CN114234863B - 内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统，该测量结构及自动化测量系统的关键部件为无损光路测量结构，主要包括集成光路和潜望镜式转折光路，集成光路包括白光光源、第一分束镜和相机，第一分束镜将一部分光出射至潜望镜式转折光路内，潜望镜式转折光路内设有若干平面反射镜将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路的末端，潜望镜式转折光路的末端连接有Mirau干涉物镜，用于将光束出射到待测的部件内外腔上；相机设置在分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜中的参考光发生干涉，干涉图像由相机拍摄获取。本发明的无损光路测量结构，可以实现不同长径比的部件内外腔的高精度测量。

Description

内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统

技术领域

本发明涉及粗糙度检测技术领域，具体为一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统。

背景技术

随着制造业的发展与科技水平的进步，具有内外腔结构形式（通孔圆柱壳体、盲孔圆柱壳体、半封闭球壳体、半封闭椭球壳体等）的部件如特殊轴承，枪弹壳体、内壁微结构等广泛应用于国防工业、汽车工业和航空航天等工业领域。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。内外腔表面的粗糙度作为该类部件重要的特征参数之一，在制造过程的控制中和在对部件性能的控制中起着重要的作用。然而这类型部件由于其内部环境复杂狭窄、有一定深度且长径比大，所以需要一种能够在有限的空间中实现内外腔表面粗糙度高精度高效率的光路检测结构。

目前表面粗糙度的测量方法主要有触针法、光切法、干涉法三种，触针法利用金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，测量效率高，适用于测量Ra为0.025～6.3μm的表面粗糙度。缺点是接触测量存在压应力容易划伤部件内外腔表面。光切法通常采用双管显微镜测量表面粗糙度，可用作Rz参数评定，测量范围0.5~50μm，但操作相对复杂。干涉测量作为精密测量领域公认的高精度测量方法，被广泛用来检测零部件表面质量。基于光波干涉原理将被测表面的微观形貌误差以干涉条纹图形显示出来，并以高精度复原算法提取表面粗糙度，具备无损测量、场式测量，纳米级轴向分辨力，测量速度快等优点，适用于测量Rz为 0.025～0.8μm的表面粗糙度。

但是，现有白光干涉测量仪多为垂直测量光路，系统体积较大，不具备转折光路，无法伸进狭小内外腔，尤其半封闭的椭球壳体元件，无法实现内外腔壁面粗糙度测量。针对内外腔表面粗糙度测量需求，调研到有研究基于白光干涉原理在传统的Michelson干涉系统的基础上，提出在部件的内部放置圆锥反射镜，利用圆锥反射镜的反射原理，调整测量光的光路方向进行部件内壁粗糙度的测量。然而该方法需要采用高精度的定位装置使圆锥反射镜与部件的轴线严格对准，导致系统测量效率低；并且由于角度误差和对准误差的存在导致测量精度低；此外，根据不同口径的内壁部件需要更换不同半径的圆锥反射镜，高精度圆锥反射镜的制造成本也是该方法面临的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统，可以实现部件内外腔表面粗糙度的高精度测量，潜望镜式转折光路包括设置水平镜筒和竖直镜筒，可以实现不同长径比的部件内外腔的高精度测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，所述测量光路结构包括集成光路和潜望镜式转折光路，所述集成光路包括白光光源、第一分束镜和相机，第一分束镜将一部分光出射至潜望镜式转折光路内，所述潜望镜式转折光路内设有若干平面反射镜，用于将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路的末端，所述潜望镜式转折光路包括水平镜筒和竖直镜筒，且水平镜筒和竖直镜筒的长度比值与待测部件的长径比相适应，所述潜望镜式转折光路的末端连接有Mirau干涉物镜，所述Mirau干涉物镜用于将光束出射到待测的部件内外腔上；

所述相机设置在所述分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机拍摄获取。

优选的，所述集成光路包括设置在所述白光光源出射端的准直结构，用于对白光光源的出射光线进行准直。

优选的，所述准直结构采用柯勒照明系统。

优选的，所述Mirau干涉物镜包括自潜望镜式转折光路的末端朝向部件内外腔表面的方向依次设置的第一透镜、参考镜和第二分束镜，所述第二分束镜用于将一部分光束出射至部件内外腔表面上，将另一部分光束反射到参考镜上，所述参考镜用于与所述第二分束镜相匹配，将部件内外腔表面的反射光与参考光发生干涉。

