CN115682952B - 一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法。本发明包括双模测头、宽光谱光源、光纤光路、光谱检测模块和信号处理模块。双模测头通过将光谱共焦的光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、另一路用于精确测定接触式探针的接触状态，实现非接触式和接触式两种测量模式。接触式探针的固定侧具有平端面，探针的接触力将改变平端面的姿态和位置，利用光谱共焦的测距原理，光谱检测模块测量并计算得到接触式探针的受力位置、受力大小和受力方向。当上述受力数据大于设定阈值时，信号处理模块将对外输出触发信号，用于控制数据采集装置采样。本发明可实现平面角度、形位误差、表面粗糙度等几何量的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及精密检测技术，具体涉及一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法。
背景技术
光谱共焦位移测量技术是一种基于光谱共焦原理的高精度非接触式位移测量技术，最早由STIL公司在1995年提出，其基本原理是：白光源(通常采用LED复色光源)通过光纤—光纤耦合器—光纤的形式传到色散透镜中，相当于形成一个共焦小孔，复色光经过色散透镜准直后再聚焦，在主光轴上发生轴向色散并形成一系列连续的聚焦点，即不同波长的单色光聚焦于主光轴上不同位置。被测物体离镜头存在一定距离时，仅有特定波长的光聚焦在被测物体上，处于共焦状态，反射回镜头的能量分布集中，接收到的光通量大；其余波长的光不聚焦在被测物体上，处于离焦状态，反射回镜头的光分布范围远大于光纤纤芯直径，接收到的光通量小。因此得到的反射光为具有单一峰值的连续光谱，将此光谱送至光谱仪进行解码，得到光强最大处对应的波长，即可得出被测物体的位移信息。在理想情况下，光的波长与其聚焦位置成线性关系。
目前，光谱共焦位移测量传感器已经有成熟的商业化产品，主要国外厂家有STIL、Precitec、Micro-Epsilon、Keyence等，主要国内厂家有ThinkFocus、立仪、海伯森、创视智能等。根据不同测量要求开发出种类繁多的传感器，其中最高分辨率可达纳米级别，最高测量速度可达70kHz，并有最小外径4mm的轴向、径向探头以满足小孔、狭缝内的测量要求。
具体测量应用时，上述技术和产品需要待测物体表面光洁且具备良好的粗糙度等级，且要求色散透镜的主光轴尽量垂直于待测物体的表面。单一模式的光谱共焦位移传感器受限于色散镜头的口径和测量范围，在测量复杂结构件时，往往存在测量盲区。这些情况限制了光谱共焦位移测量技术的应用。
发明内容
光谱共焦位移测量技术是一种成熟的高精度非接触式位移测量技术，但其需要待测物体具备良好的表面粗糙度，且要求色散透镜的主光轴尽量垂直于待测物体的表面。上述情况使其应用场景大大受限，尤其无法满足复杂构件的测量。本发明的目的是提出一种基于光谱共焦原理且具有两种工作模式的几何量精密测量技术，基于光谱共焦位移测量的基本原理，发明一种双模测头，通过将光谱共焦的光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定接触式探针的接触状态，实现非接触式和接触式两种测量模式。接触式测量模式不需要待测物体表面具有良好粗糙度等级，也接触式探针的轴线也无需垂直于待测物体表面。借助不同长度的探针，可以延长测量装置的工作距离。因此，两种工作模式相互配合，可以有效减小复杂结构件测量时的盲区。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，包括双模测头、宽光谱光源、针孔构件、光纤光路、光谱检测模块以及信号处理模块。
所述双模测头由色散镜组、分光模块、接触式探针、探针基座、壳体组成；所述分光模块将光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定所述接触式探针与工件之间的接触状态；所述宽光谱光源产生白光，经所述光纤光路耦合进入所述色散镜组，并在经所述分光模块在两个方向色散；所述针孔构件包括多个针孔，所述针孔使得照射并聚焦在测量对象上特定波长的光在经过反射后能够返回所述针孔，从而构成光谱共焦；所述光谱检测模块用于将检测反射光的光谱分布信息；所述信号处理模块用于将两路反射光的光谱分布信息解耦并获得非接触距离测量的距离数据和接触式探针的接触状态；所述分光模块的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针的接触位点形成一个边长可知的三角形。
进一步的，所述分光模块有独立的壳体，与所述壳体之间采用可拆卸的固定连接方式，优选的连接方式是螺纹连接；所述分光模块的分光面与所述色散镜组的光轴之间呈一定角度，该角度优选为135°。
