CN201724654U - 一种五维坐标远心光学测量系统 - Google Patents

一种五维坐标远心光学测量系统 Download PDF

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Abstract

一种五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：其包含有镜头(1)、两维转台(2)、工作台(3)、立柱(4)、基座(5)；其中：基座(5)水平布置在整个设备最底部；用于实现水平面内二维动作的工作台(3)布置在基座(5)上；立柱(4)固定在工作台(3)上；能实现竖直方向动作的镜头(1)布置在立柱(4)上部；用于固定放置被测物体的两维转台(2)具体由两部分构成：布置连接在立柱(4)上且能实现绕水平轴旋转动作的转台基体(201)、布置连接在转台基体(201)上且能围绕与转台基体(201)的旋转轴心垂直的轴旋转的小转台(202)。

Description

一种五维坐标远心光学测量系统
技术领域
本实用新型涉及物体几何测量设备，特别提供了一会尤其适用于测量具有复杂空间形状结构中较小尺寸结构的五维坐标远心光学测量系统。
背景技术
现有技术中，对具有复杂空间形状结构的物体中较小尺寸结构的测量设备中，比较典型的是光学三坐标测量机(例如德国、美国的某些公司生产的光学三坐标测量机)；虽然相对而言其可能具有的精度很高，但它们都属于“单焦”平面的光学视像系统，没有使用远心光学镜头之类的先进部件。
以叶片作为被测物体为例，叶片气膜孔轮廓是叶片气膜孔与叶片表面的相贯线，是空间不规则曲线，在传统的光学三坐标镜头下均不能显示完整清晰的气膜孔图像，无法计算轮廓曲线构成的圆的直径和几何中心坐标，因此，不能测量高涡高导叶片气膜孔位置尺寸。以日本生产的二维视像测量仪为对比例，其并没有设置用于灵活调整被测物体空间姿态的结构，无法调整到所期望的最佳空间姿态，从而无法获取叶片气膜孔空间曲线轮廓图像，因此也不能测量气膜孔的位置尺寸。
以某型发动机高压涡轮叶片为例，其除具有一般三维曲面的叶盆、叶背以外，在其叶身上加工了9排79个不同角度的气膜孔，孔径规格为Φ0.30 +0.05mm及Φ0.50 +0.05mm两种，气膜孔间距为3mm-4mm，气膜孔轴线与叶片基准面C的倾斜角度分别为0°、30°、45°、75°、90°、100°，Φ0.30 +0.05mm孔的位置度为Φ0.15mm，Φ0.50 +0.05mm孔的位置度为Φ0.10mm。由于这些孔的直径很小，只有Φ0.30 +0.05mm和Φ0.50 +0.05mm，传统的三坐标测量机的最小测头直径为Φ0.5mm，因此，无法伸到气膜孔内部进行采点；如使用Φ0.025mm的光纤测头测量气膜孔，因电火花加工的气膜孔边缘和孔壁较为粗糙，会给气膜孔位置度的测量造成粗大探测误差。
人们期望获得一种技术效果更好的尤其适用于测量具有复杂空间形状结构中较小尺寸结构的五维坐标远心光学测量系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种技术效果更好的尤其适用于测量具有复杂空间形状结构中较小尺寸结构的五维坐标远心光学测量系统。
本实用新型一种五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：其包含有镜头1、两维转台2、工作台3、立柱4、基座5；其中：
基座5水平布置在整个设备最底部；用于实现水平面内二维动作的工作台3布置在基座5上；立柱4固定在工作台3上；能实现竖直方向动作的镜头1布置在立柱4上部；
用于固定放置被测物体的两维转台2具体由两部分构成：布置连接在立柱4上且能实现绕水平轴旋转动作的转台基体201、布置连接在转台基体201上且能围绕与转台基体201的旋转轴心垂直的轴旋转的小转台202。被测物体放置在小转台202上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，要求保护的优选内容具体如下：
所述五维坐标远心光学测量系统中，所述镜头1具体为远心光学镜头。
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座5上的用于实现水平面内二维动作的工作台3具体分为两部分：X向工作台301、Y向工作台302；二者其中之一直接布置在基座5，另一个布置在前一个上方而且二者相互接触；
立柱4固定在工作台3中X向工作台301或Y向工作台302二者中位于最上部的其中之一之上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座5上的用于实现水平面内二维动作的工作台3具体分为两部分：X向工作台301、Y向工作台302；二者其中之一直接布置在基座5，另一个布置在前一个上方而且二者相互接触；
立柱4固定在工作台3中X向工作台301或Y向工作台302二者中位于最上部的其中之一之上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机6，其具体布置在立柱4上的镜头1上方；
所述两维转台2的转台基体201和小转台202中都设置有用于分别带动二者进行旋转动作的步进电机；
