CN113432551A - 基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，属于微小零件非接触形貌测量技术领域。本发明为解决现有微小零件的三维形貌很难获得精确测量的问题。包括：将被测目标固定在三维电动平移台的z轴升降台上，视觉测头固定在二维转台上，并使被测目标的中心位于二维转台的两轴线交点处，将两轴线交点处作为坐标原点，使视觉测头的光轴通过坐标原点；控制二维转台旋转带动视觉测头绕坐标原点二维旋转扫描，实现对被测目标的三维形貌观测。本发明可实现微小零部件表面三维形貌精确测量。

Description

基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法

技术领域

本发明涉及基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，属于微小零件非接触形貌测量技术领域。

背景技术

在工业和国防等行业中，经常会有微小零件三维尺寸的检测需求，对各种复杂形状的微小零件进行三维形貌检测始终是个难题。由于尺寸太小，各种基于结构光的扫描仪很难精确地测出零件的三维尺寸信息，同时各种接触式检测设备如三坐标测量机也很难实现微小零件的三维形貌测量。

发明内容

针对现有微小零件的三维形貌很难获得精确测量的问题，本发明提供一种基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法。

本发明的一种基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，包括，

将被测目标固定在三维电动平移台的z轴升降台上，视觉测头固定在二维转台上，并使被测目标的中心位于二维转台的两轴线交点处，将两轴线交点处作为坐标原点，使视觉测头的光轴通过坐标原点；

控制二维转台旋转带动视觉测头绕坐标原点二维旋转扫描，实现对被测目标的三维形貌观测。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，所述被测目标通过水平支撑架固定在三维电动平移台的z轴升降台上。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，所述三维电动平移台包括x轴平移台、y轴平移台和z轴升降台，

x轴平移台位于底层，y轴平移台安装于x轴平移台的运动工作台上，x轴平移台和y轴平移台的运动方向互相垂直；z轴升降台安装于y轴平移台的运动工作台上，z轴升降台的运动方向垂直于xy平面。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，水平支撑架的一端固定于z轴升降台的运动工作台中心，另一端连接被测目标。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，二维转台包括水平轴转台和竖直轴转台，竖直轴转台位于底层，水平轴转台安装于竖直轴转台的旋转工作台上；水平轴转台和竖直轴转台的轴在空间上正交。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，视觉测头通过调焦平移台固定于水平轴转台的旋转工作台上；

调焦平移台的运动方向垂直于水平轴转台和竖直轴转台的旋转轴所成平面。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，调焦平移台的运动方向与视觉测头的光轴方向一致。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，所述x轴平移台、y轴平移台、z轴升降台、水平轴转台和竖直轴转台均为气浮平台。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，x轴平移台、y轴平移台和z轴升降台的行程均为±80mm，全行程范围内角度误差≤1"，定位精度为0.5μm。

根据本发明所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，水平轴转台和竖直轴转台的角定位精度为2"，径向跳动量为1μm，水平跳动量为1μm。

本发明的有益效果：本发明主要针对微小零件的三维尺寸进行精确的检测，属于非接触三维测量。本发明采用结构光与视觉结合的技术路线，通过多轴高精度精密运动系统分别带动被测零件和视觉测头进行相对运动，使视觉测头扫描被测零件的全表面，进而实现对微小目标三维形貌的测量。

本发明可实现工业和国防行业中微小、复杂零部件表面三维尺寸信息的精确测量，采用多轴精密运动扫描的方式，通过视觉测头的视觉检测耦合结构光投影技术获取被测目标表面点云三维信息，进而实现微小零部件表面三维形貌精确测量。

附图说明

图1是本发明所述基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法基于的设备结构图；

图2是视觉测头的内部结构示意图；

图3是视觉测头的结构光测量原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，包括，

将被测目标5固定在三维电动平移台的z轴升降台3上，视觉测头6固定在二维转台上，并使被测目标5的中心位于二维转台的两轴线交点处，将两轴线交点处作为坐标原点，使视觉测头6的光轴通过坐标原点；