进一步的，所述接触式探针包括测杆、球头；所述测杆和所述球头采用刚性强的材料，优选的测杆材料包括陶瓷、碳化钨等、优选的球头材料包括红宝石、氮化硅、氧化锆、碳化钨等；所述测杆的构型包括直肩形测杆和锥形测杆，优选的构型为锥形测杆；所述球头位于所述测杆的测量端部，所述测杆的固定端部与所述探针基座相连；所述探针基座与所述接触式探针之间采用可拆卸的固定方式；所述探针基座具有一个平端面，粗糙度Ra优于0.5微米，平面度优于0.5个波长；所述平端面的位置在光谱共焦的工作距离处，误差小于光谱共焦测距量程的十分之一；所述探针基座与所述分光模块的壳体连接在一起，当所述接触式探针接触到测量对象时，可使二者之间可产生微小移动。
进一步的，所述的光纤光路包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和光纤耦合器；所述光纤耦合器具有入光口、出光口、耦合口等三个端口；所述第一光纤的一端接到所述宽光谱光源，另一端接入所述光纤耦合器的入光口；所述第二光纤的一端连接到所述光纤耦合器的耦合口，另一端接入所述双模测头；所述第三光纤的一端接入所述光纤耦合器的出光口，另一端接到所述光谱检测模块；所述宽光谱光源产生的复合光先后经所述第一光纤、所述光纤耦合器、所述第二光纤进入所述双模测头，并经由所述色散镜组照射在所述分光模块上；所述第一光纤、所述第二光纤、所述第三光纤和所述光纤耦合器组成一个光纤光路单元，所述第二光纤的端部是所述针孔。
进一步的，所述的光纤光路包括多个所述光纤光路单元，其中的多个所述第二光纤组成所述针孔构件；所述针孔构件具有与所述第二光纤数量一致的所述针孔；多个所述针孔分布在所述色散镜组的像方焦平面的不同位置；耦合进入所述第二光纤的光经所述针孔射出，并经过所述色散镜组后发生轴向色散，不同波长的光聚焦在不同的轴向位置；不同的所述针孔射出并经过所述色散镜组的光聚焦在不同的物方焦平面位置；具有三个及以上的所述针孔，且任意三个所述针孔在空间分布上不共线。
进一步的，不同的所述针孔射出的光经过所述色散镜组和所述分光模块后，特定波长的光聚焦到所述探针基座的所述平端面的不同位置；所述特定波长的光经所述平端面反射后，依次通过所述分光模块、所述色散镜组、所述针孔、所述第二光纤、所述光纤耦合器、所述第三光纤，最终进入所述光谱检测模块；所述光谱检测模块获取所收集的所述平端面反射光的光谱分布信息，并得到对应聚焦位置的距离值。
进一步的，以所述双模测头的机械结构为参照建立测量空间坐标系；以所述色散镜组的光轴方向作为所述测量空间坐标系的z方向；以特定波长的单色激光的物方焦平面作为所述测量空间坐标系z方向上的零平面，特定波长优选为500nm；所述分光模块的分光面与所述零平面的交线作为所述测量空间坐标系的y方向，在所述零平面与y方向垂直的方向作为所述测量空间坐标系的x方向；所述色散镜组的光轴与所述零平面的交点为所述测量空间坐标系的几何零点，远离所述色散镜组的方向为z轴的正向；
进一步的，将所述针孔在所述平端面对应的聚焦点记为P1，P2，…，Pn，Pi(i＝1，2，…，n)点对应的坐标记为(xi，yi，zi)，所述平端面的空间方程记为x cosα+y cosβ+z cosγ＝p，则有
其中，α、β、γ分别是所述平端面的法线方向与所述测量空间坐标系x、y、z方向的夹角，p为所述测量空间坐标系的坐标原点到所述平端面的距离；
所述平端面的中心点与所述球头的球心之间的距离为L，则所述球头的球心坐标为(L cosα-m cosα，L cosβ-m cosβ，L cosγ-m cosγ+M-Δp)，其中，m＝N+Δp，M表示所述接触式探针轴线上的特定点与所述测量空间坐标系原点之间的距离，所述特定点的空间坐标为(0，0，M)，N表示所述接触式探针未接触任何测量对象时所述平端面的中心点与所述特定点之间的距离，Δp表示接触力导致所述平端面的中心点沿所述接触式探针轴线方向上的偏移修正量，Δp可由依据所述平端面的空间方程迭代计算，其初始值为Δp＝M cosγ-N-p；依据所述探针基座与所述分光模块的壳体之间的连接方式，利用所述Δp、α、β、γ等信息，计算所述接触式探针的受力平衡。再利用所述接触式探针的受力平衡，推导所述球头的接触位置与接触力方向，迭代计算获取准确Δp值，通过Δp值和所述球头的半径实现球头补偿；以所述接触式探针轴线上的特定点坐标和所述球头的球心坐标构建空间直线，利用所得空间直线的向量描述所述测杆的姿态，从而实现对α、β、γ等角度描述的所述测杆姿态进行校准。
有赖于上述一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可通过所述接触式探针进行临界接触状态位置检测，其检测包括如下步骤：
步骤1、沿特定方向Li(i＝x，y，z)向待测目标进行保护移动，当满足条件|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的Li(i＝x，y，z)对应的坐标位置lu-i；
步骤2、沿特定方向Li(i＝x，y，z)的反向低速移动，实时记录与Li(i＝x，y，z)坐标位置对应的Δp、|α-90|+|β-90|+|γ|，形成两条对应的曲线Sl-Δp、Sl-αβγ；
