CN210650205U - 一种用于磨削加工的光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于磨削加工的光学测量系统，包括照明光源、承物台、投影光学组件、显示屏、计算机，待加工工件放置在承物台上，磨削加工时，照明光源照明待加工工件，投影光学组件将待加工工件的图像投射在显示屏的显示平面上；计算机控制显示平面显示预存的工件参考标尺图形，并定位在定位基线上，将工件参考标尺图形与待加工工件的投影进行比对，根据比对信息调整磨削加工设备的位移，进行磨削加工。本实用新型对投影物镜倍率的要求相对宽松，在透明显示屏上可快速完成标定和调整，能够很好满足高精度的工件磨削加工对在线检测的要求。

Description

一种用于磨削加工的光学测量系统

技术领域

本实用新型涉及精密机械加工装备和几何量测量领域，具体涉及一种用于精密磨削加工实时测量的光学测量系统。

背景技术

现代制造业的对机械加工装备的精度要求越来越高，精密机械磨削加工精度一般都在几个微米或更高。当精密机械加工水平达到微米量级时，考虑到磨削砂轮磨损及其他因素，必须考虑在线测量控制，光学投影影像测量技术是重要的在在线测量手段之一。以目前通用的光学曲线磨床为例，在线测量的光学投影系统，其原理与轮廓投影仪相同。测量时，根据投影系统的倍率，需要准确打出CAD设计图形的胶片，胶片上用刻线设备刻出线条极细的轮廓线。将此胶片放置在光学投影系统的投影屏上，人工进行胶片图形和工件投影图形的对准，根据之间的差异调整磨削砂轮加工进给量，实现对工件的微米级精密磨削加工。这种方式打印胶片及投影系统的倍率误差会直接影像磨削加工的精度，同时也对投影镜头的投影倍率要求很高，应用效率不高。

公开号为01139045的中国发明专利给出了一种模具快速图形测量方法，具有整体测量特点，比起接触式测量或逐点坐标测量，效率得到很大提高，原则上可以移植到普通磨削加工设备中。该方法使用一个CCD/CMOS图像摄像系统、拍摄工件的轮廓图，通过电脑显示屏显示并与工件CAD图进行比对，实现图像比对测量。但这种系统存在三个问题：一是受摄像头图像传感器尺寸限制，工件测量范围很小；二是成像图形的边界清晰度因传感器像素以及屏幕像素尺寸的影响，难以达到高的对准精度；第三是需要固定参考基线，整个系统可靠性不高。现有的计算机图形测量方法，虽具有快捷方便的优点，但图像传感器像素和显示屏像素尺寸均对影像的对准精度影响很大，精度远低于通用的轮廓投影仪，实际应用也同样受到限制。

实用新型内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型结合计算机图像处理技术及近年来大尺寸计算机透明显示屏技术的发展，将透明胶片的精细对准特点与计算机图形快速灵活的特点结合起来，提出一种用于精密磨削加工的光学测量系统，能够便捷实现高精度(微米级)及较大尺寸的在线几何量测量。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种用于磨削加工的光学测量系统，包括照明光源、承物台、投影光学组件、显示屏、计算机，待加工工件放置在承物台上，磨削加工时，照明光源照明待加工工件，投影光学组件将待加工工件的图像投射在显示屏的显示平面上；计算机控制所述显示平面显示预存的工件参考标尺图形，将所述工件参考标尺图形与待加工工件的投影图像进行比对，根据比对信息调整磨削加工设备的位移，进行磨削加工。本实用新型通过引入一个显示屏实现图形精密测量，能够很好满足高精度的工件磨削加工对在线检测的要求。

优选的，所述承物台三维方向位置可调。从而可根据不同待加工工件来调节工件与投影光学组件的位置，实现工件对焦，使工件在透明显示屏上的投影更为准确。

作为一种优选，所述投影光学组件为一投影物镜，一面为平面，一面为凸面，待加工工件设置在平面的前方，且在物镜焦点位置，光线经过凸面后聚焦到透明显示屏。

作为一种优选，所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，显示屏采用透明显示屏，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板反射后成像在透明显示屏上，在分光板后方设有显示屏背光源。采用这种结构，在投影成像时，显示屏上的照明更加均匀，可达到有益测量的目的。

