CN1330927C - 大轮径外径光学投影测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大轮径外径光学投影测量装置，它具有一个机械定位组件，用以确定被测几何回转形体的一段圆弧踏面弦长和该弦到机械定位组件基准平面的距离；所述机械定位组件上安装有一个用于投影该段圆弧踏面轮廓的光学测量头；所述光学测量头由背投射激光源、扩束镜、光缝隙部件、成像透镜部件、CCD摄像机、以及信号控制处理装置构成。所述被测几何回转形体的该段圆弧踏面位于所述光学测量头的扩束镜和光缝隙组件之间，或者位于所述光学测量头的光缝隙组件和成像透镜部件之间。本发明具有结构简单、操作容易、测量精度高的优点，非常适合轮径大于500mm的几何回转形体、特别是其踏面宽度大于80mm的几何回转形体的直径测量。

Description

大轮径外径光学投影测量装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，它涉及基于弦高法求圆的直径的测量设备，具体地指一种大轮径外径光学投影测量装置。

背景技术

直径光学测量装置作为一种投影成像测量直径的有力工具，在几何形状测量研究中获得了广泛应用。近年来，科学技术人员对此技术所进行的大量研究，一直是以直接测量直径的方法为主的。在“双光束激光扫描尺寸测量系统”{见《半导体光电》1998，19(5)：320～323}一文中，提出了一种典型的直径投影成像测量方法及装置，其特点是将被测的几何回转形体安装在测量设备的机架上。该方法及装置在测量中小直径的几何回转形体时，其量程大、测量效果好。但在测量大轮径的几何回转形体时，由于需要测量装置本身作为定位基准，故其系统结构庞大而复杂，不仅定位误差偏大、测量操作不便、测量精度下降，而且测量光路长、光噪声高、测量装置的稳定性也差。特别是在测量大轮径、非圆柱几何回转形体时，它的测量效果更是显著降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种结构简单、携带方便、操作容易、测量精度高的大轮径外径光学投影测量装置。该装置利用背投平行光源，基于弦高法求圆的直径，非常适合于轮径大于500mm的几何回转形体、特别是其踏面宽度大于80mm的几何回转形体的直径测量。

为实现上述目的，本发明所设计的大轮径外径光学投影测量装置，具有一个可以定位放置在被测几何回转形体的一段圆弧踏面上方的机械定位组件，用以确定被测几何回转形体的该段圆弧踏面的弦长和该弦到机械定位组件基准平面的距离；所述机械定位组件上安装有一个用于从弦长方向投影被测几何回转形体的该段圆弧踏面轮廓的光学测量头；所述光学测量头由位于同一光路上依次布置的背投射激光源、扩束镜、光缝隙部件、成像透镜部件、CCD摄像机、以及一个信号控制处理装置构成，所述信号控制处理装置与背投射激光源和CCD摄像机相连，用于控制背投射激光源和CCD摄像机工作，并采集和处理CCD摄像机的光电位置信号；所述被测几何回转形体的该段圆弧踏面位于所述光学测量头的扩束镜和光缝隙组件之间，或者位于所述光学测量头的光缝隙组件和成像透镜部件之间。

定义所述被测几何回转形体上的直角坐标系为：沿轴向为X，沿弦弓高方向为Y，沿弦长方向为Z。则所述光学测量头背投平行光的方向为Z方向。这样，当所述机械定位组件确定了相对于被测几何回转形体X向、Y方和Z向的位置后，也就确定了所述光学测量头相对于被测几何回转形体的位置，具体地说确定了被测几何回转形体的一段圆弧踏面的弦长和该弦在Y向的位置。

所述光学测量头发出的背投射激光源经扩束镜后，形成一个大的准直激光束，并沿弦长方向照射到被测几何回转形体上，光源发出的光一部分由被测几何回转形体截面轮廓遮挡，另一部分则经光缝隙部件、成像透镜部件照射到CCD摄像机上，形成了被测几何回转形体截面轮廓的“像”。CCD摄像机将该“像”的尺寸信息转化为视频信号并二值化，形成包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD视频信号。被测最高点位处透光部分的尺寸是Hi＝Ni×m。式中：Ni是透光部分在CCD摄像机上所成“像”覆盖CCD像素的个数，m为CCD图像传感器的像素中心距。Hi确定了被测几何回转形体截面轮廓对应某一具体X坐标值处的具体Y坐标值，具体Y坐标值可以对应具体弦的弓高值。该坐标值由CCD摄像机转化为光电信号输送给所述信号控制处理装置，通过信号控制处理装置从具体弦的长度L和弓高值(Ho-Hi)可以求得被测几何回转形体沿X向的具体位置的直径。