步骤3、对所述Sl-Δp曲线和Sl-αβγ曲线进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到与所述球头与待测目标的临界接触状态对应的Li(i＝x，y，z)轴坐标位置lc-i。
进一步的，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可同时测量两个方向上的距离，具体包括如下步骤：
步骤1、按照所述测量空间坐标系，将两个待测面分别定义为Pnx和Pnz，调整所述双模测头的姿态，使所述测量空间坐标系的x方向与待测面Pnx的法线之间的角度小于所述非接触式距离测量的最大允许角度；
步骤2、沿所述测量空间坐标系的x轴向所述待测面Pnx进行保护移动，分析所述光谱检测模块得到的光谱，当650nm波长对应的幅值超过设定阈值时，则停止移动，记录x轴坐标位置lnc-x；
步骤3、沿所述测量空间坐标系的z轴向所述待测面Pnz进行保护移动获得所述球头与待测面Pnz的临界接触状态对应的z轴坐标位置lc-z；
步骤4、沿所述测量空间坐标系的z轴运动至z轴坐标位置lc-z，分析所述光谱检测模块得到的光谱，所得光谱具有两个谱峰，其中一个峰在波长650nm附近，由此计算得到平端面的空间方程中的p值，另外一个峰对应为所述非接触式距离测量的测量值n，则所述待测面Pnx距离测量值为lnc-x+n，所述待测面Pny距离测量值为lc-z+p+L。
进一步的，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可精密测量平面角度，其平面角度精密测量方法包括如下步骤：
步骤1、根据待测平面角度的大致范围，选择合适长度的所述接触式探针，选取原则是所述非接触式距离测量的测量位点A、所述接触式探针的接触位点B与所述分光模块的参考中心点C形成的夹角∠ACB与平面角度的相对误差小于5％；
步骤2、沿x轴向待测平面进行保护移动，当|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的x轴坐标位置xu和所述非接触式距离测量的测量值pnc-u，同时记录所述平端面的空间方程x cosα+y cosβ+z cosγ＝p；
步骤3、沿x轴反向低速移动，实时记录与x轴坐标位置对应的Δp、|α-90|+|β-90|+|γ|和所述非接触式距离测量的测量值，形成三条对应的曲线Sx-Δp、Sx-αβγ、Sx-pnc；
步骤4、对所述Sx-Δp曲线和Sx-αβγ曲线进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到与所述球头与待测平面的临界接触状态对应的x轴坐标位置xc；
步骤5、寻找xc在Sx-pnc曲线中对应的所述非接触式距离测量的测量值集合{lpnc(i)|i＝1，2，…，n}，利用最小二乘法求解待测平面的局域空间方程x cosφ+y cosψ+z cosω＝v；
步骤6、利用L、xc-xu、pnc-u以及步骤2得到的γ值对所述分光模块的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针的接触位点形成的三角形对ω值进行修正得到ωs，待测平面角度值为90-ωs+γ。
本发明相对于现有技术的有益效果为：第一，本发明利用分光装置将光谱共焦检测的光路一分为二，一路用于非接触式测距、另一路用于精确测定接触式探针的接触状态，所提供的两种工作模式相互配合，可拓展装置的测量能力；第二，本发明基于光谱共焦原理，并具有多个独立的共焦光路，可进行微小区域内的多点测距，具备误差校正能力，可提高测量精确度；第三，本发明提供的接触式测量模式，具备测杆姿态自校准和球头补偿的功能，有益于复杂构件的曲率突变区域精确测量。
附图说明
图1是本发明一种实施例的基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置组成示意图；
图2是本发明一种实施例的双模测头的结构与组成示意图；
图3是本发明一种实施例的分光模块分光面的实现示意图；
图4是本发明分光模块分光面的两种变形例示意图；
图5是本发明一种实施例的装置测量空间坐标系示意图；
图6是本发明一种实施例的经多个针孔的入射光色散聚焦到接触式探针平端面示意图；
图7是本发明一种实施例的接触式探针平端面姿态变化时的反射光谱示意图；
图8是本发明一种实施例的接触式探针临界接触状态位置检测过程示意图；
图9是本发明一种变形例的基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
本发明的实施例涉及一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法，可用于几何量的精密测量。本发明提供接触式测量和非接触式测量两种工作模式，可实现平面角度、形位误差、表面粗糙度等几何量的高精度测量。本发明所提供的双模测头不包含任何电子器件，可在具有放射性的工况下完成测量任务。
