專利名稱：大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，它涉及基于弦高法求圓的直徑的測(cè)量設(shè)備，具體地指一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
直徑光學(xué)測(cè)量裝置作為一種投影成像測(cè)量直徑的有力工具，在幾何形狀測(cè)量研究中獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)人員對(duì)此技術(shù)所進(jìn)行的大量研究，一直是以直接測(cè)量直徑的方法為主的。在“雙光束激光掃描尺寸測(cè)量系統(tǒng)”{見(jiàn)《半導(dǎo)體光電》1998，19(5)320～323}一文中，提出了一種典型的直徑投影成像測(cè)量方法及裝置，其特點(diǎn)是將被測(cè)的幾何回轉(zhuǎn)形體安裝在測(cè)量設(shè)備的機(jī)架上。該方法及裝置在測(cè)量中小直徑的幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)，其量程大、測(cè)量效果好。但在測(cè)量大輪徑的幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)，由于需要測(cè)量裝置本身作為定位基準(zhǔn)，故其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜，不僅定位誤差偏大、測(cè)量操作不便、測(cè)量精度下降，而且測(cè)量光路長(zhǎng)、光噪聲高、測(cè)量裝置的穩(wěn)定性也差。特別是在測(cè)量大輪徑、非圓柱幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)，它的測(cè)量效果更是顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、操作容易、測(cè)量精度高的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置。該裝置利用背投平行光源，基于弦高法求圓的直徑，非常適合于輪徑大于500mm的幾何回轉(zhuǎn)形體、特別是其踏面寬度大于80mm的幾何回轉(zhuǎn)形體的直徑測(cè)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，具有一個(gè)可以定位放置在被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面上方的機(jī)械定位組件，用以確定被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面的弦長(zhǎng)和該弦到機(jī)械定位組件基準(zhǔn)平面的距離；所述機(jī)械定位組件上安裝有一個(gè)用于從弦長(zhǎng)方向投影被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面輪廓的光學(xué)測(cè)量頭；所述光學(xué)測(cè)量頭由位于同一光路上依次布置的背投射激光源、擴(kuò)束鏡、光縫隙部件、成像透鏡部件、CCD攝像機(jī)、以及一個(gè)信號(hào)控制處理裝置構(gòu)成，所述信號(hào)控制處理裝置與背投射激光源和CCD攝像機(jī)相連，用于控制背投射激光源和CCD攝像機(jī)工作，并采集和處理CCD攝像機(jī)的光電位置信號(hào)；所述被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面位于所述光學(xué)測(cè)量頭的擴(kuò)束鏡和光縫隙組件之間，或者位于所述光學(xué)測(cè)量頭的光縫隙組件和成像透鏡部件之間。
定義所述被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體上的直角坐標(biāo)系為沿軸向?yàn)閄，沿弦弓高方向?yàn)閅，沿弦長(zhǎng)方向?yàn)閆。則所述光學(xué)測(cè)量頭背投平行光的方向?yàn)閆方向。這樣，當(dāng)所述機(jī)械定位組件確定了相對(duì)于被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體X向、Y方和Z向的位置后，也就確定了所述光學(xué)測(cè)量頭相對(duì)于被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的位置，具體地說(shuō)確定了被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面的弦長(zhǎng)和該弦在Y向的位置。
所述光學(xué)測(cè)量頭發(fā)出的背投射激光源經(jīng)擴(kuò)束鏡后，形成一個(gè)大的準(zhǔn)直激光束，并沿弦長(zhǎng)方向照射到被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體上，光源發(fā)出的光一部分由被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體截面輪廓遮擋，另一部分則經(jīng)光縫隙部件、成像透鏡部件照射到CCD攝像機(jī)上，形成了被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體截面輪廓的“像”。CCD攝像機(jī)將該“像”的尺寸信息轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)并二值化，形成包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD視頻信號(hào)。被測(cè)最高點(diǎn)位處透光部分的尺寸是Hi＝Ni×m。式中Ni是透光部分在CCD攝像機(jī)上所成“像”覆蓋CCD像素的個(gè)數(shù)，m為CCD圖像傳感器的像素中心距。