所述小转台202上还设置有用于装夹固定被测物体的卡具203。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机6，其具体布置在立柱4上的镜头1上方。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有照明系统7，其具体布置在镜头1周围，并能够和镜头1、摄像机6一起在竖直方向沿立柱4动作。
下面对本实用新型相关的问题作一介绍：
综合现有技术中的相关问题进行分析，对于气膜孔位置度这类测量问题，最好是采用非接触视像测量方法，同时还必须解决叶片空间姿态的定位问题和气膜孔空间不规则轮廓曲线图像的采集问题，光学镜头不能是“单焦”平面，需要有较大景深。
(1)远心光学镜头的研制
以空间形状的叶片作为被测物体为例，由于叶片气膜孔与叶片表面的相贯线，即轮廓曲线是一条不规则的封闭空间曲线，它不在任何某一平面内，所以，在光学三坐标等视像测量设备下，都不能获得清晰的几何图像，原因就是它们的光学测量头是“单焦”镜头，无法在同一位置看清空间曲线的轮廓，因此，要解决这个问题，必须要研制大景深的具有远心光学原理的测量镜头，以解决图像采集问题。远心光学镜头是本实用新型中一个很突出的创新点。
本实用新型是将远心光学镜头成功应用到坐标光学测量系统，主要技术包括光学视像技术、光电信号转换技术、图像数据处理技术及几何参数评价软件开发技术等等，其测量原理和流程如图1所示。
(2)远心光学镜头、二维转台和坐标测量技术的综合运用
由于叶片气膜孔与叶片型面的相贯线是一条封闭的空间曲线，它不在任何同一平面内。因此，使用常见光学测量系统无法解决叶片气膜孔位置尺寸的测量问题。
但是，本实用新型综合应用远心光学镜头、两维转台2、三个直线坐标方向能够调整的测量技术，研制了一台光轴方向带有一定景深的具有X、Y、Z三个直线轴和W、U两个旋转轴的五维测量系统，这些光机电技术的综合应用和远心光学镜头、两维转台2、沿三个直线坐标运动的机械结构的集成综合应用，是本实用新型的突出特点。
远心光学镜头的研制成功，解决了图像采集过程中的景深问题，使不同焦平面上的轮廓曲线能够同时清晰的显示在屏幕上；两维转台2的研制和成功应用，创造性地解决了叶片空间姿态的定位问题。
(3)本实用新型在实际应用时，可以将不规则的空间曲线投影在垂直于其轴线的平面内，显示其真实圆的图形，并进行气膜孔位置尺寸数据转换，使用本实用新型所述的五维坐标远心光学测量系统可以将叶片气膜孔轴线旋转到与光学测量头光轴轴线一致的方向上，准确控制叶片的空间姿态后，进行叶片气膜孔位置尺寸的检测从而很好地实现测量目的。
本实用新型综合应用远心光学镜头、两维转台2和三维直线坐标测量技术，成功研制出一台光轴方向带有一定景深的具有X、Y、Z三个直线轴和W、U两个旋转轴的五维测量系统。本实用新型能够清晰地采集空间曲面上不规则小孔(或轴)轮廓曲线的图像，并对图像进行处理和计算，确定孔的大小和中心位置坐标。本实用新型解决了叶片型面气膜孔位置尺寸等这一类典型的测量难题。本实用新型填补了现有技术的空白，并且可以应用到各类复杂结构零件微小几何量尺寸的测量。
本实用新型的有益效果：
本实用新型可以在上述内容的基础上进一步研究开发相关的专用测量软件，用以解决叶片气膜孔图像的处理和计算、伺服系统控制、自动测量、手动测量和位置尺寸的评价等问题。可以采用软件控制三个直线坐标轴和两个旋转轴的位移，能够使五个坐标有序运动，从而能够实现全自动测量功能。
本实用新型综合应用远心光学镜头、两维转台和三维直线坐标测量技术，成功研制出一台光轴方向带有一定景深的具有X、Y、Z三个直线轴和W、U两个旋转轴的五维测量系统，实现了对空间曲面上不规则小孔(或轴)轮廓曲线清晰图像的采集和几何尺寸的测量，解决了复杂空间形状物体微小位置尺寸(尺度可以小于Φ1.5mm以下)的测量难题。本实用新型所述测量系统填补了国内空白。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1为实施例1的相关测量原理和流程图；
图2为测量系统的结构示意图主视图；
图3为测量系统的结构示意图右视图；
图4为两维转台2的结构示意简图；
图5为镜头1的结构示意图主剖视图；
图6为测量软件操作窗口。
具体实施方式
各个附图标记含义如下：镜头1、两维转台2、转台基体201、小转台202、工作台3、X向工作台301、Y向工作台302、立柱4、基座5、摄像机6、照明系统7；
步进电机一(801)、谐波减速器一(802)、主轴轴承套(803)、防护罩一(804)、向心推力球轴承一(805)、75mm圆光栅一(806)、扭矩支臂(807)；
步进电机二(811)、谐波减速器二(812)、辅轴轴承座(813)、防护罩二(814)、向心推力球轴承二(815)、75mm圆光栅二(816)；
卡具(808)、零位基准(809)。
实施例1
一种五维坐标远心光学测量系统测量(系统的结构示意图如图2、3)，其包含有镜头1、两维转台2、工作台3、立柱4、基座5；其中：
基座5水平布置在整个设备最底部；用于实现水平面内二维动作的工作台3布置在基座5上；立柱4固定在工作台3上；能实现竖直方向动作的镜头1布置在立柱4上部；
用于固定放置被测物体的两维转台2具体由两部分构成：布置连接在立柱4上且能实现绕水平轴旋转动作的转台基体201、布置连接在转台基体201上且能围绕与转台基体201的旋转轴心垂直的轴旋转的小转台202。被测物体放置在小转台202上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，具体的内容要求说明如下：