作为一种优选，所述投影光学组件包括前置物镜、同轴光分光板、投影物镜和分光板，在同轴光分光板一侧设有同轴光光源，同轴光光源发出的光经同轴光分光板反射并经前置物镜准直在待加工工件表面，待加工工件表面反射的投影光束依次经前置透镜、同轴光分光板、投影物镜和分光板后，成像在透明显示屏上。采用该类型的投影光学组件，可以在对有凹陷或突出结构的工件进行加工时，减少光路总长。

更进一步的，所述前置物镜的镜头采用倍率为1的双远心镜头，倍率低于投影物镜。并可进行畸变和其他像差校正。

作为一种优选，所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板透射后成像在常规显示屏上，在分光板的反射方向设有观察窗。采用这种光学组件，可通过观察窗经过分光板对成像在显示屏上的图像进行观察测量。

优选的，所述用于磨削加工的光学测量系统采用箱体结构，在承物台位置留有伸出口，在显示屏上方对应的箱体处设有观察窗，在观察窗处设有读数放大镜，或者，安装一个可同时获取参考标尺图形边界和相对应的工件图形边界图像的摄像头。用于排除环境因素干扰，辅助定位工件投影图像的边界，进一步提高读数的准确度。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型将待加工工件的投影图直接投射在一块计算机显示屏上，当投影透镜的像差很好校正后，工件投影图的边界位置在显示屏上清晰确定，而与显示屏的显示像素无关。

2、本实用新型对投影物镜倍率的要求相对宽松，在透明显示屏上可快速完成标定和调整，根据工件设计值设定工件参考图并进行线速细分定位，很好解决了传统轮廓投影仪胶片的倍率严重依赖投影镜头的问题，系统更加可靠便捷。本实用新型很好解决了使用常规投影屏时、图像传感器所带来的视场和精度限制。

附图说明

图1是实施例1所示用于磨削加工的光学测量系统的结构示意图。

图1a是实施例1标定过程中P1向视图。

图1b是实施例1磨削加工过程中P1向视图。

图1c是图1b中S处放大图。

图1d是实施例1磨削加工过程中P2向视图。

图2是实施例2所示带有背光源的用于磨削加工的光学测量系统的结构示意图。

图3是实施例3所示带有前置物镜和同轴光光源的用于磨削加工的光学测量系统的结构示意图。

图4是实施例4所示应用常规显示屏替代透明显示屏的用于磨削加工的光学测量系统的结构示意图。

图中：1-照明光源，2-承物台，3-工件，4-投影物镜，5-透明显示屏，6-计算机，7-磨削砂轮，8-标准工件图像，9-标准工件参考标尺，10-显示屏光标，11-待加工工件图像，12-工件设计参考图，13-待加工工件参考标尺，14-理想边界，15-透明显示屏背光源，16-分光板，17-前置物镜，18-同轴光光源，19-同轴光分光板，20-常规显示屏。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种用于磨削加工的光学测量系统，该系统包括照明光源1、承物台2、投影物镜4、显示屏5、计算机6及显示屏背光源13等，其中显示屏5采用透明显示屏。照明光源1、承物台2、投影物镜4、透明显示屏5在一条光路上，在进行标定或者磨削加工时，先将工件放置在承物台2上，计算机6可控制承物台2进行三维方向的移动，实现工件对焦。测量时，照明光源1照明工件，投影物镜将待加工工件3投影在透明显示屏的显示平面上。下面对各个结构进行具体的说明。

本实施例中，照明光源1为透射光源。照明光束的中轴与工件的中心、投影物镜的光轴在同在一条直线上。

本实施例中，承物台2包括一三维运动机构和一支撑架，工件在磨削加工时固定在支撑架上，固定的方式有很多，例如通过嵌入卡扣方式、通过螺纹固定方式、通过磁性或启动吸盘固定等等，这里不再详述。

本实施例中的计算机6可采用普通计算机、工业计算机，也可以采用笔记本电脑、单片机等控制器，其实现的功能主要包括控制承物台实现移动，控制透明显示屏上进行图像的显示、处理和存储等。另外，根据实际需要，也可以对其他电控部件的开启和关闭进行控制。

本实施例中，透明显示屏与计算机相连，待加工工件的图像直接投射在透明显示屏上，同时透明显示屏还接收计算机传递的信息，用于显示参考标尺图形，这里通常是采用CAD图予以显示。用户可在该透明显示屏上对参考标尺的CAD图或者投影进行移动，用于标定或者测量。由于工件图像直接成像在一个透明显示屏上，避免了以往由摄像头获得工件图像对测量范围及精度的限制。