优选的，所述潜望镜式转折光路的末端通过压电陶瓷与Mirau干涉物镜相连，所述压电陶瓷用于带动Mirau干涉物镜进行移相运动；所述压电陶瓷为中空结构且其两端均设有固定螺纹分别用于与潜望镜式转折光路的末端和所述Mirau干涉物镜固定连接；所述Mirau干涉物镜的长度大于压电陶瓷的宽度，以使部件内外腔表面任一点均无法触碰到压电陶瓷

优选的，所述潜望镜式转折光路与集成光路可拆卸式连接，潜望镜式转折光路外套设有若干个圆柱或方柱形式进行封装成镜筒，若干镜筒之间可拆卸式连接。

优选的，所述潜望镜式转折光路内设有与第一分束镜对应设置的第一平面镜，第一平面镜与入射光路呈45度角设置，第一分束镜将一部分光出射至第一平面镜，经由第一平面镜反射至Mirau干涉物镜；所述第一平面镜也用于接收部件内外腔表面的反射光与参考光生成的干涉光，并将其反射至第一分束镜，所述第一分束镜和相机之间设有第二透镜，第二透镜用于将第一分束镜射出的光进行汇聚并传输至相机。

一种自动化测量系统，包括多自由度基础运动平台和无损测量光路结构，所述多自由度基础运动平台包括水平调节装置和竖直调节装置，所述无损测量光路结构安装在所述竖直调节装置上且所述竖直调节装置用于对所述无损测量光路结构进行竖直方向的位置调节；所述水平调节装置包括X向运动机构、Y向运动机构和壳体测量专用夹具，所述壳体测量专用夹具用于放置并固定被测部件，所述X向运动机构和Y向运动机构分别用于对所述壳体测量专用夹具进行水平方向的位置调节，所述壳体测量专用夹具设置在所述无损测量光路结构的下方，所述无损测量光路结构用于向被测部件内外腔表面上发射光束并接收部件内外腔表面反射的测量光束。

优选的，所述水平调节装置还包括设置在所述壳体测量专用夹具一侧的第一电动转台以及设置在所述壳体测量专用夹具下方的第二电动转台，第一电动转台所述用于调节所述被测部件绕X轴方向的回转运动；所述第二电动转台用于调节所述被测部件绕Z轴方向的回转运动。

优选的，所述水平调节装置还包括水平台面，所述竖直调节装置还包括与所述水平台面固定连接的竖向支柱，壳体测量专用夹具包括两个相对设置且滑动连接在所述水平台面上的夹具侧板，两个所述夹具侧板上安装有距离调节结构，用于调节两个所述夹具侧板之间的水平距离；两个所述夹具侧板上均设置有相匹配且具有一定弹性形变能力的球形托和紧固环，且所述紧固环设置在所述球形托远离所述水平台面的一侧；

优选的，两个所述夹具侧板上还对应设置有端面固定滑块，所述端面固定滑块与所述夹具侧板铰接连接，且所述端面固定滑块设置在所述球形托远离所述水平台面的一侧，所述端面固定滑块包括抵触部和卡合部，且所述抵触部的力矩小于所述卡合部的力矩，所述卡合部用于与所述被测部件的边缘卡合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的测量光路结构采用了紧凑型转折式白光干涉测量显微成像光路，继承了白光干涉测量技术精度高的优点，并且相比于现有的白光干涉系统与圆锥反射镜配合测量部件内外腔的方法，该测量结构通过优化可拆卸转折镜筒的尺寸，即可实现不同尺寸部件内外腔的粗糙度测量，提高了测量效率和测量通用性；同时不需要考虑圆锥反射镜对准误差的影响，提高了系统粗糙度测量精度。

为了适应测量光路结构实现对不同长径比的部件进行测量，本发明的自动测量系统提供了一种可以针对不同口径的内壁部件进行多个方向和不同回转方向的自由度调整的装置，装置包括多自由度基础运动平台，可以带动被测部件进行水平XY向运动以及绕X和绕Z的回转运动，可以实现对被测部件每一个点准确测量。

