；
S5.将待测件固定在安装平台或者精密旋转平台上，启动频域干涉测距仪测量各个光纤探头到待测件表面交点的距离；
S6.将测量的距离进行坐标化处理，根据各个光纤探头的射线方程参数，结合相应的光纤探头获取的距离数据，计算每个光纤探头对应的待测件表面轮廓点的三维坐标值；
S7.进行数据拟合处理，根据获取的待测件表面轮廓三坐标点集，结合待测件空间几何特征对应的数学模型，通过拟合计算给出待测件的三维轮廓数据，完成轮廓检测。
优选的，所述步骤S1中光纤探头的最优工作条件为光纤探头工作距离与光纤探头的焦距相同。
优选的，所述步骤S1中光纤探头分布的设计包括：光纤探头的数量、安装位置及安装角度的设计；所述光纤探头的数量大于待测件特征尺寸拟合和轮廓度计算所需的最小数目，所述安装位置由待测件需要测量的部位确定，所述安装角度需保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直。
优选的，所述步骤S4中验证非接触式物体三维轮廓光学检测装置精度的具体方法为：采用高精度三坐标测量机和非接触式物体三维轮廓光学检测装置同时对标准件进行检测，最后以高精度三坐标测量机的检测结果作为基准，对比非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的检测结果，给出其检测精度。。
优选的，所述步骤S4中的三坐标测量机经过具有国家计量资质的单位检定过，所述标准件包括但不限于标准外径环规、标准球。
本发明的有益效果是：1、本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置基于仿形原理设计，能够实现待测件轮廓全方位无死角的测量，解决了现有技术中由于光源的限制而无法通过一次检测获取物体的全景轮廓的缺陷；2、本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置中其光纤探头在整个测量过程中固定安装，避免了因探头位置变化而引入的附加误差，提高了检测精度；3、本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置采用光纤探头作为检测元件，单个光纤探头的测量速度在秒级，该测量时间远低于现有技术的测量速度，可以实现待测件轮廓的快速检测；4、本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置的仿形探头支架选择低热膨胀系数、高强度的材料加工而成，有效避免了环境因素对检测精度的影响，并且可以针对柔性，有毒有害，放射性物质进行检测，因此本发明公开的光学检测装置具有通用性强的优点。
综上，本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置可对待测件进行无死角全方位的测量，测量速度快，通用性强，测量精度高，经三坐标测量机及标准件标定，本发明公开的非接触式物体三维轮廓光学检测装置其测量精度＜20μm。
附图说明
图1为本发明实施例1中的非接触式物体三维轮廓光学检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例2中的非接触式物体三维轮廓光学检测装置结构示意图；
图中：1.计算机 2.频域干涉测距仪 3.光纤探头 4.待测件 5.安装平台 6.仿形支架7.精密旋转平台
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示的一种非接触式的物体三维轮廓光学检测装置，该装置包括：计算机1、频域干涉测距仪2、光纤探头3、仿形探头支架6以及安装平台5；频域干涉测距仪2与计算机1连接，仿形探头支架6位于待测件4外围并包围待测件4，光纤探头3有多个，安装在仿形探头支架6上，且光纤探头3不与待测件4表面接触，所述频域干涉测距仪2通过光纤束与多个光纤探头3与连接，待测件4放置在安装平台5上。
上述频域干涉测距仪2主要用于测量光纤探头3到光纤探头3发出的射线与待测件表面交点之间的距离；频域干涉测距仪2为多通道干涉测距仪，其工作量程为200mm，测距精度＜2μm，通道数≥32个，检测速度＜2s/通道。