第一实施例
以下参考附图来说明根据本发明所提出的第一种实施例。
如图1所示，根据本发明所提出测量装置的一种实施例，包括双模测头100、宽光谱光源200、针孔构件300、光纤光路400、光谱检测模块500以及信号处理模块600。
如图2所示，在本实施例中，所述双模测头100由色散镜组101、分光模块102、接触式探针103、探针基座104、壳体组成；所述分光模块102将光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定所述接触式探针103与工件之间的接触状态；所述宽光谱光源200产生白光，经所述光纤光路400耦合进入所述色散镜组101，并在经所述分光模块102在两个方向色散；所述针孔构件300包括多个针孔，所述针孔使得照射并聚焦在测量对象上特定波长的光在经过反射后能够返回所述针孔，从而构成光谱共焦；所述光谱检测模块500用于将检测反射光的光谱分布信息；所述信号处理模块600用于将两路反射光的光谱分布信息解耦并获得非接触距离测量的距离数据和接触式探针103的接触状态；所述分光模块102的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针103的接触位点形成一个边长可知的三角形。在本实施例中，所述接触式探针103的轴向与所述色散镜组101的光轴方向相同。
如图2所示，在本实施例中，所述分光模块102有独立的壳体102-1，与所述壳体之间采用可拆卸的固定连接方式，优选的连接方式是螺纹连接；所述分光模块102的分光面102-2与所述色散镜组101的光轴之间呈一定角度，该角度优选为135°。所述分光模块102的壳体102-1侧面具有一个测量窗口102-3。分光后的反射光由该测量窗口102-3射出后，打到被测物体表面。如图3所示，所述分光面102-2优选的实施方式为平面型分束镜，采用厚度均匀的薄膜半透镜，面向所述色散镜组101的一面进行镀膜处理，使其具有半透光特性。
图4给出了所述分光面102-2的另外两种变形例。
图4中(a)显示了采用立方体型分束镜构建所述分光面102-2的实施方式，由两块45°直角三棱镜102-2A和102-2B拼合而成。两块三棱镜的斜面做镀膜处理，使其成为半透面，入射光束在斜面位置一分为二。
图4中(b)显示了金属反射镜构建所述分光面102-2的实施方式，在金属反射镜具有一个45°的反射面，可将一部分入射光束沿镜面法线反射，并通过测量窗口102-3射出。在金属反射镜上沿所述色散透镜的光轴方向加工3个及以上数量的通孔，一部分入射光束直接通过这些通孔射出。该实施例中，用于非接触式距离测量与用于精确测定接触式探针接触状态的反射光互不干扰，易于反射光谱的分析。
如图2所示，在本实施例中，所述接触式探针103包括测杆103-1、球头103-2；所述测杆103-1和所述球头103-2采用刚性强的材料，优选的测杆材料包括陶瓷、碳化钨等、优选的球头材料包括红宝石、氮化硅、氧化锆、碳化钨等；所述测杆103-1的构型包括直肩形测杆和锥形测杆，本实施例采用的是锥形测杆；所述球头103-2位于所述测杆103-1的测量端部，所述测杆103-1的固定端部与所述探针基座104相连；所述探针基座104与所述接触式探针103之间采用可拆卸的固定方式；所述探针基座104具有一个平端面106，粗糙度Ra优于0.5微米，平面度优于0.5个波长；所述平端面106的位置在光谱共焦的工作距离处，误差小于光谱共焦测距量程的十分之一；所述探针基座106与所述分光模块102的壳体102-1通过柔性铰链105连接在一起；当所述接触式探针103接触到测量对象时，柔性铰链105产生形变，从而带动所述平端面106发生微小偏摆和微小移动。
如图1所示，在本实施例中，所述的光纤光路400包括第一光纤401、第二光纤402、第三光纤403和光纤耦合器404；所述光纤耦合器404具有入光口、出光口、耦合口等三个端口；所述第一光纤401的一端接到所述宽光谱光源，另一端接入所述光纤耦合器404的入光口；所述第二光纤402的一端连接到所述光纤耦合器404的耦合口，另一端接入所述双模测头100；所述第三光纤403的一端接入所述光纤耦合器404的出光口，另一端接到所述光谱检测模块500；所述宽光谱光源200产生的复合光先后经所述第一光纤401、所述光纤耦合器404、所述第二光纤402进入所述双模测头100，并经由所述色散镜组101照射在所述分光模块102上；所述第一光纤401、所述第二光纤402、所述第三光纤403和所述光纤耦合器404组成一个光纤光路单元；如图5所示，所述第二光纤402的端部是所述针孔402-1。
在本实施例中，所述的光纤光路400包括多个所述光纤光路单元，其中的所述第二光纤402一起组成所述针孔构件300；所述针孔构件300具有与所述第二光纤402数量一致的所述针孔402-1；如图6所示，多个所述针孔402-1分布在所述色散镜组101的像方焦平面的不同位置；耦合进入所述第二光纤402的光经所述针孔射出，并经过所述色散镜组101后发生轴向色散，不同波长的光聚焦在不同的轴向位置；如图6所示，不同的所述针孔402-1射出并经过所述色散镜组101的光聚焦在不同的物方焦平面位置；具有三个及以上的所述针孔402-1，且任意三个所述针孔在空间分布上不共线。
