CN115096219A - 用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置及半定量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械结构设计技术领域，涉及一种用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置及半定量测试方法。透明陶瓷板的拼接平面度的半定量测试方法有：采用线束激光辅助将测试装置置于具有拼缝的陶瓷板的合适测量位置，对透明陶瓷板的拼缝区域以特定形状光斑进行光学投影，通过具有标尺的目镜或摄像装置对光斑的反射光进行采集并记录，然后采用不同平面度的参比样品进行对比，半定量地解析被试样品的平面度。

Description

用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置及半定量测试方法

技术领域

本发明属于工业机械技术领域，涉及一种用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置及半定量测试方法。

背景技术

透明陶瓷目前广泛被用于透明防弹装甲的制造中。但囿于当前技术水平的限制，单块透明陶瓷板材的尺寸远无法满足透明陶瓷装甲的使用尺寸要求，且在短时间内难以进一步增加尺寸，在此约束条件下，透明陶瓷拼接工艺成为必然选择。与不透明装甲相比，透明陶瓷的拼接不仅要满足力学性能的要求，还必须满足基本的光学性能要求，以直升机风挡为例，由于风挡是飞行员主视区的制件，拼接处的光学性能可能成为限制其应用的决定性因素，如透明陶瓷拼接平面度差，会造成风挡光学畸变，从而影响驾驶员的视觉判断与战场感知能力。

传统平面度测试采用人工塞尺的方法，检测存在误差，且只能获得平面最大变形量，无法定位影响平面度的问题区域。而采用更为精密的平面度测试设备，如激光平面度测量仪等，则存在携带不便，测量范围受限等问题，难以实现在加工现场快速测量的目的。现有技术中：

专利CN 110608658A报道了一种平面度检测支架以及检测方法。该发明主要解决常规平面度测量装置调平工艺复杂，对测量环境和人员要求较高的问题。该专利报道的便携式平面度检测设备采用机械传动接触测量方法，测量数据反馈到百分表(千分表)等装置。与本发明具有原理上的差异。

专利CN 109839081A报道了一种平面度检测方法及平面度检测治具。该治具测量时通过将被检测产品置于光线发射模块和光线接收模块之间。通过光信号的通断，判断被测产品对于平面度偏差的是否超过预设值(0.2mm)。该方法虽然采用光学信号，但是光学信号仅作为逻辑判断使用，本身反映的平面度信息有限。

专利CN 209131607U报道了一种全自动平面度检测装置。本专利主要解决产品全自动平面度检测的问题。发明主要涉及装置取料，样品的旋转夹紧，以及激光检测组件和平面度夹具组件的设计。因此该专利与本发明所设计的简便操作的思想正相反，该专利对样品尺寸、形状和操作环境等有具体要求。该专利所采用的激光测量平面度方法依然是激光逐点检测的方式，与商业化激光平面度测量仪原理相同，与本发明采用的原理完全不同。

专利200710082981.9报道了一种测量设备在二维轨道进行平面扫描运动，通过激光和CCD相机同时测量和拍摄生成平面形貌的测试方法。该发明中对平面度的测量仍是读取激光测距仪提供的高程信息，从而反推表面形貌建模，该方法精细但测量时间长，测量设备复杂，且与本发明采用的原理不同。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种快速、简便、半定量地用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置及半定量测试方法。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一方面，提供一种用于透明陶瓷板拼接平面度的检测装置，该装置包括支架及设备平台组件、测量组件、以及参比样品组件；

所述支架及设备平台组件包括：

三脚支架，由落点为等腰三角形的刚性不可调节的支撑脚及与设备平台的连接件组成；支撑脚直接与测试样品或参比样品接触，上端连接件与设备平台连接；

设备平台，为刚性矩形且中部为中空结构，矩形边框用于安装固定测量组件，中空结构用于测量组件的光信号传播；

三脚支架与设备平台相对位置固定不可调；

所述测量组件用于半定量地测量透明陶瓷拼接板在拼接后的平面度和光学一致性，可用于直观体现拼缝处的凹凸、扭转和台阶等缺陷情况；

所述参比样品组件包括一个完美无缺陷平面参比样品和数个预设缺陷的参比样品，用以在测量过程中针对测试样品的光斑形状信息进行比对。

上述参比样品包括一个完美平面标准样和若干预制缺陷的标准样，各类缺陷可以相互叠加，预制缺陷标准样的精细程度越高，数量越多。若采用摄像系统采集，则可建立参比样品光斑数据库，计算机直接对比实测光斑和数据库的光斑数据，给出具体缺陷类型和畸变程度。上述测试样品即实际需要测试的拼接透明陶瓷板材。