控制二维转台旋转带动视觉测头6绕坐标原点二维旋转扫描，实现对被测目标5的三维形貌观测。

本实施方式中，三维电动平移台用于实现被测目标5的三维位置控制，二维转台用于实现视觉测头6的二维位置控制。

作为示例，结合图1所示，所述被测目标5通过水平支撑架4固定在三维电动平移台的z轴升降台3上。水平支撑架4用于被测目标5的支撑。

作为示例，结合图1所示，所述三维电动平移台包括x轴平移台1、y轴平移台2和z轴升降台3，

x轴平移台1位于底层，y轴平移台2安装于x轴平移台1的运动工作台上，x轴平移台1和y轴平移台2的运动方向互相垂直；z轴升降台3安装于y轴平移台2的运动工作台上，z轴升降台3的运动方向垂直于xy平面，即z轴升降台3的运动方向与x轴平移台1和y轴平移台2的运动方向构成的平面垂直。

本实施方式中，x轴平移台1、y轴平移台2、z轴升降台3和水平支撑架4组成精密平移运动调整单元。x轴平移台1、y轴平移台2和z轴升降台3三者的运动方向空间正交。

进一步，结合图1所示，水平支撑架4的一端固定于z轴升降台3的运动工作台中心，另一端连接被测目标5。

再进一步，结合图1所示，二维转台包括水平轴转台8和竖直轴转台9，竖直轴转台9位于底层，其旋转轴方向为竖直方向；水平轴转台8安装于竖直轴转台9的旋转工作台上，其旋转轴方向为水平方向；水平轴转台8和竖直轴转台9的轴在空间上正交。

再进一步，结合图1所示，视觉测头6由调焦平移台7承载，通过调焦平移台7固定于水平轴转台8的旋转工作台上，可随调焦平移台7前后运动，实现调整焦；

调焦平移台7的运动方向垂直于水平轴转台8和竖直轴转台9的旋转轴所成平面。

本实施方式中，视觉测头6、调焦平移台7、水平轴转台8和竖直轴转台9组成精密旋转扫描测量单元。

再进一步，调焦平移台7的运动方向与视觉测头6的光轴方向一致，视觉测头6的光轴通过水平轴转台8和竖直轴转台9的旋转轴交点。

再进一步，所述x轴平移台1、y轴平移台2、z轴升降台3、水平轴转台8和竖直轴转台9均为气浮平台。

再进一步，x轴平移台1、y轴平移台2和z轴升降台3的行程均为±80mm，全行程范围内角度误差≤1"，定位精度为0.5μm。x轴平移台1、y轴平移台2和z轴升降台3的行程影响系统的可检测范围。由于三维电动平移台采用串联结构，会产生误差传递，因此限制平移台全行程范围内角度误差≤1"，可抑制被测目标位置调整时产生的阿贝误差。

再进一步，水平轴转台8和竖直轴转台9的角定位精度为2"，径向跳动量为1μm，水平跳动量为1μm。可设置水平轴转台8和竖直轴转台9的旋转轴在空间垂直度误差≤5"，两轴空间异面距离≤5μm。可设置水平轴转台8和竖直轴转台9的转轴晃动角度误差≤1"，从而抑制旋转过程中在视觉测头端引入的阿贝误差。

本实施方式中，三维电动平移台和二维转台均为气浮平台。

本发明的工作原理：

结合图1所示，控制三维电动平移台将被测目标中心调整到二维转台的轴线交点处，使视觉测头6光轴通过坐标原点。通过二维转台旋转带动光学测量模块绕中心点二维旋转扫描，实现对微小零件全方位特征观测。