附图说明

图1是本发明一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构应用于通孔圆柱壳体内外腔表面粗糙度测量光路图；

图2是本发明一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构应用于半封闭椭球壳体内外腔表面粗糙度测量光路图；

图3是本发明一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构中半封闭椭球壳体内外腔表面粗糙度测量系统结构封装结构示意图；

图4是本发明中自动化测量系统的整体结构示意图；

图5是本发明的自动化测量系统中壳体测量专用夹具与被测部件安装的结构示意图；

图6是本发明的自动化测量系统中壳体测量专用夹具的结构示意图；

图7是本发明的自动化测量系统中端面固定滑块的原理示意图；

图8是本发明的自动化测量系统中半封闭球壳内表面端口粗糙度测量示意图；

图9是本发明的自动化测量系统中无损测量光路结构的结构示意图。

图中：1、白光光源；2、柯勒照明系统；3、相机；4、第一分束镜；5、压电陶瓷；6、第一平面镜；7、第一透镜；8、参考镜；9、第二分束镜；10、Mirau干涉物镜；11、圆柱腔体部件内腔；12、半封闭椭球壳部件内腔；13、第二平面镜；14、集成光路；15、潜望镜式转折光路；160、半封闭椭球壳腔体底部内表面；170、半封闭椭球壳腔体碗形内表面；180、半封闭椭球壳腔体圆柱内表面；16、X向运动机构；17、Y向运动机构；18、竖直调节装置；19、第一电动转台；21、第二电动转台；20、第三电动转台；22、竖向支柱；23、水平台面；25、壳体测量专用夹具；26、手轮；27、端面固定滑块；2701、抵触部；2702、卡合部；28、同步丝杠；29、紧固环；30、球形托；40、无损测量光路结构。

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的第一种实施例，一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，该光路结构可集成为转折测头应用于其他多轴系测量系统中。所述测量光路结构包括集成光路14和潜望镜式转折光路15，所述集成光路14包括白光光源1、第一分束镜4和相机3，第一分束镜4将一部分光出射至潜望镜式转折光路15内，所述潜望镜式转折光路15内设有若干平面反射镜，用于将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路15的末端，所述潜望镜式转折光路15的末端连接有Mirau干涉物镜10，所述Mirau干涉物镜10用于将光束出射到待测的部件内外腔上；所述相机3设置在所述分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜10中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机3拍摄获取；所述潜望镜式转折光路15包括水平镜筒和竖直镜筒，且水平镜筒和竖直镜筒的长度比值与待测部件的长径比相适应，通过优化可拆卸镜筒的水平与竖直长度，可实现对不同长宽比的部件内腔表面粗糙度测量。本发明在传统的白光干涉测量粗糙度的基础上，提出了紧凑型转折式白光干涉测量显微成像光路，继承了白光干涉测量技术精度高的优点，并且相比于现有的白光干涉系统与圆锥反射镜配合测量部件内外腔的方法，本发明通过优化可拆卸转折镜筒的尺寸，即可实现不同尺寸部件内外腔的粗糙度测量，提高了系统的测量效率和系统的通用性；同时不需要考虑圆锥反射镜对准误差的影响，提高了系统粗糙度测量精度。

本发明基于显微成像系统的无限远设计原理，以光路空间体积最小为最优化设计指标，结合白光LED光源发散角特点对白光干涉测量的照明光路进行设计以提供均匀稳定的照明，并根据Mirau光路原理要求，保证反射回来重合的两路光束才能够形成稳定的干涉图像，设计搭建一种紧凑型转折式白光干涉测量高精度无损测量光路结构进行内外腔表面粗糙度高精度测量。

具体实施时，首先要搭建高精度无损测量光路结构，白光光源1发出的光束通过分束镜和平面反射镜将光路方向转换，再通过Mirau干涉物镜10将光束入射到待测的部件内外腔上。搭建过程具体采用以下步骤：