为了避免环境光线、温湿度等的影响，本实施例用于磨削加工的光学测量系统采用箱体结构，在承物台2位置留有伸出口，用于放置或者拿出标准工件和待加工工件。在透明显示屏上方对应的箱体处设有观察窗，用于用户进行比对、校准待加工工件位置等操作。另外，在观察窗处还可设置读数放大镜，用于提高人眼对边界位置甄别能力。或者，安装一个可同时获取参考标尺图形边界和相对应的工件图形边界图像的摄像头，用于辅助定位。

本实用新型对投影物镜倍率的要求相对宽松，在透明显示屏上可快速完成系统倍率的标定，根据工件设计值设定工件参考图并进行线速细分定位，很好解决了传统轮廓投影仪胶片的倍率严重依赖投影镜头的问题，系统更加可靠便捷。本实用新型初加工时，磨削砂轮只需按显示屏上的待加工工件参考标尺磨削即可。要实现精磨加工时，由于显示屏像素尺寸会使待加工工件参考标尺图形边界产生较大的对准量化误差，此时通过对显示像素进行细分来降低显示屏像素整数对准带来的不确定性，进而提高加工精度。

本实施例用于磨削加工的光学测量方法，包括步骤：

(1)获取标准工件在显示平面上显示的标准工件图像；在显示平面上显示预存的与标准工件设计尺寸对应的标准工件参考标尺，根据标准工件图像对标准工件参考标尺进行标定，获得投影光学组件的放大倍率；

(2)获取待加工工件在显示平面上显示的待加工工件图像，在显示平面上显示预存的与待加工工件设计尺寸对应的待加工工件参考标尺，将待加工工件图像和待加工工件参考标尺均定位在定位基线上，然后根据标定的投影光学组件的放大倍率，计算出理想边界，根据理想边界和待加工工件图像之间的像素差异值，控制移动砂轮对待加工工件进行磨削，实现精密磨削加工。

本实用新型参考标尺均是按照显示屏像素数的整数设定，其在显示平面上显示时边界是准确的整像素边界，相较于投影图像的边界，可以以透明显示屏的像素尺寸为最小分度单元，实现图形测量。

具体的，以一长度测量为例对上述方法进行进一步说明。

一、利用标准工件对系统进行标定，获得投影光学组件的放大倍率。

显示平面是由多个像素组成的一个阵列，像素可视为一个一个小方格，这些小方格都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定图像所呈现出来的样子，视为整个图像中不可分割的单位。在实际应用中，投影图像落在显示屏上时，不会恰恰好落在一个像素的边界上，正好占据一个完整的方格，实际上或多或少都会有错位，如果仅按照占据的完整像素数来计量，势必导致测量计算不准确。该步骤主要是获取标准工件在显示平面上显示的标准工件图像；在显示平面上按整数像素设定一个标准工件参考标尺，该参考标尺尽量与标准工件投影图重合，通过取得参考标尺两端与标准工件图两端之间的差异，对参考标尺长度进行休整，得到标准工件在显示屏上投影图的准确尺寸，计算得出测量系统的倍率。

参见图1a、b、c、d，具体步骤如下：

(1)将已知长度尺寸为L₀的标准工件(A₀B₀)固定在承物台2上，照明光源1照明标准工件3，调整物镜，使标准工件3的投影图像8清晰投影在透明显示屏5的显示平面上。图中标号10表示显示屏光标。

(2)在显示屏5上按显示屏像素数整数设定一个与标准工件图像8尽量重合的标准工件参考标尺9(A_sB_s)，记录该参考标尺长度包含的像素数目为m_s。

(3)放大观察标准工件3的投影图像8的边界与标准工件参考标尺9边界之间的差异，得到两端差异(按像素)分别为Δm₁和Δm₂，由此可系统标定放大率为：

式(1)中，σ为显示屏显示像素单元尺寸。

二、对待加工工件进行精密磨削加工。

该步骤主要是获取待加工工件在显示平面上显示的待加工工件图像11；确定定位基线，并根据光学测量系统标定的参数，在显示平面上显示待加工工件的工件设计参考图12，等同于待加工工件参考标尺12。以观察待加工工件在显示平面的S区域为例，设定待加工工件在显示屏上的理想边界14，控制砂轮7移动以对待加工工件进行磨削，使待加工工件投影图最终和理想边界14能够重合，即完成该工件的磨削加工。具体步骤如下：