Hi確定了被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體截面輪廓對(duì)應(yīng)某一具體X坐標(biāo)值處的具體Y坐標(biāo)值，具體Y坐標(biāo)值可以對(duì)應(yīng)具體弦的弓高值。該坐標(biāo)值由CCD攝像機(jī)轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)輸送給所述信號(hào)控制處理裝置，通過(guò)信號(hào)控制處理裝置從具體弦的長(zhǎng)度L和弓高值(Ho-Hi)可以求得被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體沿X向的具體位置的直徑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置直接以被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體為定位基準(zhǔn)，采用背投射大準(zhǔn)直激光束與光縫隙部件配合，僅對(duì)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體上的一段圓弧踏面進(jìn)行投影測(cè)量，有效解決了測(cè)量大輪徑、非圓柱幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)，典型直徑投影成像測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜的問(wèn)題，很方便地實(shí)現(xiàn)了輪徑大于500mm、特別是踏面寬度大于80mm的被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體沿軸向具體位置的直徑測(cè)量。與常規(guī)的直徑投影成像測(cè)量裝置相比，本發(fā)明的弦高法直徑光學(xué)測(cè)量裝置不僅具有光路短、光噪聲小、定位誤差少、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)小巧、制造簡(jiǎn)便、方便攜帶。其軸方向(X向)最小定位精度可達(dá)20um，弦的弓高方向(Y向)最小測(cè)量分辨率可達(dá)1um，直徑的最小分辨率可達(dá)5um。


圖1為一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為另一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的左視圖；圖5為本發(fā)明測(cè)量裝置的一種光學(xué)測(cè)量頭的工作原理示意圖；圖6為本發(fā)明測(cè)量裝置的另一種光學(xué)測(cè)量頭的工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1和圖2所示的一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，具有一個(gè)可以定位放置在被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面上方的機(jī)械定位組件7，該機(jī)械定位組件7可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何一種結(jié)構(gòu)形式，只要其能確定被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的弦長(zhǎng)L和該弦到機(jī)械定位組件7基準(zhǔn)平面的距離Ho即可。該機(jī)械定位組件7上安裝固定有一個(gè)用于從弦長(zhǎng)L方向投影被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面輪廓的光學(xué)測(cè)量頭，該光學(xué)測(cè)量頭由位于同一光路上依次布置的激光器1、擴(kuò)束鏡2、光縫隙板3、成像透鏡部件4、CCD攝像機(jī)5、以及一個(gè)信號(hào)控制處理裝置6構(gòu)成。其中信號(hào)控制處理裝置6與激光器1和CCD攝像機(jī)5相連，用于驅(qū)動(dòng)和控制激光器1和CCD攝像機(jī)5工作，同時(shí)采集CCD攝像機(jī)5的光電位置信號(hào)，并通過(guò)公知的弦高法求圓直徑的計(jì)算公式對(duì)所采集的光電位置信號(hào)進(jìn)行處理，求出被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的直徑。此部分也為成熟技術(shù)，于此不多贅述。
上述機(jī)械定位組件7最簡(jiǎn)捷穩(wěn)固的定位形式，就是在其上設(shè)置五個(gè)點(diǎn)定位塊P1、P2、P3、P4、P5，其中一個(gè)點(diǎn)定位塊P1與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的中間頂部接觸，另外兩個(gè)對(duì)稱的點(diǎn)定位塊P2、P3與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的兩側(cè)邊接觸，還有兩個(gè)對(duì)稱的點(diǎn)定位塊P4、P5與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的端面接觸。由此可確定整個(gè)測(cè)量裝置相對(duì)于被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的具體方位，也就確定了光學(xué)測(cè)量頭的位置。