仿形探头支架6基于仿形思想设计，其轮廓形状与待测件的轮廓形状相同或近似，比如待测件为立方体，则仿形探头支架6的形状立方体，但其尺寸要大于待测件尺寸，若待测件轮廓为不规则形状，则仿形探头支架6轮廓形状与待测件轮廓形状相似。仿形探头支架6主要用于光纤探头的安装固定，一般选择低热膨胀系数、高强度的材料加工而成，降低环境因素对检测精度的影响，仿形探头支架的材料选择热膨胀系数<1×10-5℃-1、抗拉强度>500MPa，且必须是可以加工成型的材料。
光纤探头3为精密测距的传感器，与频域干涉测距仪2通过光纤连接，其工作波长为1550nm，端面回光为30dB，焦距范围为10mm～200mm，焦点光斑小于200μm。
计算机实现频域干涉测距仪的自动控制、原始数据采集和数据处理，安装有频域干涉测距仪控制和数据处理软件、三维轮廓计算软件等。
以待测件形状为立方体为例，说明本发明中进行非接触式物体三维轮廓光学检测的全过程，该过程包括以下步骤：
Step1.设计加工仿形探头支架，支架框架形状为立方体，尺寸大于待测件尺寸，保证探头的安装空间，及探头出射光表面与待测件表面不接触，之后根据检测的具体指标要求，设计光纤探头的分布，细化仿形探头支架结构，光纤探头分布的设计包括：光纤探头的数量、安装位置及安装角度的设计，其中光纤探头的数量需大于待测件特征尺寸拟合和轮廓度计算所需的最小数目，安装位置由待测件需要测量的部位确定，安装角度需保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直，且在光纤探头设计时需保证光纤探头的最优工作条件为探头工作距离与探头焦距相同。
Step2.根据设计结果，安装光纤探头，保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直，并将光纤探头与频域干涉测距仪进行连接，频域干涉测距仪与计算机连接，搭建如图1所示的非接触式物体三维轮廓光学检测装置；
Step3.对上述光纤探头进行射线方程参数标定，主要是对由光纤探头及光纤探头出射光线组成的射线进行参数标定，进行标定的目的在于计算出光纤探头的起点坐标位置，以及描述光纤探头出射光线的几何射线方向向量(a，b，c)；
Step4.选择标准件，利用三坐标测量机验证光纤探头射线方程参数以及上述Step2中搭建的非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的精度；所述三坐标测量机经过具有国家计量资质的单位检定过，所述标准件为标准外径环规、标准球，或者是其他可以数学解析描述的高精度机加件；
验证非接触式的物体三维轮廓光学检测装置精度的具体方法为：采用高精度三坐标测量机和非接触式的物体三维轮廓光学检测装置同时对选定的标准件进行检测，最后以高精度三坐标测量机的检测结果作为基准，对比非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的检测结果，给出其检测精度。
Step5.将待测件固定在安装平台或者精密旋转平台上，启动频域干涉测距仪测量各个光纤探头到待测件表面交点的距离；
Step6.将距离数据进行坐标化处理，根据各个光纤探头获取的距离数据结合光纤探头的射线方程，计算每个光纤探头对应的待测件轮廓点的三维坐标值，由Step3中已知探头的坐标位置，及出射光线的方向向量，再结合各个光纤探头到待测件表面交点之间的距离，就可以计算出每个探头对应的待测件轮廓上的点的坐标值；
Step7.进行数据拟合处理，根据获取的待测件表面三坐标点集，结合待测件空间几何特征对应的数学模型，通过拟合计算给出待测件的三维轮廓数据，完成本实施例中待测件三维轮廓的测量。
实施例2
如图2所示的一种非接触式的物体三维轮廓光学检测装置，该装置包括：计算机1、频域干涉测距仪2、光纤探头3、安装平台5、仿形支架6、精密旋转平台7，其中，频域干涉测距仪2与计算机1连接，精密旋转平台7位于安装平台5上表面，精密旋转平台7可以带动待测件4进行旋转运动，仿形探头支架6安装平台5上，且位于精密旋转平台7一侧，且为单列探头支架，光纤探头3有多个，安装在仿形探头支架6上，且与频域干涉测距仪通过光纤束连接。
该装置与实施例1中的装置的不同之处在于，该装置还包括精密旋转平台7，以及该仿形探头支架6为单列支架，本实施例中的仿形探头支架6上探头只有一列，检测时，仿形探头支架6位置固定不变，待测件4安装在精密旋转平台7上，由精密旋转平台7带动做旋转运动，从而实现待测件不同位置处的轮廓点检测，当单列仿形探头支架6遍历整个待测件表面轮廓时，完成轮廓检测。