步骤1：白光光源1发射出的光束采用柯勒照明系统2进行准直，以平行光方式射出；

步骤2：平行光束入射到第一分束镜4上，利用第一分束镜4的半反半透作用转换平行光光路的方向；

步骤3：潜望镜式转折光路15利用若干平面反射镜反射干涉测量的出射光线，使其产生转折，具体采用一个平面反射镜与出射光路夹角呈45°，可完成光路90°转折，配合工件回转运动能够实现圆柱内表面任意位置粗糙度测量。

步骤4：出射光路入射到Mirau干涉物镜10中，通过干涉物镜将光束出射到待测部件内外腔表面上，部件内外腔表面反射回的测量光与Mirau干涉物镜10中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机3拍摄获取。

然后将潜望镜式转折光路15与压电陶瓷5 连接，压电陶瓷5 连接不同倍率的Mirau干涉物镜10，采用压电陶瓷5 对Mirau干涉物镜10进行移相运动，实现对不同尺度的部件内外腔表面粗糙度测量。具体采用以下步骤：

步骤1： 将潜望镜式转折光路15中的镜组按照圆柱或者方柱形式进行封装成镜筒，则潜望镜式转折光路15可拆分为水平和竖直两个方向若干个镜筒，镜筒与镜筒之间通过螺纹顶丝的形式进行固定连接。其中潜望镜式转折光路15可通过优化可拆卸镜筒的水平与竖直长度，实现对不同长宽比的部件内外腔表面粗糙度测量。

步骤2：压电陶瓷5 转通过螺钉连接在可拆卸转折镜筒末端，Mirau干涉物镜10连接在压电陶瓷5 上的固定螺纹上，压电陶瓷5 搭载Mirau干涉物镜10进行移相运动。不同测量领域对部件内外腔表面质量的测量精度要求不同，根据精度要求选择不同型号的压电陶瓷5 。

步骤3：Mirau干涉物镜10的倍率和型号可以根据部件内外腔的尺寸大小及待测范围来选择与更换。

步骤4：对潜望镜式转折光路15、压电陶瓷5 和Mirau干涉物镜10构成的白光干涉测量系统进行部分光路优化与整体小型化集成设计，可以实现对具有更大长径比的部件内外腔表面粗糙度测量。

步骤5：配合多自由度轴系的相对运动可实现对部件内外腔表面任意不同位置粗糙度测量。

步骤6：最后根据图像处理算法和形貌重构算法对相机3采集获取的干涉图像进行处理解算，实现部件内外腔表面三维重构，然后基于国际标准ISO 25178和ISO 4287计算内外腔表面粗糙度。

具体的，所述Mirau干涉物镜10包括自潜望镜式转折光路15的末端朝向部件内外腔表面的方向依次设置的第一透镜7、参考镜8和第二分束镜9，所述第二分束镜9用于将一部分光束出射至部件内外腔表面上，将另一部分光束反射到参考镜8上，所述参考镜8用于与所述第二分束镜9相匹配，将部件内外腔表面的反射光与参考光发生干涉；所述压电陶瓷5 为中空结构且其两端均设有固定螺纹分别用于与潜望镜式转折光路15的末端和所述Mirau干涉物镜10固定连接；所述潜望镜式转折光路15与集成光路14可拆卸式连接，潜望镜式转折光路15外套设有若干个圆柱或方柱形式进行封装成镜筒，若干镜筒之间可拆卸式连接；所述潜望镜式转折光路15内设有与第一分束镜4对应设置的第一平面镜6 ，第一平面镜6 与入射光路呈45度角设置，第一分束镜4将一部分光出射至第一平面镜6 ，经由第一平面镜6 反射至Mirau干涉物镜10；所述第一平面镜6 也用于接收部件内外腔表面的反射光与参考光生成的干涉光，并将其反射至第一分束镜4，所述第一分束镜4和相机3之间设有第二透镜，第二透镜用于将第一分束镜4射出的光进行汇聚并传输至相机3，相机拍摄相应的干涉图像，进而通过图像处理和相应的算法测量得到通孔圆柱壳体内外腔表面的粗糙度。

优选的，所述Mirau干涉物镜10的长度大于压电陶瓷5 的宽度，以使部件内外腔表面任一点均无法触碰到压电陶瓷5 ，由此可以避免测量过程中测量系统压电陶瓷5 碰撞到部件内外腔表面。