具體地說(shuō)接觸踏面兩側(cè)邊的點(diǎn)定位塊P2和P3確定了測(cè)量裝置在被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦弓高方向或者說(shuō)直徑方向(Y向)的位置，即確定了機(jī)械定位組件7的基準(zhǔn)面與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦之間的垂直距離Ho，同時(shí)確定了弦長(zhǎng)L；接觸踏面中間頂部的點(diǎn)定位塊P1確定了測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長(zhǎng)方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置；接觸端面兩側(cè)的點(diǎn)定位塊P4和P5確定了測(cè)量裝置沿被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的軸方向(X向)位置和測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長(zhǎng)方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置。此種定位方式適合于被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的踏面較寬的情況。
如圖3和圖4所示的另一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，是將點(diǎn)定位塊P1與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的接觸位置由踏面中間頂部改為端面中間接觸，其他的結(jié)構(gòu)和點(diǎn)定位塊的位置不變。具體地說(shuō)接觸踏面兩側(cè)邊的點(diǎn)定位塊P2和P3確定了測(cè)量裝置在被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦弓高方向或者說(shuō)直徑方向(Y向)的位置，即確定了機(jī)械定位組件7的基準(zhǔn)面與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦之間的垂直距離Ho，同時(shí)確定了弦長(zhǎng)L；接觸端面中間的定位塊P1確定了測(cè)量裝置沿軸方向(X向)的位置；接觸端面兩側(cè)的定位塊P4和P5確定了測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長(zhǎng)方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置和測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦弓高方向(Y向)旋轉(zhuǎn)位置。此種定位方式適合于被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的踏面較窄的情況。
如圖5所示為上述測(cè)量裝置的一種光學(xué)測(cè)量頭的工作原理示意圖，此時(shí)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面位于光學(xué)測(cè)量頭的擴(kuò)束鏡2和光縫隙板3之間。激光器1經(jīng)擴(kuò)束鏡1后，形成一個(gè)大的準(zhǔn)直激光束并照射到被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8上，光源發(fā)出的光一部分被被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的截面輪廓遮擋，另一部分則經(jīng)過(guò)光縫隙板3、成像透鏡部件4照射到CCD攝像機(jī)5上，形成被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8截面輪廓的“像”。CCD攝像機(jī)5將該“像”的尺寸信息轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)并二值化，形成了包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD視頻信號(hào)。被測(cè)最高點(diǎn)位處透光部分的尺寸為Hi＝Ni×m。式中Ni是透光部分在CCD攝像機(jī)5上所成“像”覆蓋CCD像素的個(gè)數(shù)，m為CCD圖像傳感器的像素中心距。Hi確定了被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8截面輪廓對(duì)應(yīng)某一具體X坐標(biāo)值處的具體Y坐標(biāo)值，具體Y坐標(biāo)值可以對(duì)應(yīng)具體弦的弓高值。該坐標(biāo)值由CCD攝像機(jī)5轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)輸送給信號(hào)控制處理裝置6，通過(guò)信號(hào)控制處理裝置6從具體弦的長(zhǎng)度L和弓高值H＝Ho-Hi可以求得被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8沿X向的具體位置的直徑D＝H+L2/4H。
如圖6所示為上述測(cè)量裝置的另一種光學(xué)測(cè)量頭的工作原理示意圖，此時(shí)被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面位于光學(xué)測(cè)量頭的光縫隙板3和成像透鏡部件4之間。光源發(fā)出的光先經(jīng)過(guò)光縫隙板3后，一部分被被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8的截面輪廓遮擋，另一部分經(jīng)過(guò)成像透鏡部件4照射到CCD攝像機(jī)5上，形成被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體8截面輪廓的“像”。其它工作原理與上相同，結(jié)果也相同。