如图1和6所示，在本实施例中，不同的所述针孔402-1射出的光经过所述色散镜组101和所述分光模块102后，特定波长的光聚焦到所述探针基座104的所述平端面106的不同位置；所述特定波长的光经所述平端面106反射后，依次通过所述分光模块102、所述色散镜组101、所述针孔402-1、所述第二光纤402、所述光纤耦合器404、所述第三光纤403，最终进入所述光谱检测模块500；所述光谱检测模块500获取所收集的所述平端面106反射光的光谱分布信息，并得到对应聚焦位置的距离值。
如图1所示，本实施例中，装置中的光谱检测模块500，包括第一透镜501、光栅分光器502、第二透镜503、光探测器504组成，其中：
所述第一透镜501将所述第三光纤403输出的光准直，并以线阵形式入射到所述光栅分光器502上；所述光栅分光器502将入射光按照波长不同按照不同角度反射，并穿过所述第二透镜503形成若干条光束，最终入射到所述光探测器504上；所述光探测器504是面阵式探测器，可以采用CMOS(互补金属氧化物半导体)或CCD(电荷耦合器件)图像传感器。
所述信号处理模块600由数字信号处理器、逻辑控制电路、光源驱动与控制电路、外部输入输出电路、数据存储器等部分组成。其中，所述逻辑控制电路用于控制所述光探测器504曝光，将所述光探测器504输出的电信号采集为数字信号；所述数字信号处理器用于处理所述数字信号得到光谱信息，并通过所述数据存储器存储上述数据；所述光源驱动与控制电路用于给所述宽光谱光源200供电，并控制其亮度；外部输入输出电路用于外部触发信号的接入，也用于当所述接触式探针103的姿态和位置超过限定阈值时对外输出信号。
进一步的，所述的数字信号处理器、逻辑控制电路、光源驱动与控制电路、外部输入输出电路、数据存储器均可选用现有成熟设备。
如图5所示，本实施例中，以所述双模测头100的机械结构为参照建立测量空间坐标系；以所述色散镜组101的光轴方向作为所述测量空间坐标系的z方向；以特定波长的单色激光的物方焦平面作为所述测量空间坐标系z方向上的零平面102-4，特定波长优选为500nm；所述分光模块102的分光面102-2与所述零平面102-4的交线作为所述测量空间坐标系的y方向，在所述零平面与y方向垂直的方向作为所述测量空间坐标系的x方向；所述色散镜组101的光轴与所述零平面102-4的交点为所述测量空间坐标系的几何零点O，远离所述色散镜组101的方向为z轴的正向；
如图6所示，将所述针孔402-1在所述平端面106对应的聚焦点记为P1，P2，…，Pn，Pi(i＝1，2，…，n)点对应的坐标记为(xi，yi，zi)，所述平端面106的空间方程记为x cosα+ycosβ+z cosγ＝p，则有
其中，α、β、γ分别是所述平端面106的法线方向与所述测量空间坐标系x、y、z方向的夹角，p为所述测量空间坐标系的坐标原点0到所述平端面106的距离。
如图7(a)和7(b)所示：所述接触式探针103未接触任何测量对象时，处于所述平端面106的法线与所述色散镜组101的光轴平行，所述聚焦点P1，P2，P3反射回的光谱信息分别如A01、A02、A03所示；当所述接触式探针103因接触到测量对象时，接触的反作用力使所述测杆103-1发生位移和偏摆，进而带动所述平端面106发生微小偏摆和微小移动，这时聚焦点P1，P2，P3的聚焦波长发生改变，其反射回的光谱信息分别如A04、A05、A06所示。分别分析A01和A04、A02和A05、A03和A06的谱峰偏移量可以测量出P1，P2，P3等聚焦点的距离信息。
所述平端面106的中心点C与所述球头103-2的球心之间的距离为L，则所述球头103-2的球心坐标为(L cosα-m cosα，L cosβ-m cosβ，L cosγ-m cosγ+M-Δp)，其中，m＝N+Δp，M表示所述接触式探针103轴线上的特定点Q与所述测量空间坐标系原点0之间的距离，所述特定点Q的空间坐标为(0，0，M)，N表示所述接触式探针103未接触任何测量对象时所述平端面106的中心点与所述特定点Q之间的距离，Δp表示接触力导致所述平端面106的中心点C沿所述接触式探针103轴线方向上的偏移修正量，Δp可由依据所述平端面106的空间方程迭代计算，其初始值为Δp＝M cosγ-N-p；依据所述探针基座104与所述分光模块102的壳体102-1之间的铰链连接方式，利用所述Δp、α、β、γ等信息，计算所述接触式探针103的受力平衡，推导所述球头103-2的接触位置与接触力方向。
有赖于本实施例提供的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可通过所述接触式探针103进行临界接触状态位置检测，如图8所示，其检测包括如下步骤：