所述测量组件包括：线束激光辅助定位系统、平面光发生装置、观测装置；

线束激光辅助定位系统：用于产生线束激光，垂直向下照射测量平面，通过对齐拼缝以完成平面度检测装置的整体定位；

平面光发生装置用于产生平行稳定的光束；所述平面光发生装置产生的光线斜向照向测试样品或参比样品，在测试平面产生光斑，光斑位于设备平台在测试平面投影的几何中心位置；

观测装置用于采集经由测试样品或参比样品反射的光线，观测装置上有对比刻度标准，辅助判定测试样品相对于标准平面的畸变情况；观察投射在测试样品或参比样品上的光斑与刻度线的相对位置和形状等相关信息。

所述测量组件安装位置如下：

所述线束激光辅助定位系统为一组两个带有线形狭缝的激光器，分别安装在设备平台的两条边框中点之下；

所述平面光发生装置安装于设备平台一侧的边框中点之上，且该侧下方是等腰三角形支架的底边所在侧；

所述观测装置安装于平面光发生装置对侧的设备平台边框中点之上。

所述观测装置为目镜或摄像装置，在镜头上设置或以附件的形式做成多同心圆标尺，作为对比刻度标准。若采用摄像装置作为观察设备，可采用镜头外附加带刻度的配件的形式；若采用肉眼直接观测，则可使用刻蚀有刻度的目镜。

所述平面光发生装置与所述观测装置对于测量平面的夹角相同，以保证测量完美平面时，目镜或摄像装置观察的反射光位于标尺中心。

三脚支架的支撑脚为点支撑结构。而非面支撑结构，以排除支撑脚形状对平面度测量的影响。

另一方面，提供一种用于透明陶瓷板拼接平面度的半定量测试方法，所述半定量测试方法包括一下步骤：

步骤1，将平面度测试装置置于待测平板之上，打开线束激光辅助定位系统，将激光器投射出的线形激光与拼缝重合，从而完成装置的定位；

步骤2，打开平面光源，产生的光线通过灯筒形成平行光照射到拼缝上，并在拼接板上形成光斑；

步骤3，通过观测装置采集反射光，记录反射光在标尺上的位置及形状信息；

步骤4，判别测试光斑所反映的平面度缺陷问题：在参比样品中寻找相似缺陷类型的数个样品进行测量，依次按照步骤1～3所提及的方法获得光斑信息，与测试样品光斑进行比对，并选出最接近的参比样品，记录此参比样品的缺陷类型及与标准平面的偏离程度。

所述方法在步骤一之前还包括检测设备状态的步骤：

使用完美平面度的参比样品校准装置，反射光光斑在观测装置(摄像装置或观察目镜)同心圆标尺上的位置及形状应符合默认状态，则证明设备状态良好。

本发明的有益效果是：

1、本发明的装置简单，无需借助辅助工具即可完成测量。采用光信息反映被试品的形状信息，测量精度高。拼缝不同缺陷状态所呈现的光信息不同，因此可以通过测量获得缺陷类型和半定量的缺陷偏离程度。

2、相比于人工塞尺法，所获得的信息更丰富，测量结果更为直观。

3、相比于商业激光平面度测量仪，本发明设备简单，检测便捷，且不受场地和配套条件限制。

4、本装置及测试方法的设计虽然是针对透明陶瓷拼接测量，对于其他镜面材料的平面度检查同样具备适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置整体示意图；

图2为本发明采用完美平面标准样时的原理示意图；

图3为典型缺陷光斑特征。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

图1为本发明的平面度检测装置的结构示意图。该装置包括支架及设备平台组件、测量组件、以及参比样品组件。

支架及设备平台组件由一套三脚支架以及设备平台组成。

三脚支架由落点为等腰三角形的刚性不可调节的支撑脚及与设备平台的连接件组成。支撑脚直接与测试样品接触。该支撑脚为点支撑结构，而非面支撑结构，以排除支撑脚形状对平面度测量的影响。

设备平台为刚性矩形中空结构。矩形边框用于安装固定测量组件。中空结构用于测量组件的光信号传播，使得平面光发生装置发出的和测试样品或参比样品反射的光线均可通过。三脚支架与设备平台相对位置固定不可调整。

测量组件由线束激光辅助定位系统、平面光发生装置、摄像装置组成。

线束激光位于设备平台中点，一组两个，分列在设备平台的两条边框之下。装置产生线束激光，垂直向下照射测量平面，测量中使该激光线束与拼缝重合，以完成本装置的整体定位。

线束激光辅助定位系统产生的线束激光在设备平台下合龙，可在摄像装备的观察影像中形成一高亮辅助线(附图3光斑示意图中的水平方向的粗直线)，提高对光斑形状的判别能力。同时该激光的亮度可调。