本发明的优点在于：所设计的测量装置直接以被测几何回转形体为定位基准，采用背投射大准直激光束与光缝隙部件配合，仅对被测几何回转形体上的一段圆弧踏面进行投影测量，有效解决了测量大轮径、非圆柱几何回转形体时，典型直径投影成像测量装置系统结构庞大而复杂的问题，很方便地实现了轮径大于500mm、特别是踏面宽度大于80mm的被测几何回转形体沿轴向具体位置的直径测量。与常规的直径投影成像测量装置相比，本发明的弦高法直径光学测量装置不仅具有光路短、光噪声小、定位误差少、稳定性好的特点，而且结构小巧、制造简便、方便携带。其轴方向(X向)最小定位精度可达20um，弦的弓高方向(Y向)最小测量分辨率可达1um，直径的最小分辨率可达5um。

附图说明

图1为一种大轮径外径光学投影测量装置的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为另一种大轮径外径光学投影测量装置的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本发明测量装置的一种光学测量头的工作原理示意图；

图6为本发明测量装置的另一种光学测量头的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的大轮径外径光学投影测量装置作进一步的详细描述：

如图1和图2所示的一种大轮径外径光学投影测量装置，具有一个可以定位放置在被测几何回转形体8的一段圆弧踏面上方的机械定位组件7，该机械定位组件7可以采用现有技术中的任何一种结构形式，只要其能确定被测几何回转形体8的该段圆弧踏面的弦长L和该弦到机械定位组件7基准平面的距离Ho即可。该机械定位组件7上安装固定有一个用于从弦长L方向投影被测几何回转形体8的该段圆弧踏面轮廓的光学测量头，该光学测量头由位于同一光路上依次布置的激光器1、扩束镜2、光缝隙板3、成像透镜部件4、CCD摄像机5、以及一个信号控制处理装置6构成。其中：信号控制处理装置6与激光器1和CCD摄像机5相连，用于驱动和控制激光器1和CCD摄像机5工作，同时采集CCD摄像机5的光电位置信号，并通过公知的弦高法求圆直径的计算公式对所采集的光电位置信号进行处理，求出被测几何回转形体的直径。此部分也为成熟技术，于此不多赘述。

上述机械定位组件7最简捷稳固的定位形式，就是在其上设置五个点定位块P1、P2、P3、P4、P5，其中一个点定位块P1与被测几何回转形体8的该段圆弧踏面的中间顶部接触，另外两个对称的点定位块P2、P3与被测几何回转形体8的该段圆弧踏面的两侧边接触，还有两个对称的点定位块P4、P5与被测几何回转形体8的端面接触。由此可确定整个测量装置相对于被测几何回转形体8的具体方位，也就确定了光学测量头的位置。具体地说：接触踏面两侧边的点定位块P2和P3确定了测量装置在被测几何回转形体8的弦弓高方向或者说直径方向(Y向)的位置，即确定了机械定位组件7的基准面与被测几何回转形体8的弦之间的垂直距离Ho，同时确定了弦长L；接触踏面中间顶部的点定位块P1确定了测量装置对被测几何回转形体8的弦长方向(Z向)旋转位置；接触端面两侧的点定位块P4和P5确定了测量装置沿被测几何回转形体8的轴方向(X向)位置和测量装置对被测几何回转形体8的弦长方向(Z向)旋转位置。此种定位方式适合于被测几何回转形体8的踏面较宽的情况。

如图3和图4所示的另一种大轮径外径光学投影测量装置，是将点定位块P1与被测几何回转形体8的接触位置由踏面中间顶部改为端面中间接触，其他的结构和点定位块的位置不变。具体地说：接触踏面两侧边的点定位块P2和P3确定了测量装置在被测几何回转形体8的弦弓高方向或者说直径方向(Y向)的位置，即确定了机械定位组件7的基准面与被测几何回转形体8的弦之间的垂直距离Ho，同时确定了弦长L；接触端面中间的定位块P1确定了测量装置沿轴方向(X向)的位置；接触端面两侧的定位块P4和P5确定了测量装置对被测几何回转形体8的弦长方向(Z向)旋转位置和测量装置对被测几何回转形体8的弦弓高方向(Y向)旋转位置。此种定位方式适合于被测几何回转形体8的踏面较窄的情况。