更具體地上述激光器1采用功率為mW級(jí)、波長(zhǎng)λ為0.670μm的可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器。上述擴(kuò)束鏡2采用擴(kuò)束倍數(shù)大于15倍、且其間距可微調(diào)的透鏡組組成，例如由一個(gè)焦距為-10mm的凹透鏡和一個(gè)焦距為+200mm的凸透鏡組成，且透鏡組的間距可微調(diào)。上述光縫隙板3的光縫隙是寬度小于1mm、且直線度誤差為1/10縫寬的長(zhǎng)形縫隙板。上述成像透鏡部件4可以采用一個(gè)柱面鏡和一個(gè)成像透鏡組組成。上述CCD攝像機(jī)5為線陣或面陣CCD攝像機(jī)。測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明的測(cè)量裝置在測(cè)量輪徑大(＞500mm)、踏面寬(＞80mm)的幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧而簡(jiǎn)單，特別是在測(cè)量大輪徑、非圓柱狀幾何回轉(zhuǎn)形體時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明的測(cè)量裝置并不局限于上面所述的實(shí)施例，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容采用多種實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于它具有一個(gè)可以定位放置在被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的一段圓弧踏面上方的機(jī)械定位組件(7)，用以確定被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面的弦長(zhǎng)(L)和該弦到機(jī)械定位組件(7)基準(zhǔn)平面的距離(Ho)；所述機(jī)械定位組件(7)上安裝有一個(gè)用于從弦長(zhǎng)(L)方向投影被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面輪廓的光學(xué)測(cè)量頭，所述光學(xué)測(cè)量頭由位于同一光路上依次布置的背投射激光源(1)、擴(kuò)束鏡(2)、光縫隙部件(3)、成像透鏡部件(4)、CCD攝像機(jī)(5)、以及一個(gè)信號(hào)控制處理裝置(6)構(gòu)成，所述信號(hào)控制處理裝置(6)與背投射激光源(1)和CCD攝像機(jī)(5)相連，用于控制背投射激光源(1)和CCD攝像機(jī)(5)工作并采集和處CCD攝像機(jī)(5)的光電位置信號(hào)；所述被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面位于所述光學(xué)測(cè)量頭的擴(kuò)束鏡(2)和光縫隙組件(3)之間，或者位于所述光學(xué)測(cè)量頭的光縫隙組件(3)和成像透鏡部件(4)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的機(jī)械定位組件(7)上設(shè)置有五個(gè)點(diǎn)定位塊(P1、P2、P3、P4、P5)，其中一個(gè)點(diǎn)定位塊(P1)與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面的中間頂部接觸，或者與該段圓弧踏面的中間端面接觸；另外兩個(gè)對(duì)稱的點(diǎn)定位塊(P2、P3)與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面的兩側(cè)邊接觸，還有兩個(gè)對(duì)稱的點(diǎn)定位塊(P4、P5)與被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的端面接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的背投射激光源(1)采用功率為mW級(jí)、波長(zhǎng)λ為0.670μm的可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的擴(kuò)束鏡(2)采用擴(kuò)束倍數(shù)大于15倍、且其間距可微調(diào)的透鏡組組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的光縫隙部件(3)的光縫隙是寬度小于1mm、且直線度誤差為1/10縫寬的長(zhǎng)形縫隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的CCD攝像機(jī)(5)為線陣或面陣CCD攝像機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大輪徑外徑光學(xué)投影測(cè)量裝置，它具有一個(gè)機(jī)械定位組件，用以確定被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面弦長(zhǎng)和該弦到機(jī)械定位組件基準(zhǔn)平面的距離；所述機(jī)械定位組件上安裝有一個(gè)用于投影該段圓弧踏面輪廓的光學(xué)測(cè)量頭；所述光學(xué)測(cè)量頭由背投射激光源、擴(kuò)束鏡、光縫隙部件、成像透鏡部件、CCD攝像機(jī)、以及信號(hào)控制處理裝置構(gòu)成。所述被測(cè)幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面位于所述光學(xué)測(cè)量頭的擴(kuò)束鏡和光縫隙組件之間，或者位于所述光學(xué)測(cè)量頭的光縫隙組件和成像透鏡部件之間。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合輪徑大于500mm的幾何回轉(zhuǎn)形體、特別是其踏面寬度大于80mm的幾何回轉(zhuǎn)形體的直徑測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/08GK1752714SQ20051001966
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者盧紅 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)