所述五维坐标远心光学测量系统中，所述镜头1具体为远心光学镜头。
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座5上的用于实现水平面内二维动作的工作台3具体分为两部分：X向工作台301、Y向工作台302；其中的Y向工作台302直接布置在基座5上，X向工作台301布置在Y向工作台302上方而且二者相互接触；
立柱4固定在工作台3中的X向工作台301上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座5上的用于实现水平面内二维动作的工作台3具体分为两部分：X向工作台301、Y向工作台302；二者其中之一直接布置在基座5，另一个布置在前一个上方而且二者相互接触；
立柱4固定在工作台3中X向工作台301或Y向工作台302二者中位于最上部的其中之一之上。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机6，其具体布置在立柱4上的镜头1上方；
所述两维转台2的转台基体201和小转台202中都设置有用于分别带动二者进行旋转动作的步进电机；
所述小转台202上还设置有用于装夹固定被测物体的卡具203。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机6，其具体布置在立柱4上的镜头1上方。
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有照明系统7，其具体布置在镜头1周围，并能够和镜头1、摄像机6一起在竖直方向沿立柱4动作。相关具体结构参见附图4、5。
本实施例综合应用远心光学镜头、两维转台2和三维直线坐标测量技术，成功研制出一台光轴方向带有一定景深的具有X、Y、Z三个直线轴和W、U两个旋转轴的五维测量系统。本实施例能够清晰地采集空间曲面上不规则小孔(或轴)轮廓曲线的图像，并对图像进行处理和计算，确定孔的大小和中心位置坐标。本实施例中，测量原理和流程如图1所示，详细的结构要求请参见附图2～5中内容，通过说明书结合现有技术可以很清楚地理解相关图形。
本实施例还在上述内容的基础上进一步研究开发相关的专用测量软件，用以解决叶片气膜孔图像的处理和计算、伺服系统控制、自动测量、手动测量和位置尺寸的评价等问题。可以采用软件控制三个直线坐标轴和两个旋转轴的位移，能够使五个坐标有序运动，从而能够实现全自动测量功能。
下面结合软件的操作详细说明处理过程：
1)首先，打开视像专用测量软件，出现如图3测量软件窗口如附图6所示。
2)点击“相机初始化”按钮初始化相机。
3)点击“开始显示”按钮显示采集的图像，根据图像调整光源的亮度，此时“开始显示”按钮变成“停止显示”，见图6测量窗口。
4)安装“基准校正器”，点击“零点”按钮(见图6测量窗口)校正零点。
5)点击“导入工件”按钮，导入工件文件，导入工件文件后，“导入工件”按钮变为无效状态。
6)点击“放置工件”按钮，工作台自动移动到适合工件放置的位置，电机停止运行后，放置工件。
7)点击“工件定位”按钮，工作台会自动移动到工件第一个孔的位置。
8)如果想查看工件圆孔的情况而不想检测圆孔，可以点击“浏览圆孔”按钮，此时按钮上的字变为“停止浏览”，工作台将自动移动工件查看所有圆孔；点击“停止浏览”按钮可以随时停止浏览。
9)点击“自动检测”按钮，可以实现圆孔的自动检测，不需人为干预，测量系统自动完成工件的检测。此时该按钮变成“停止自动检测”按钮。
10)点击“手动检测”按钮时，需要人工确定孔的区域，其它仍然是自动完成的，如远心光学镜头的移动、两维转台的旋转、工作台的移动等等。此时“手动检测”按钮变成“停止手动检测”按钮，点击“停止手动检测”按钮可以停止检测。手动检测、自动检测和浏览圆孔可以随时切换。
11)检测完成后，系统会弹出标有“当前工件检测完毕，请放入下一个工件！”的提示对话框，提示用户当前工件已将检测完毕。此时“放置工件”按钮变为有效，点击该按钮测量系统会自动移动到放置工件的位置。安装新的待检工件后，可有选择的重复7)到10)的操作方法完成工件检测任务。
(12)在退出软件之前，点击“归零”按钮，让工作台回到零位，然后点击“正常退出”按钮退出软件。
本实施例综合应用远心光学镜头、两维转台和三维直线坐标测量技术，成功研制出具有远心光学镜头的X(位于水平方向)、Y(位于水平方向)、Z(竖直方向)三个直线轴和W、U两个旋转轴(旋转轴W和U通过两维转台2实现转动)的五轴测量系统，经过试验可对某型航空发动机高涡叶片气膜孔位置尺寸进行测量，解决了空间曲面小孔(Φ1.5mm以下)的测量难题。
实施例2
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：
1)所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座5上的用于实现水平面内二维动作的工作台3具体分为两部分：X向工作台301、Y向工作台302；其中X向工作台301直接布置在基座5，Y向工作台302布置在X向工作台301上方而且二者相互接触；
2)立柱4固定在工作台3中Y向工作台302上。