图1所示，为无损测量光路结构应用于圆柱壳体内外腔表面粗糙度测量系统的光路图，白光光源1发射出光束经过柯勒照明系统2将光束准直后，光束平行入射到第一分束镜4。通过分束镜的半反半透作用将部分光束从竖直方向入射到角度呈45°固定的第一平面镜6上，根据反射原理，光束由第一平面镜6从竖直方向转折为水平方向，然后入射到第一透镜7中。通过第二分束镜9将一部分光束出射到待测的圆柱腔体部件内腔11上，即测量光；另一部分光束反射到参考镜8上，即参考光，部件内外腔表面的反射与参考光发生干涉后产生干涉图像被相机3拍摄，进而通过图像处理和相应的算法测量得到通孔圆柱壳体内外腔表面的粗糙度。

图2所示，为无损测量光路结构应用于半封闭椭球壳内外腔表面粗糙度测量系统的光路图，白光光源1发射出光束经过柯勒照明系统2将光束准直后，光束平行入射到第一分束镜4。通过分束镜的半反半透作用将部分光束从竖直方向入射到角度呈45°固定的第一平面镜6上，根据反射原理，光束由第一平面镜6从水平方向入射到第二个角度呈45°固定的第二平面镜13上；再根据反射原理，光束由第二平面镜13从竖直方向入射到第一透镜7中。通过第二分束镜9将一部分光束出射到待测的半封闭椭球壳部件内腔12上，即测量光；另一部分光束反射到参考镜8上，即参考光，部件内外腔反射与参考光发生干涉后产生干涉图像被相机3拍摄，同样通过图像处理和相应的算法即可得到半封闭椭球壳内外腔表面的粗糙度；在该实施例下，采用两个平面反射镜与出射光路夹角呈45°，构成潜望镜式转折光路15，可完成光路两次90°转折，配合工件倾斜运动能够实现椭球壳内表面任意位置粗粗糙度测量。采用多个平面反射镜与出射光路设置特定夹角，构成多转折出射光路，可实现复杂腔体内表面粗糙度测量。

优选的，所述潜望镜式转折光路15的末端通过压电陶瓷5 与Mirau干涉物镜10相连，所述压电陶瓷5 用于带动Mirau干涉物镜10进行移相运动。由于半封闭椭球壳腔体底部内表面160、半封闭椭球壳腔体碗形内表面170和半封闭椭球壳腔体圆柱内表面180之间存在细微的差异，设置带动Mirau干涉物镜10进行移相运动可以实现精确测量，压电陶瓷5 具有压电效应，其两端接通电压后会产生机械距离变化，由此可以实现针对图2中半封闭椭球壳腔体底部内表面160；半封闭椭球壳腔体碗形内表面170和半封闭椭球壳腔体圆柱内表面180的精确测量。

如图3所示，为无损测量光路结构的封装结构示意图，系统整体由集成光路14、可拆卸潜望镜式转折光路15、压电陶瓷5和Mirau干涉物镜10组成。其中集成光路14包括白光光源、柯勒照明系统、分束镜与相机；潜望镜式转折光路15由呈45°角度的两个反射镜组成。通过压电陶瓷5的精确运动实现部件内外腔表面的垂直扫描测量，通过更换Mirau干涉物镜10的放大倍率实现不同尺度的部件内外腔表面测量，并通过多自由度轴系运动对部件内外腔表面实现不同位置测量。

此外，为满足部件内外腔表面近抛物线纬度方向粗糙度测量，本发明中的集成光路为无限远光路基体，所用的转折光路镜筒为可拆卸式镜筒组成，可以针对待测部件内外腔范围进行优化设计，结合待测内外腔部件曲率半径R值，调整可拆卸镜筒的水平长度L与竖直长度H（H<2R，L<2R），实现对不同长宽比的部件内外腔表面粗糙度测量，以便能够更多的适配大部分尺寸部件的内外腔表面粗糙度。

