專利名稱：大輪徑外徑光學投影測量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領域，它涉及基于弦高法求圓的直徑的測量設備，具體地指一種大輪徑外徑光學投影測量裝置。
背景技術(shù)：
直徑光學測量裝置作為一種投影成像測量直徑的有力工具，在幾何形狀測量研究中獲得了廣泛應用。近年來，科學技術(shù)人員對此技術(shù)所進行的大量研究，一直是以直接測量直徑的方法為主的。在“雙光束激光掃描尺寸測量系統(tǒng)”{見《半導體光電》1998，19(5)320～323}一文中，提出了一種典型的直徑投影成像測量方法及裝置，其特點是將被測的幾何回轉(zhuǎn)形體安裝在測量設備的機架上。該方法及裝置在測量中小直徑的幾何回轉(zhuǎn)形體時，其量程大、測量效果好。但在測量大輪徑的幾何回轉(zhuǎn)形體時，由于需要測量裝置本身作為定位基準，故其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大而復雜，不僅定位誤差偏大、測量操作不便、測量精度下降，而且測量光路長、光噪聲高、測量裝置的穩(wěn)定性也差。特別是在測量大輪徑、非圓柱幾何回轉(zhuǎn)形體時，它的測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)簡單、攜帶方便、操作容易、測量精度高的大輪徑外徑光學投影測量裝置。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)形體的直徑測量。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的大輪徑外徑光學投影測量裝置，具有一個可以定位放置在被測幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面上方的機械定位組件，用以確定被測幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面的弦長和該弦到機械定位組件基準平面的距離；所述機械定位組件上安裝有一個用于從弦長方向投影被測幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面輪廓的光學測量頭；所述光學測量頭由位于同一光路上依次布置的背投射激光源、擴束鏡、光縫隙部件、成像透鏡部件、CCD攝像機、以及一個信號控制處理裝置構(gòu)成，所述信號控制處理裝置與背投射激光源和CCD攝像機相連，用于控制背投射激光源和CCD攝像機工作，并采集和處理CCD攝像機的光電位置信號；所述被測幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面位于所述光學測量頭的擴束鏡和光縫隙組件之間，或者位于所述光學測量頭的光縫隙組件和成像透鏡部件之間。
定義所述被測幾何回轉(zhuǎn)形體上的直角坐標系為沿軸向為X，沿弦弓高方向為Y，沿弦長方向為Z。則所述光學測量頭背投平行光的方向為Z方向。這樣，當所述機械定位組件確定了相對于被測幾何回轉(zhuǎn)形體X向、Y方和Z向的位置后，也就確定了所述光學測量頭相對于被測幾何回轉(zhuǎn)形體的位置，具體地說確定了被測幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面的弦長和該弦在Y向的位置。
所述光學測量頭發(fā)出的背投射激光源經(jīng)擴束鏡后，形成一個大的準直激光束，并沿弦長方向照射到被測幾何回轉(zhuǎn)形體上，光源發(fā)出的光一部分由被測幾何回轉(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攝像機上，形成了被測幾何回轉(zhuǎn)形體截面輪廓的“像”。CCD攝像機將該“像”的尺寸信息轉(zhuǎn)化為視頻信號并二值化，形成包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD視頻信號。被測最高點位處透光部分的尺寸是Hi＝Ni×m。式中Ni是透光部分在CCD攝像機上所成“像”覆蓋CCD像素的個數(shù)，m為CCD圖像傳感器的像素中心距。Hi確定了被測幾何回轉(zhuǎn)形體截面輪廓對應某一具體X坐標值處的具體Y坐標值，具體Y坐標值可以對應具體弦的弓高值。該坐標值由CCD攝像機轉(zhuǎn)化為光電信號輸送給所述信號控制處理裝置，通過信號控制處理裝置從具體弦的長度L和弓高值(Ho-Hi)可以求得被測幾何回轉(zhuǎn)形體沿X向的具體位置的直徑。
本發(fā)明的優(yōu)點在于所設計的測量裝置直接以被測幾何回轉(zhuǎn)形體為定位基準，采用背投射大準直激光束與光縫隙部件配合，僅對被測幾何回轉(zhuǎn)形體上的一段圓弧踏面進行投影測量，有效解決了測量大輪徑、非圓柱幾何回轉(zhuǎn)形體時，典型直徑投影成像測量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大而復雜的問題，很方便地實現(xiàn)了輪徑大于500mm、特別是踏面寬度大于80mm的被測幾何回轉(zhuǎn)形體沿軸向具體位置的直徑測量。與常規(guī)的直徑投影成像測量裝置相比，本發(fā)明的弦高法直徑光學測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，而且結(jié)構(gòu)小巧、制造簡便、方便攜帶。其軸方向(X向)最小定位精度可達20um，弦的弓高方向(Y向)最小測量分辨率可達1um，直徑的最小分辨率可達5um。