本实施例的检测过程基本与实施例1相同，不同之处在于，以本实施例中的装置进行检测时，需要分次对待测件轮廓进行测量，由于采用了单列线性探头，一次测量只能检测待测件部分表面轮廓，需要在一次检测完之后，旋转精密旋转平台7，检测待测件另一部分表面轮廓点。

Claims (8)

1.一种非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.设计加工仿形探头支架；根据待测件的形貌特征，设计与待测件外形轮廓相同或者近似形状的仿形探头支架框架，并根据检测指标要求，设计光纤探头的分布，优化仿形探头支架结构；
S2.根据设计结果，安装光纤探头，保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直，并将光纤探头与频域干涉测距仪进行连接，频域干涉测距仪与计算机连接，搭建非接触式物体三维轮廓光学检测装置；
所述装置包括：频域干涉测距仪、计算机、仿形探头支架、光纤探头和安装平台；所述频域干涉测距仪与计算机连接，所述仿形探头支架位于待测件外围并包围待测件，所述光纤探头有多个，安装在仿形探头支架上，且光纤探头不与待测件表面接触，所述频域干涉测距仪通过光纤束与多个光纤探头与连接，所述安装平台用于固定待测件；
S3.对上述光纤探头进行射线方程参数标定，所述射线方程参数为光纤探头起点坐标(X0，Y0，Z0)，以及描述光纤探头出射光线的几何射线方向向量(a，b，c)；
S4.选择标准件，利用三坐标测量机验证标定的光纤探头射线方程参数以及步骤S2中搭建的非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的精度；
S5.将待测件固定在安装平台或者精密旋转平台上，启动频域干涉测距仪测量各个光纤探头到待测件表面交点的距离；
S6.将测量的距离进行坐标化处理，根据各个光纤探头的射线方程参数，结合相应的光纤探头获取的距离数据，计算每个光纤探头对应的待测件表面轮廓点的三维坐标值；
S7.进行数据拟合处理，根据获取的待测件表面轮廓三坐标点集，结合待测件空间几何特征对应的数学模型，通过拟合计算给出待测件的三维轮廓数据，完成轮廓检测。
2.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述步骤S1优化仿形探头支架需保证光纤探头其最优工作条件为光纤探头工作距离与光纤探头的焦距相同。
3.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述步骤S1中光纤探头分布的设计包括：光纤探头的数量、安装位置及安装角度的设计；所述光纤探头的数量大于待测件特征尺寸拟合和轮廓度计算所需的最小数目，所述安装位置由待测件需要测量的部位确定，所述安装角度需保证光纤探头出射光线与待测件表面垂直。
4.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述步骤S4中验证非接触式物体三维轮廓光学检测装置精度的具体方法为：采用高精度三坐标测量机和非接触式物体三维轮廓光学检测装置同时对标准件进行检测，最后以高精度三坐标测量机的检测结果作为基准，对比非接触式的物体三维轮廓光学检测装置的检测结果，给出其检测精度。
5.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述步骤S4中的三坐标测量机经过具有国家计量资质的单位检定，所述标准件包括但不限于高精度标准外径环规、标准球。
6.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述频域干涉测距仪为多通道频域干涉测距仪，其工作量程为200mm，测距精度＜2μm，通道数≥32个，检测速度＜2s/通道。
7.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述光纤探头波长为1550nm，端面回光为30dB，焦距范围为10mm～200mm，焦点光斑＜200μm。
8.根据权利要求1所述的非接触式物体三维轮廓光学检测方法，其特征在于，所述仿形探头支架的材料选择热膨胀系数<1×10-5℃-1、抗拉强度>500MPa，且能够加工成型材料。
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