如图4所示，为本发明提供的第二种实施例，一种大曲率壳体表面粗糙度全方位高精度无损自动化测量系统，测量系统包括多自由度基础运动平台和上述第一种实施例的无损测量光路结构，所述多自由度基础运动平台包括水平调节装置和竖直调节装置18，所述无损测量光路结构安装在所述竖直调节装置18上且所述竖直调节装置18用于对所述无损测量光路结构进行竖直方向的位置调节；所述水平调节装置包括X向运动机构16、Y向运动机构17和壳体测量专用夹具25，所述壳体测量专用夹具25用于放置并固定被测部件，所述X向运动机构16和Y向运动机构17分别用于对所述壳体测量专用夹具25进行水平方向的位置调节，所述壳体测量专用夹具25设置在所述无损测量光路结构的下方，所述无损测量光路结构用于向被测部件内外腔表面上发射光束并接收部件内外腔表面反射的测量光束。提供了一种可以针对不同口径的内壁部件进行多个方向和不同回转方向的自由度调整的装置，装置包括多自由度基础运动平台，可以带动被测部件进行水平XY向运动以及绕X和绕Z的回转运动，可以实现对被测部件每一个点准确测量，采用直线运动平台配合回转运动平台搭建多自由度粗糙度整机测量系统，实现对大曲率壳体部件的内表面、外表面和端面粗糙度的全方位测量。

所述水平调节装置还包括水平台面23，所述竖直调节装置18还包括与所述水平台面23固定连接的竖向支柱22，所述水平调节装置还包括设置在所述壳体测量专用夹具25一侧的第一电动转台19，用于调节所述被测部件绕X轴方向的回转运动。所述水平调节装置还包括设置在所述壳体测量专用夹具25下方的第二电动转台21，用于调节所述被测部件绕Z轴方向的回转运动。所述竖直调节装置18用于对所述无损测量光路结构进行竖直方向的位置调节，并且无损测量光路结构通过第三电动转台20与竖直调节装置18相连接，第三电动转台20用于带动无损测量光路沿Y轴进行回转运动。

如图5所示，工件良好装夹是保证测量过程中位姿调整的前提，为实现大曲率壳体全表面粗糙度测量，考虑到待测元件的结构尺寸及质量，设计了壳体测量专用夹具25，壳体测量专用夹具25包括两个相对设置且滑动连接在所述水平台面23上的夹具侧板，两个所述夹具侧板上安装有距离调节结构，用于调节两个所述夹具侧板之间的水平距离；两个夹具侧板通过手轮26旋转同轴丝杠传动，实现夹具侧板相互靠近或相互远离的相对运动。

如图6所示，两个所述夹具侧板上均设置有相匹配且具有一定弹性形变能力的球形托30和紧固环29，且所述紧固环29设置在所述球形托30远离所述水平台面23的一侧，球形托30带橡胶垫，橡胶垫起到保护球壳表面及增大表面摩擦力的作用，手动将待测大曲率壳体部件放入球形托30上，然后旋转手轮26依靠紧固环29完成被测部件的预紧夹持。

如图7所示，两个所述夹具侧板上还对应设置有端面固定滑块27，所述端面固定滑块27与所述夹具侧板铰接连接，且所述端面固定滑块27设置在所述球形托30远离所述水平台面23的一侧，所述端面固定滑块27包括抵触部2701和卡合部2702，且所述抵触部2701的力矩小于所述卡合部2702的力矩，所述卡合部2702用于与所述被测部件的边缘卡合。

实际测量大曲率壳体表面粗糙度时专用夹具操作流程可通过第一电动转台19旋转实现360°翻转，球壳口径朝下时存在因自重而滑落的风险，因此本发明在侧板紧固环29中巧妙设计端面固定滑块27。如图7中（a）所示，当未放入被测部件时，端面固定滑块27因为自重卡合部2702端面固定点自然朝上，随着被测部件的向下的放入，大曲率被测部件侧壁挤压端面固定滑块27底部的抵触部2701进行推动端面固定滑块27上部的卡合部2702端面平行于待测大曲率壳体端面，完全放入时如图7中（b）所示，被测部件正向放置时如图7中（c）所示，当测量大曲率壳体外壳表面粗糙度时，翻转过来的大曲率壳体依靠自身重力向下滑动，由卡合部2702端面固定滑块27上部的端面形成倒拉的保护形式，如图7中（d）所示，保证了大曲率壳体的稳定自动化测量。当测量完一条经线上的内外表面后，可通过壳体测量专用夹具25下方第二电动转台21旋转至下一待测位置进行不同经线内外壁粗糙度测量。