本发明中的视觉测头6将视觉成像技术与结构光测量技术相耦合，结构及工作原理如图2和图3所示。以测量球形零件为例，CCD成像时，随着零件的距离变化(通过调焦实现)，零件成像位置保持不变，而根据结构光测量原理，十字线像会相应产生平移，因此既可以测量目标在平面内的二维坐标信息，又可测其深度方向上的距离信息，从而实现靶的三维测量功能。

如果需要测量超出视场范围的零件特征，则三维电动平移台需调整靶点位置进入视觉模块视场，结合三维平移台坐标平移量(x，y，z)、二维转台角度旋转量(θ，φ)及视觉模块测得的靶点三维坐标(x′，y′，z′)可求出当前靶点的三维空间位置；其中x为x轴平移台1的运动位移，y为y轴平移台2的运动位移，z为z轴升降台3的运动位移；θ为水平轴转台8的旋转角度，φ为竖直轴转台9的旋转角度；x′为靶点的x轴坐标值，y′为靶点的y轴坐标值，z′为靶点的z轴坐标值。

图3中，图案投影仪光轴与成像系统镜头光轴在同一平面内，夹角为30°。可设置成像系统镜头工作距110mm，放大倍率1.5×，光学分辨率2μm。可设置图案投影仪工作距90mm，投影十字线宽度50μm。

本发明将视觉检测与结构光投影技术相结合，通过精密运动控制实现被测目标表面形貌三维信息的多自由度全方位扫描，进而可实现微小零部件表面三维信息的精确测量。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于包括，

将被测目标(5)固定在三维电动平移台的z轴升降台(3)上，视觉测头(6)固定在二维转台上，并使被测目标(5)的中心位于二维转台的两轴线交点处，将两轴线交点处作为坐标原点，使视觉测头(6)的光轴通过坐标原点；

控制二维转台旋转带动视觉测头(6)绕坐标原点二维旋转扫描，实现对被测目标(5)的三维形貌观测。

2.根据权利要求1所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，

所述被测目标(5)通过水平支撑架(4)固定在三维电动平移台的z轴升降台(3)上。

3.根据权利要求2所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，所述三维电动平移台包括x轴平移台(1)、y轴平移台(2)和z轴升降台(3)，

x轴平移台(1)位于底层，y轴平移台(2)安装于x轴平移台(1)的运动工作台上，x轴平移台(1)和y轴平移台(2)的运动方向互相垂直；z轴升降台(3)安装于y轴平移台(2)的运动工作台上，z轴升降台(3)的运动方向垂直于xy平面。

4.根据权利要求3所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，水平支撑架(4)的一端固定于z轴升降台(3)的运动工作台中心，另一端连接被测目标(5)。

5.根据权利要求4所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，二维转台包括水平轴转台(8)和竖直轴转台(9)，竖直轴转台(9)位于底层，水平轴转台(8)安装于竖直轴转台(9)的旋转工作台上；水平轴转台(8)和竖直轴转台(9)的轴在空间上正交。

6.根据权利要求5所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，

视觉测头(6)通过调焦平移台(7)固定于水平轴转台(8)的旋转工作台上；

调焦平移台(7)的运动方向垂直于水平轴转台(8)和竖直轴转台(9)的旋转轴所成平面。

7.根据权利要求6所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，调焦平移台(7)的运动方向与视觉测头(6)的光轴方向一致。

8.根据权利要求7所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，所述x轴平移台(1)、y轴平移台(2)、z轴升降台(3)、水平轴转台(8)和竖直轴转台(9)均为气浮平台。

9.根据权利要求8所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，x轴平移台(1)、y轴平移台(2)和z轴升降台(3)的行程均为±80mm，全行程范围内角度误差≤1"，定位精度为0.5μm。

10.根据权利要求9所述的基于多轴精密运动机构的微小零件三维形貌测量方法，其特征在于，水平轴转台(8)和竖直轴转台(9)的角定位精度为2"，径向跳动量为1μm，水平跳动量为1μm。

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