平面光发生装置由一个面光源和用以产生平行光束的灯筒组成，面光源产生均一稳定的光线，灯筒内壁由吸光材料组成，使面光源产生的光通过灯筒后，消除斜向照射的光线，仅保留近似平行光线，以保证光学信号的准确性。该平面光发生装置安装于设备平台一侧的中间位置，该侧下方是等腰三角形支架的底边方向。该平面光发生装置产生的光线斜向照向测试样品，在测试平面产生的光斑，光斑位于设备平台在测试平面投影的几何中心位置。

摄像装置用于采集经由测试样品反射的光线，本实施例选用摄像镜头自带固有标尺的方案，辅助判定测试样品相对于标准平面的畸变情况。

平面光发生装置与观测装置对于测量平面的夹角相同，如图2所示，在测试平面为完美平面的拼接板时，线束激光投影在拼缝上，因为光源和摄像装置相对于测试平面角度相同，则光源中心的光线正好被摄像装置中心接收；同时因为光斑位于设备平台在测试平面投影的几何中心位置，则线束激光横向穿过光斑的中心。

参比样品组件由一个完美平面参比样品和数个预设缺陷的参比样品组成，用以在测量过程中针对测试样品的光斑形状信息进行比对。

(1)装置的使用方法：将平面度测试装置置于待测平板之上，首先打开线束激光辅助定位系统，将激光器投射出的线形激光与拼缝重合，从而完成装置的定位，此时平面光发生装置和观测设备分别位于两块拼接板材之上。打开平面光源，产生的光线通过灯筒形成平行光照射到拼缝上，并在拼接板上形成圆形/椭圆形光斑(可通过光源形状设计，在拼接板上形成圆形光斑，为方便解释原理，在图3中采用圆形光斑呈现)。通过带有标尺的目镜或摄像装置采集反射光，记录反射光在标尺上的位置及形状信息。

(2)半定量测量测试方法：首先采用完美平面度的参比样品校准装置，装置依据(1)中的使用方法针对完美平面度参比样品进行观察，反射光在观察装置标尺上的位置及形状应符合默认状态，则证明设备状态良好。将装置转移至测试样品之上，并按(1)所提及的使用方法再次测量，并精准记录反射光在标尺上的位置及形状信息。判别测试光斑所反映的平面度缺陷问题。在参比样品中寻找相似缺陷类型的数个样品进行测量，依次按照(1)所提及的使用方法获得光斑信息，与测试样品光斑进行比对，并选出最接近的参比样品，记录此时参比样品的缺陷类型及与标准平面的偏离程度。

具体地，检测测试样品的平面度的方法包括：

步骤1，使用完美平面度的参比样品校准装置，反射光在观察装置标尺上的位置及形状应符合默认状态，则证明设备状态良好；

步骤2，将平面度测试装置置于待测平板之上，打开线束激光辅助定位系统，将激光器投射出的线形激光与拼缝重合，从而完成装置的定位；

步骤3，打开平面光源，产生的光线通过灯筒形成平行光照射到拼缝上，并在拼接板上形成光斑；

步骤4，通过摄像装置采集反射光，记录反射光在标尺上的位置及形状信息；

步骤5，判别测试光斑所反映的平面度缺陷问题。在参比样品中寻找相似缺陷类型的数个样品进行测量，依次按照步骤2～4所提及的方法获得光斑信息，与测试样品光斑进行比对，并选出最接近的参比样品，记录此参比样品的缺陷类型及与标准平面的偏离程度。

以下通过图3列举几种典型缺陷类型的光斑特征：

(1)如图3a，当拼接板为无缺陷的完美平面时，获得圆形光斑，光斑落在标尺中的中心位置，且定位激光投影的光线，贯穿光斑的圆心。此种状态同样也是参比样品完美平面标准样的状态，同时也可用以校正设备状态是否正常。

(2)如图3b，当两块拼接板远离拼缝的两边上翘时(可见于拼缝处胶层上薄下厚等情况)，则会在拼缝处形成一个下凹的缺陷。则从观察设备一侧观察光斑，光斑相比于完美平面，左右方向不变，上下方向(光源和摄像装置连线在测试平面的投影)压缩，形成一个椭圆，定位激光正好为椭圆的长直径方向；

(3)如图3c，当两块拼接板远离拼缝的两边下垂时(可见于拼缝处胶层上厚下薄等情况)，则会在拼缝处形成一个上凸的缺陷。该情况是图3c的共生情况，取决于在哪一面观察。自观察设备一侧查看，相比于完美平面，光斑左右方向不变，上下方向拉伸，形成一个椭圆，定位激光左右横穿椭圆的短直径方向；