步骤1、沿特定方向Li(i＝x，y，z)，当满足条件|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的Li(i＝x，y，z)对应的坐标位置lu-i；
沿特定方向Lk向待测目标进行保护移动，其中k＝x，y，z；当满足条件|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的Lk对应的坐标位置lu-k；
步骤2、沿特定方向Lk的反向低速移动，实时记录与Lk坐标位置对应的Δp、|α-90|+|β-90|+|γ|，形成两条对应的曲线Sl-Δp、Sl-αβγ；
步骤3、对所述Sl-Δp曲线和Sl-αβγ曲线进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到与所述球头103-2与待测目标的临界接触状态对应的Lk轴坐标位置lc-k。
本实施例中，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可同时测量两个方向上的距离，具体包括如下步骤：
步骤1、按照所述测量空间坐标系，将两个待测面分别定义为Pnx和Pnz，调整所述双模测头100的姿态，使所述测量空间坐标系的x方向与待测面Pnx的法线之间的角度小于所述非接触式距离测量的最大允许角度；
步骤2、沿所述测量空间坐标系的x轴向所述待测面Pnx进行保护移动，分析所述光谱检测模块500得到的光谱，当650nm波长对应的幅值超过设定阈值时，则停止移动，记录x轴坐标位置lnc-x；
步骤3、沿所述测量空间坐标系的z轴向所述待测面Pnz进行保护移动，获得所述球头103-2与待测面Pnz的临界接触状态对应的z轴坐标位置lc-z；
步骤4、沿所述测量空间坐标系的z轴运动至z轴坐标位置lc-z，分析所述光谱检测模块500得到的光谱，所得光谱具有两个谱峰，其中一个峰在波长650nm附近，由此计算得到平端面106的空间方程中的p值，另一个峰对应为所述非接触式距离测量的测量值n，则所述待测面Pnx距离测量值为lnc-x+n，所述待测面Pny距离测量值为lc-z+p+L。
本实施例中，一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量方法可精密测量平面角度，其平面角度精密测量方法包括如下步骤：
步骤1、根据待测平面角度的大致范围，选择合适长度的所述接触式探针，选取原则是所述非接触式距离测量的测量位点A、所述接触式探针103的接触位点B与所述分光模块102的参考中心点C形成的夹角∠ACB与平面角度的相对误差小于5％；
步骤2、沿x轴向待测平面进行保护移动，当|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的x轴坐标位置xu和所述非接触式距离测量的测量值pnc-u，同时记录所述平端面106的空间方程x cosα+y cosβ+z cosγ＝p；
步骤3、沿x轴反向低速移动，实时记录与x轴坐标位置对应的Δp、|α-90|+|β-90|+|γ|和所述非接触式距离测量的测量值，形成三条对应的曲线Sx-Δp、Sx-αβγ、Sx-pnc；
步骤4、对所述Sx-Δp曲线和Sx-αβγ曲线进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到与所述球头103-2与待测平面106的临界接触状态对应的x轴坐标位置xC；
步骤5、寻找xc在Sx-pnc曲线中对应的所述非接触式距离测量的测量值集合{lpnc(i)|i＝1，2，…，n}，利用最小二乘法求解待测平面的局域空间方程x cosφ+y cosψ+z cosω＝v；
步骤6、利用L、xc-xu、pnc-u以及步骤2得到的γ值对所述分光模块的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针103的接触位点形成的三角形对ω值进行修正得到ωs，待测平面角度值为90-ωs+γ。
第二实施例
关于根据本发明第二实施例的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，说明与第一实施例的不同之处。图9是显示了根据本发明第二实施例的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置结构组成示意图。根据本发明所提出测量装置的第二实施例，包括双模测头100、宽光谱光源200、针孔构件300、光纤光路400、光谱检测模块500以及信号处理模块600。如图1和图9所示：第一实施例和第二实施例在宽光谱光源200、针孔构件300、光纤光路400等三部分具有相同的结构；第二实施例中的所述双模测头100的所述非接触式距离测量工作方向与所述色散镜组101的光轴方向相同，所述接触式探针103的轴向与所述色散镜组101的光轴方向垂直；第二实施例中的所述光谱检测模块500采用多个光探测器504获取对应所述针孔402-1接收的反射光光光谱，光探测器504采用线阵式探测器，光探测器504的数量与所述针孔402-1的数量一致；第二实施例中的所述信号处理模块600的逻辑控制电路用于控制多个所述线阵式探测器曝光，并将对应所述针孔收集的反射光光谱转化为数字信息，以供数字信号处理器处理。