如图5所示为上述测量装置的一种光学测量头的工作原理示意图，此时被测几何回转形体8的一段圆弧踏面位于光学测量头的扩束镜2和光缝隙板3之间。激光器1经扩束镜1后，形成一个大的准直激光束并照射到被测几何回转形体8上，光源发出的光一部分被被测几何回转形体8的截面轮廓遮挡，另一部分则经过光缝隙板3、成像透镜部件4照射到CCD摄像机5上，形成被测几何回转形体8截面轮廓的“像”。CCD摄像机5将该“像”的尺寸信息转化为视频信号并二值化，形成了包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD视频信号。被测最高点位处透光部分的尺寸为Hi＝Ni×m。式中：Ni是透光部分在CCD摄像机5上所成“像”覆盖CCD像素的个数，m为CCD图像传感器的像素中心距。Hi确定了被测几何回转形体8截面轮廓对应某一具体X坐标值处的具体Y坐标值，具体Y坐标值可以对应具体弦的弓高值。该坐标值由CCD摄像机5转化为光电信号输送给信号控制处理装置6，通过信号控制处理装置6从具体弦的长度L和弓高值H＝Ho-Hi可以求得被测几何回转形体8沿X向的具体位置的直径：D＝H+L²/4H。

如图6所示为上述测量装置的另一种光学测量头的工作原理示意图，此时被测几何回转形体8的一段圆弧踏面位于光学测量头的光缝隙板3和成像透镜部件4之间。光源发出的光先经过光缝隙板3后，一部分被被测几何回转形体8的截面轮廓遮挡，另一部分经过成像透镜部件4照射到CCD摄像机5上，形成被测几何回转形体8截面轮廓的“像”。其它工作原理与上相同，结果也相同。

更具体地：上述激光器1采用功率为毫瓦级、波长λ为0.670μm的可见光半导体激光器。上述扩束镜2由扩束倍数大于15倍、且其间距可微调的透镜组组成，例如由一个焦距为-10mm的凹透镜和一个焦距为+200mm的凸透镜组成，且透镜组的间距可微调。上述光缝隙板3的光缝隙是宽度小于1mm、且直线度误差为1/10缝宽的长形缝隙板。上述成像透镜部件4可以采用一个柱面镜和一个成像透镜组组成。上述CCD摄像机5为线阵或面阵CCD摄像机。测量实验表明：本发明的测量装置在测量轮径大(＞500mm)、踏面宽(＞80mm)的几何回转形体时，它的系统结构小巧而简单，特别是在测量大轮径、非圆柱状几何回转形体时具有明显的优势。

本发明的测量装置并不局限于上面所述的实施例，本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容采用多种实施方式实现本发明。

Claims (6)

1.一种大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：它具有一个可以定位放置在被测几何回转形体(8)的一段圆弧踏面上方的机械定位组件(7)，用以确定被测几何回转形体(8)的该段圆弧踏面的弦长(L)和该弦到机械定位组件(7)基准平面的距离(Ho)；所述机械定位组件(7)上安装有一个用于从弦长(L)方向投影被测几何回转形体(8)的该段圆弧踏面轮廓的光学测量头，所述光学测量头由位于同一光路上依次布置的背投射激光源(1)、扩束镜(2)、光缝隙部件(3)、成像透镜部件(4)、CCD摄像机(5)、以及一个信号控制处理装置(6)构成，所述信号控制处理装置(6)与背投射激光源(1)和CCD摄像机(5)相连，用于控制背投射激光源(1)和CCD摄像机(5)工作并采集和处理CCD摄像机(5)的光电位置信号；所述被测几何回转形体(8)的该段圆弧踏面位于所述光学测量头的扩束镜(2)和光缝隙组件(3)之间，或者位于所述光学测量头的光缝隙组件(3)和成像透镜部件(4)之间。

2.根据权利要求1所述的大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：所说的机械定位组件(7)上设置有五个点定位块(P1、P2、P3、P4、P5)，其中一个点定位块(P1)与被测几何回转形体(8)的该段圆弧踏面的中间顶部接触，或者与该段圆弧踏面的中间端面接触；另外两个对称的点定位块(P2、P3)与被测几何回转形体(8)的该段圆弧踏面的两侧边接触，还有两个对称的点定位块(P4、P5)与被测几何回转形体(8)的端面接触。

3.根据权利要求1或2所述的大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：所说的背投射激光源(1)采用功率为毫瓦级、波长λ为0.670μm的可见光半导体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：所说的扩束镜(2)由扩束倍数大于15倍、且其间距可微调的透镜组组成。

5.根据权利要求1或2所述的大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：所说的光缝隙部件(3)的光缝隙是宽度小于1mm、且直线度误差为1/10缝宽的长形缝隙。

6.根据权利要求1或2所述的大轮径外径光学投影测量装置，其特征在于：所说的CCD摄像机(5)为线阵或面阵CCD摄像机。

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