(4)如图3d，当两块拼接板发生相对扭转，光斑情况形式较为多变。当该发明的装置靠近扭转轴时，光斑畸变较小，此时光斑自拼缝处发生撕裂，并发生左右的错动，即图示情况。当远离扭转轴时，畸变情况增加，甚至一定程度上形成如图3e的台阶缺陷。通过该特点，可以通过左右移动该装置，寻找最小畸变点，从而定位缺陷轴。

(5)如图3e，当两块拼接板发生错位，产生台阶。此种情况下虽然定位激光可以对准拼缝，但是台阶会造成本发明装置单边下沉，因此激光不再穿过标尺的圆心位置，而是发生上下的偏移。同时以激光为界的两侧光斑也不再像上几种情况是半圆或半个椭圆，而是椭圆的部分弧形区域。

以上是几种典型的影响拼接板平面度的缺陷类型，实际情况可能是多种缺陷类型的叠加，而复合缺陷的光斑则是对应特征的叠加。因此可以通过设置一系列预设缺陷的参比样品来半定量地获得测试样品的近似缺陷情况。

Claims (8)

1.一种用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，该装置包括支架及设备平台组件、测量组件、以及参比样品组件；

所述支架及设备平台组件包括：

三脚支架，由落点为等腰三角形的刚性不可调节的支撑脚及与设备平台的连接件组成；支撑脚直接与测试样品或参比样品接触，上端连接件与设备平台连接；

设备平台，为刚性矩形且中部为中空结构，矩形边框用于安装固定测量组件，中空结构用于测量组件的光信号传播；

三脚支架与设备平台相对位置固定不可调；

所述测量组件用于半定量地测量透明陶瓷拼接板在拼接后的平面度和光学一致性，可用于直观体现拼缝处的缺陷情况；

所述参比样品组件包括一个完美无缺陷平面参比样品和数个预设缺陷的参比样品，用以在测量过程中针对测试样品的光斑形状信息进行比对。

2.根据权利要求1所述的用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，所述测量组件包括：线束激光辅助定位系统、平面光发生装置、观测装置；

线束激光辅助定位系统：用于产生线束激光，垂直向下照射测量平面，通过对齐拼缝以完成平面度检测装置的整体定位；

平面光发生装置用于产生平行稳定的光束；所述平面光发生装置产生的光线斜向照向测试样品或参比样品，在测试平面产生光斑，光斑位于设备平台在测试平面投影的几何中心位置；

观测装置用于采集经由测试样品或参比样品反射的光线，观测装置上有对比刻度标准，辅助判定测试样品相对于标准平面的畸变情况；观察投射在测试样品或参比样品上的光斑与刻度线的相对位置和形状等相关信息。

3.根据权利要求1所述的用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，所述测量组件安装位置如下：

所述线束激光辅助定位系统为一组两个带有线形狭缝的激光器，分别安装在设备平台的两条边框中点之下；

所述平面光发生装置安装于设备平台一侧的边框中点之上，且该侧下方是等腰三角形支架的底边所在侧；

所述观测装置安装于平面光发生装置对侧的设备平台边框中点之上。

4.根据权利要求1所述的用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，所述观测装置为目镜或摄像装置，在镜头上设置或以附件的形式做成多同心圆标尺，作为对比刻度标准，若采用摄像装置作为观察设备，采用镜头外附加带刻度的配件的形式；若采用肉眼直接观测，则使用刻蚀有刻度的目镜。

5.根据权利要求1所述的用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，所述平面光发生装置与所述观测装置对于测量平面的夹角相同，以保证测量完美平面时，目镜或摄像装置观察的反射光位于标尺中心。

6.根据权利要求1所述的用于透明陶瓷板拼接平面度检测装置，其特征在于，三脚支架的支撑脚为点支撑结构。

7.一种用于透明陶瓷板拼接平面度的半定量测试方法，采用如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述半定量测试方法包括一下步骤：

步骤1，将平面度测试装置置于待测平板之上，打开线束激光辅助定位系统，将激光器投射出的线形激光与拼缝重合，从而完成装置的定位；

步骤2，打开平面光源，产生的光线通过灯筒形成平行光照射到拼缝上，并在拼接板上形成光斑；

步骤3，通过观测装置采集反射光，记录反射光在标尺上的位置及形状信息；

步骤4，判别测试光斑所反映的平面度缺陷问题：在参比样品中寻找相似缺陷类型的数个样品进行测量，依次按照步骤1～3所提及的方法获得光斑信息，与测试样品光斑进行比对，并选出最接近的参比样品，记录此参比样品的缺陷类型及与标准平面的偏离程度。

8.根据权利要求7所述的用于透明陶瓷板拼接平面度的半定量测试方法，所述方法在步骤一之前还包括检测设备状态的步骤：

使用完美平面度的参比样品校准装置，反射光光斑在观测装置同心圆标尺上的位置及形状应符合默认状态。

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