第二实施例较第一实施例在光谱采样速率上具有优势，适用于高速运动或其他对实时性要求较高的工作场景。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于包括双模测头、宽光谱光源、针孔构件、光纤光路、光谱检测模块以及信号处理模块：
所述双模测头包括色散镜组、分光模块、接触式探针、探针基座、壳体；其中分光模块将光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定所述接触式探针与工件之间的接触状态；
所述宽光谱光源产生白光，经光纤光路耦合进入色散镜组，并经分光模块在两个方向色散；
所述针孔构件包括多个针孔，所述针孔使得照射并聚焦在测量对象上特定波长的光在经过反射后能够返回所述针孔，从而构成光谱共焦；
所述光谱检测模块用于检测反射光的光谱分布信息，所述信号处理模块用于将两路反射光的光谱分布信息解耦并获得非接触距离测量的距离数据和接触式探针的接触状态；
所述分光模块的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针的接触位点形成一个边长可知的三角形。
2.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
所述分光模块有独立的壳体，且壳体与壳体之间采用可拆卸的固定连接方式；
所述分光模块的分光面与所述色散镜组的光轴之间呈一定角度。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
所述接触式探针包括测杆、球头；测杆的构型包括直肩形测杆和锥形测杆；
所述球头位于测杆的测量端部，测杆的固定端部与探针基座相连；
所述探针基座与接触式探针之间采用可拆卸的固定方式；
所述探针基座具有一个平端面，粗糙度Ra优于0.5微米，平面度优于0.5个波长；所述平端面的位置在光谱共焦的工作距离处，误差小于光谱共焦测距量程的十分之一；
所述探针基座与分光模块的壳体连接在一起，当所述接触式探针接触到测量对象时，可使二者之间产生微小移动；
所述测杆和球头均采用刚性强的材料，测杆材料包括陶瓷、碳化钨；球头材料包括红宝石、氮化硅、氧化锆、碳化钨。
4.如权利要求3所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
光纤光路包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和光纤耦合器，且第二光纤的端部是针孔；
光纤耦合器具有入光口、出光口、耦合口三个端口；第一光纤的一端接到宽光谱光源，另一端接入光纤耦合器的入光口；第二光纤的一端连接到光纤耦合器的耦合口，另一端接入双模测头；第三光纤的一端接入光纤耦合器的出光口，另一端接到光谱检测模块；宽光谱光源产生的复合光先后经第一光纤、光纤耦合器、第二光纤进入双模测头，并经由色散镜组照射在分光模块上。
5.如权利要求4所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
该装置包括多个光纤光路，其中多个第二光纤组成针孔构件；所述针孔构件具有与第二光纤数量一致的针孔；多个针孔分布在色散镜组的像方焦平面的不同位置；耦合进入第二光纤的光经针孔射出，并经过色散镜组后发生轴向色散，不同波长的光聚焦在不同的轴向位置；不同的针孔射出并经过色散镜组的光聚焦在不同的物方焦平面位置；具有三个及以上的针孔，且任意三个所述针孔在空间分布上不共线。
6.如权利要求5所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
不同的针孔射出的光经过色散镜组和分光模块后，特定波长的光聚焦到探针基座的平端面的不同位置；特定波长的光经平端面反射后，依次通过分光模块、色散镜组、针孔、第二光纤、光纤耦合器、第三光纤，最终进入光谱检测模块；光谱检测模块获取平端面反射光的光谱分布信息，并得到对应聚焦位置的距离值。
7.如权利要求6所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：
以所述双模测头的机械结构为参照建立测量空间坐标系；
以所述色散镜组的光轴方向作为所述测量空间坐标系的z方向；
以特定波长的单色激光的物方焦平面作为所述测量空间坐标系z方向上的零平面；
所述分光模块的分光面与零平面的交线作为所述测量空间坐标系的y方向，在零平面与y方向垂直的方向作为测量空间坐标系的x方向；
所述色散镜组的光轴与零平面的交点为测量空间坐标系的几何零点，远离色散镜组的方向为z轴的正向；