如图4、图8和图9所示，X向运动机构16、Y向运动机构17为平面双驱运动平台降低了系统的高度，可以提高系统稳定性，竖直调节装置18固定在大理石基座制成的竖向支柱22上，第一电动转台19和第二电动转台21组成摇篮式双回转运动平台，大曲率壳体测量专用夹具25通过螺钉固定在第二电动转台21的台面上。X向运动机构16、Y向运动机构17及第一电动转台19和第二电动转台21分别控制待测半封闭椭球壳腔体部件的水平XY向运动以及绕X和绕Z的回转运动，其中摇篮式双回转运动平台可实现待测大曲率壳体部件360°翻转调节。研制的紧凑型白光干涉潜望镜式无损测量光路结构通过机械转接机构固定连接在多自由度基础运动平台的第三电动转台20的台面上，由Z向运动平台搭载实现升降运动，第三电动转台20的转动则实现测头的倾斜偏转。综合调整测头与被测部件表面的测量相对位姿，使得被测部件局部区域表面法式方向平行于测头物镜方向，实现大曲率壳体部件的全方位局部曲率位置粗糙度测量。

本发明所提测量系统的工作原理：基于白光干涉测量原理，集成搭建转折式测量光路结构，白光光源1发射出的光束采用柯勒照明系统2进行准直，以平行光方式射出，平行光束入射到第一分束镜4上，利用第一分束镜4的半反半透作用转换平行光光路的方向，潜望镜式转折光路15利用若干平面反射镜反射干涉测量的出射光线，使其产生转折，具体采用一个平面反射镜与出射光路夹角呈45°，可完成光路90°转折，配合工件回转运动能够实现圆柱内表面任意位置粗糙度测量，出射光路入射到Mirau干涉物镜10中，通过干涉物镜将光束出射到待测部件内外腔表面上，部件内外腔表面反射回的测量光与Mirau干涉物镜10中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机3拍摄获取，进而通过图像处理和相应的算法测量得到内外腔表面的粗糙度。配合多自由度轴系相对运动，实现大曲率壳体表面粗糙度全方位高精度无损自动化测量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述无损测量光路结构包括集成光路(14)和潜望镜式转折光路(15)，所述集成光路(14)包括白光光源(1)、第一分束镜(4)和相机(3)，第一分束镜(4)将一部分光出射至潜望镜式转折光路(15)内，所述潜望镜式转折光路(15)内设有若干平面反射镜，用于将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路(15)的末端，所述潜望镜式转折光路(15)包括水平镜筒和竖直镜筒，且水平镜筒和竖直镜筒的长度比值与待测部件的长径比相适应，所述潜望镜式转折光路(15)的末端连接有Mirau干涉物镜(10)，所述Mirau干涉物镜(10)用于将光束出射到待测的部件内外腔上；

所述相机(3)设置在所述分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜(10)中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机(3)拍摄获取；

所述无损测量光路结构用于对半封闭椭球壳腔体底部内表面或者半封闭椭球壳腔体碗形内表面进行测量；

结合半封闭椭球壳腔体底部内表面或者半封闭椭球壳腔体碗形内表面的曲率半径R值，调整潜望镜式转折光路（15）的水平长度L与竖直长度H，实现对不同长宽比的部件内外腔表面粗糙度测量，其中，潜望镜式转折光路（15）的水平长度L小于待测内外腔部件曲率直径2R，竖直长度H小于待测内外腔部件曲率直径2R。

2.根据权利要求1所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述集成光路(14)包括设置在所述白光光源(1)出射端的准直结构，用于对白光光源(1)的出射光线进行准直。