(1)承物台上固定待精密加工的工件3，通过调焦，将待加工工件3的轮廓清晰成像在透明显示屏5上。如果被加工工件对应显示屏S处的设计高度h₀，根据系统倍率，可获得工件设计尺寸在该处的显示屏上高度为

h′₀＝h₀*β₀ (2)

或以像素表示

h′₀＝m*σ＝(m_h+Δm_h)*σ (3)

其中：显示屏上理想边界S处实际由两部分组成，即参考标尺高度对应的整数像素数m_h和像素细分值Δm_h。

(2)获得待加工工件图像边界(S处)与理想边界之间的像素差异值ε，并根据该值通过控制移动砂轮对工件磨削，使得ε趋于0，即完成该工件S处的精密磨削加工。

实施例2

实施例1所述仅为本实用新型的一个基本装置以及基本使用方法，在实际应用中，本实用新型可通过显而易见的改变和优化满足差异性使用要求。实施例1中，投影光同时也是透明显示屏的背光。本实施例为了使显示屏显示效果更好，增加一个专用的透明显示屏背光源15。

同时，本实施例投影光学组件包括投影物镜4和分光板16，显示屏采用透明显示屏，投影光束经投影物镜4后传输到分光板16上，经分光板16反射后成像在透明显示屏上，显示屏背光源15设置在分光板16后方。

本实施例中，分光板16具有部分反射和部分透射功能，投影光束经分光板反射后成像在透明显示屏上，同时点亮光源。光通过分光板后照明透明显示屏。在正常投影成像的同时，透明显示屏上的照明更加均匀，达到有益测量的目的。

实施例3

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

在实际工件磨削加工时，为了工件磨削加工时考虑到便利及安全需要，要求系统有较大的工作距(即工件至投影镜头之间的距离)。为此，本实施例提出可在投影物镜4前增加一个低倍率的前置物镜17。结构如图3所示。

本实施例中，该前置物镜设计成倍率为1的大工作距双远心镜头，并进行畸变和其他像差校正。由于采用了前置物镜，投影镜头的前工作距缩短，投影光路总长被压缩。

本实施例中，投影光学组件带有同轴光光源18，同轴光光源18经同轴光分光板19反射并经前置物镜17准直在工件表面，再经工件表面反射后投影成像在透明显示屏上。投影光学组件带有同轴光光源以保证表面图形结构的几何量测量。

实施例4

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

参见图4，本实施例中，将透明显示屏5换成常规显示屏20，同样可实现实施例1的基本功能。所述投影光学组件包括投影物镜4和分光板16，投影光束经投影物镜4后传输到分光板16上，经分光板16透射后成像在常规显示屏20上，之后图像经过分光板16便于观察测量。考虑到观察窗距离显示屏距离较远，必要时可在观察窗处设置辅助摄像头或测量放大镜辅助测量。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，包括照明光源、承物台、投影光学组件、显示屏、计算机，待加工工件放置在承物台上，磨削加工时，照明光源照明待加工工件，投影光学组件将待加工工件的图像投射在显示屏的显示平面上；计算机控制所述显示平面显示预存的工件参考标尺图形，并定位在定位基线上，将所述工件参考标尺图形与待加工工件的投影进行比对，根据比对信息调整磨削加工设备的位移，进行磨削加工。

2.根据权利要求1所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述承物台三维方向位置可调。

3.根据权利要求1所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，显示屏采用透明显示屏，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板反射后成像在透明显示屏上，在分光板后方设有显示屏背光源。

4.根据权利要求1所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述投影光学组件包括前置物镜、同轴光分光板、投影物镜和分光板，在同轴光分光板一侧设有同轴光光源，同轴光光源发出的光经同轴光分光板反射并经前置物镜准直在待加工工件表面，待加工工件表面反射的投影光束依次经前置透镜、同轴光分光板、投影物镜和分光板后，成像在透明显示屏上。

5.根据权利要求4所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述前置物镜的镜头采用倍率为1的双远心镜头，倍率低于投影物镜。

6.根据权利要求1所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述投影光学组件包括投影物镜和分光板，投影光束经投影物镜后传输到分光板上，经分光板透射后成像在常规显示屏上，在分光板的反射方向设有观察窗。

7.根据权利要求1所述的用于磨削加工的光学测量系统，其特征在于，所述用于磨削加工的光学测量系统采用箱体结构，在承物台位置留有伸出口，在显示屏上方对应的箱体处设有观察窗，在观察窗处设有读数放大镜，或者，安装一个可同时获取参考标尺图形边界和相对应的工件图形边界图像的摄像头。

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