所述针孔在平端面对应的聚焦点记为P1,P2,…,Pn，Pi点对应的坐标记为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,n；所述平端面的空间方程记为xcosα+ycosβ+zcosγ＝p，则有
其中，α、β、γ分别是平端面的法线方向与测量空间坐标系x、y、z方向的夹角，p为所述测量空间坐标系的坐标原点到所述平端面的距离；
所述平端面的中心点与球头的球心之间的距离为L，则球头的球心坐标为(L cosα-mcosα，L cosβ-m cosβ，L cosγ-m cosγ+M-Δp)，
其中，m＝N+Δp，M表示所述接触式探针轴线上的特定点与所述测量空间坐标系原点之间的距离，所述特定点的空间坐标为(0,0,M)，N表示所述接触式探针未接触任何测量对象时所述平端面的中心点与所述特定点之间的距离，Δp表示接触力导致所述平端面的中心点沿所述接触式探针轴线方向上的偏移修正量，Δp可由依据所述平端面的空间方程迭代计算，其初始值为Δp＝Mcosγ-N-p；
依据所述探针基座与分光模块的壳体之间的连接方式，利用Δp、α、β、γ计算接触式探针的受力平衡，推导球头的接触位置与接触力方向。
8.如权利要求7所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于，该装置通过接触式探针进行临界接触状态位置检测，检测方法包括如下步骤：
步骤1、沿特定方向Lk向待测目标进行保护移动，其中k＝x,y,z；当满足条件|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的Lk对应的坐标位置lu-k；
步骤2、沿特定方向Lk反向低速移动，实时记录与Lk坐标位置对应的Δp、|α-90|+|β-90|+|γ|，形成两条对应的曲线Sl-Δp、Sl-αβγ；
步骤3、对曲线Sl-Δp和曲线sl-αβγ进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到球头与待测目标的临界接触状态对应的Lk轴坐标位置lc-k。
9.如权利要求7所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于，该装置能够同时测量两个方向上的距离，具体包括如下步骤：
步骤1、根据测量空间坐标系，将两个待测面分别定义为Pnx和Pnz，调整双模测头的姿态，使测量空间坐标系的x方向与待测面Pnx的法线之间的角度小于非接触式距离测量的最大允许角度；
步骤2、沿测量空间坐标系的x轴向待测面Pnx进行保护移动，分析光谱检测模块得到的光谱，当650nm波长对应的幅值超过设定阈值时，则停止移动，记录x轴坐标位置lnc-x；
步骤3、沿测量空间坐标系的z轴向待测面Pnz进行保护移动，获得的球头与待测面Pnz的临界接触状态对应的z轴坐标位置lc-z；
步骤4、沿测量空间坐标系的z轴运动至z轴坐标位置lc-z，分析光谱检测模块得到的光谱；所得光谱具有两个谱峰，其中一个谱峰为波长650nm，由此计算得到平端面的空间方程中的p值；另外一个谱峰对应非接触式距离测量的测量值n，则所述待测面Pnx距离测量值为lnc-x+n，所述待测面Pny距离测量值为lc-z+p+L。
10.如权利要求7所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于，该装置能够精密测量平面角度，具体测量方法包括如下步骤：
步骤1、根据待测平面角度的范围，选择对应长度的接触式探针，选取原则是非接触式距离测量的测量位点A、接触式探针的接触位点B与分光模块的参考中心点C形成的夹角∠ACB与平面角度的相对误差小于5％；
步骤2、沿x轴向待测平面进行保护移动，当|α-90|+|β-90|+|γ|≥Td或Δp≥Tp时，停止移动，记录当前的x轴坐标位置xu和非接触式距离测量的测量值pnc-u，同时记录平端面的空间方程xcosα+ycosβ+zcosγ＝p；
步骤3、沿x轴反向低速移动，实时记录与x轴坐标位置对应的Δp、|α-90|+β-90|+|γ|和非接触式距离测量的测量值，形成三条对应的曲线Sx-Δp、Sx-αβγ、Sx-pnc；
步骤4、对Sx-Δp曲线和Sx-αβγ曲线进行小波变换，基于小波与信号相关性判据，计算得到球头与待测平面的临界接触状态对应的x轴坐标位置xc；
步骤5、寻找xc在Sx-pnc曲线中对应的非接触式距离测量的测量值集合{lpnc(i)|i＝1,2,…,n}，利用最小二乘法求解待测平面的局域空间方程
步骤6、利用L、xc-xu、pnc-u以及步骤2得到的γ值对分光模块的参考中心点、非接触式距离测量的测量位点、接触式探针的接触位点形成的三角形对ω值进行修正得到ωs，待测平面角度值为90-ωs+γ。
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Also Published As
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