3.根据权利要求2所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述Mirau干涉物镜(10)包括自潜望镜式转折光路(15)的末端朝向部件内外腔表面的方向依次设置的第一透镜(7)、参考镜(8)和第二分束镜(9)，所述第二分束镜(9)用于将一部分光束出射至部件内外腔表面上，将另一部分光束反射到参考镜(8)上，所述参考镜(8)用于与所述第二分束镜(9)相匹配，将部件内外腔表面的反射光与参考光发生干涉。

4.根据权利要求3所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述潜望镜式转折光路(15)的末端通过压电陶瓷(5)与Mirau干涉物镜(10)相连，所述压电陶瓷(5)用于带动Mirau干涉物镜(10)进行移相运动；所述压电陶瓷(5)为中空结构且其两端均设有固定螺纹分别用于与潜望镜式转折光路(15)的末端和所述Mirau干涉物镜(10)固定连接；所述Mirau干涉物镜(10)的长度大于压电陶瓷(5)的宽度，以使部件内外腔表面任一点均无法触碰到压电陶瓷(5)。

5.根据权利要求4所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述潜望镜式转折光路(15)与集成光路(14)可拆卸式连接，潜望镜式转折光路(15)外套设有若干个圆柱或方柱形式进行封装成镜筒，若干镜筒之间可拆卸式连接。

6.根据权利要求5所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述潜望镜式转折光路(15)内设有与第一分束镜(4)对应设置的第一平面镜(6)，第一平面镜(6)与入射光路呈45度角设置，第一分束镜(4)将一部分光出射至第一平面镜(6)，经由第一平面镜(6)反射至Mirau干涉物镜(10)；所述第一平面镜(6)用于接收部件内外腔表面的反射光与参考光生成的干涉光，并将其反射至第一分束镜(4)，所述第一分束镜(4)和相机(3)之间设有第二透镜，第二透镜用于将第一分束镜(4)射出的光进行汇聚并传输至相机(3)。

7.一种基于权利要求1-6中任一项权利要求所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括多自由度基础运动平台和无损测量光路结构，所述多自由度基础运动平台包括水平调节装置和竖直调节装置(18)，所述无损测量光路结构安装在所述竖直调节装置(18)上且所述竖直调节装置(18)用于对所述无损测量光路结构进行竖直方向的位置调节；所述水平调节装置包括X向运动机构(16)、Y向运动机构(17)和壳体测量专用夹具(25)，所述壳体测量专用夹具(25)用于放置并固定被测部件，所述X向运动机构(16)和Y向运动机构(17)分别用于对所述壳体测量专用夹具(25)进行水平方向的位置调节，所述壳体测量专用夹具(25)设置在所述无损测量光路结构的下方，所述无损测量光路结构用于向被测部件内外腔表面上发射光束并接收部件内外腔表面反射的测量光束。

8.根据权利要求7所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述水平调节装置还包括设置在所述壳体测量专用夹具(25)一侧的第一电动转台(19)以及设置在所述壳体测量专用夹具(25)下方的第二电动转台(21)，所述第一电动转台(19)用于调节所述被测部件绕X轴方向的回转运动；所述第二电动转台(21)用于调节所述被测部件绕Z轴方向的回转运动。

9.根据权利要求8所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，所述水平调节装置还包括水平台面(23)，所述竖直调节装置(18)还包括与所述水平台面(23)固定连接的竖向支柱(22)，壳体测量专用夹具(25)包括两个相对设置且滑动连接在所述水平台面(23)上的夹具侧板，两个所述夹具侧板上安装有距离调节结构，用于调节两个所述夹具侧板之间的水平距离；两个所述夹具侧板上均设置有相匹配且具有一定弹性形变能力的球形托(30)和紧固环(29)，且所述紧固环(29)设置在所述球形托(30)远离所述水平台面(23)的一侧。

10.根据权利要求9所述的内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，其特征在于，两个所述夹具侧板上还对应设置有端面固定滑块(27)，所述端面固定滑块(27)与所述夹具侧板铰接连接，且所述端面固定滑块(27)设置在所述球形托(30)远离所述水平台面(23)的一侧，所述端面固定滑块(27)包括抵触部(2701)和卡合部(2702)，且所述抵触部(2701)的力矩小于所述卡合部(2702)的力矩，所述卡合部(2702)用于与所述被测部件的边缘卡合。

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