Claims (7)

1.一种五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：其包含有镜头(1)、两维转台(2)、工作台(3)、立柱(4)、基座(5)；其中：
基座(5)水平布置在整个设备最底部；用于实现水平面内二维动作的工作台(3)布置在基座(5)上；立柱(4)固定在工作台(3)上；能实现竖直方向动作的镜头(1)布置在立柱(4)上部；
用于固定放置被测物体的两维转台(2)具体由两部分构成：布置连接在立柱(4)上且能实现绕水平轴旋转动作的转台基体(201)、布置连接在转台基体(201)上且能围绕与转台基体(201)的旋转轴心垂直的轴旋转的小转台(202)。
2.按照权利要求1所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，所述镜头(1)具体为远心光学镜头。
3.按照权利要求2所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座(5)上的用于实现水平面内二维动作的工作台(3)具体分为两部分：X向工作台(301)、Y向工作台(302)；二者其中之一直接布置在基座(5)，另一个布置在前一个上方而且二者相互接触；
立柱(4)固定在工作台(3)中X向工作台(301)或Y向工作台(302)二者中位于最上部的其中之一之上。
4.按照权利要求3所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，布置在基座(5)上的用于实现水平面内二维动作的工作台(3)具体分为两部分：X向工作台(301)、Y向工作台(302)；二者其中之一直接布置在基座(5)，另一个布置在前一个上方而且二者相互接触；
立柱(4)固定在工作台(3)中X向工作台(301)或Y向工作台(302)二者中位于最上部的其中之一之上。
5.按照权利要求1～4其中之一所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机(6)，其具体布置在立柱(4)上的镜头(1)上方；
所述两维转台(2)的转台基体(201)和小转台(202)中都设置有用于分别带动二者进行旋转动作的步进电机；
所述小转台(202)上还设置有用于装夹固定被测物体的卡具(203)。
6.按照权利要求5所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有摄像机(6)，其具体布置在立柱(4)上的镜头(1)上方。
7.按照权利要求6所述五维坐标远心光学测量系统，其特征在于：
所述五维坐标远心光学测量系统中，还设置有照明系统(7)，其具体布置在镜头(1)周围，并能够和镜头(1)、摄像机(6)一起在竖直方向沿立柱(4)动作。
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