圖1為一種大輪徑外徑光學投影測量裝置的結(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投影測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的左視圖；圖5為本發(fā)明測量裝置的一種光學測量頭的工作原理示意圖；圖6為本發(fā)明測量裝置的另一種光學測量頭的工作原理示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的大輪徑外徑光學投影測量裝置作進一步的詳細描述如圖1和圖2所示的一種大輪徑外徑光學投影測量裝置，具有一個可以定位放置在被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面上方的機械定位組件7，該機械定位組件7可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何一種結(jié)構(gòu)形式，只要其能確定被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的弦長L和該弦到機械定位組件7基準平面的距離Ho即可。該機械定位組件7上安裝固定有一個用于從弦長L方向投影被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面輪廓的光學測量頭，該光學測量頭由位于同一光路上依次布置的激光器1、擴束鏡2、光縫隙板3、成像透鏡部件4、CCD攝像機5、以及一個信號控制處理裝置6構(gòu)成。其中信號控制處理裝置6與激光器1和CCD攝像機5相連，用于驅(qū)動和控制激光器1和CCD攝像機5工作，同時采集CCD攝像機5的光電位置信號，并通過公知的弦高法求圓直徑的計算公式對所采集的光電位置信號進行處理，求出被測幾何回轉(zhuǎn)形體的直徑。此部分也為成熟技術(shù)，于此不多贅述。
上述機械定位組件7最簡捷穩(wěn)固的定位形式，就是在其上設置五個點定位塊P1、P2、P3、P4、P5，其中一個點定位塊P1與被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的中間頂部接觸，另外兩個對稱的點定位塊P2、P3與被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的該段圓弧踏面的兩側(cè)邊接觸，還有兩個對稱的點定位塊P4、P5與被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的端面接觸。由此可確定整個測量裝置相對于被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的具體方位，也就確定了光學測量頭的位置。具體地說接觸踏面兩側(cè)邊的點定位塊P2和P3確定了測量裝置在被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦弓高方向或者說直徑方向(Y向)的位置，即確定了機械定位組件7的基準面與被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦之間的垂直距離Ho，同時確定了弦長L；接觸踏面中間頂部的點定位塊P1確定了測量裝置對被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置；接觸端面兩側(cè)的點定位塊P4和P5確定了測量裝置沿被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的軸方向(X向)位置和測量裝置對被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置。此種定位方式適合于被測幾何回轉(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投影測量裝置，是將點定位塊P1與被測幾何回轉(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)和點定位塊的位置不變。具體地說接觸踏面兩側(cè)邊的點定位塊P2和P3確定了測量裝置在被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦弓高方向或者說直徑方向(Y向)的位置，即確定了機械定位組件7的基準面與被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦之間的垂直距離Ho，同時確定了弦長L；接觸端面中間的定位塊P1確定了測量裝置沿軸方向(X向)的位置；接觸端面兩側(cè)的定位塊P4和P5確定了測量裝置對被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的弦長方向(Z向)旋轉(zhuǎn)位置和測量裝置對被測幾何回轉(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所示為上述測量裝置的一種光學測量頭的工作原理示意圖，此時被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面位于光學測量頭的擴束鏡2和光縫隙板3之間。激光器1經(jīng)擴束鏡1后，形成一個大的準直激光束并照射到被測幾何回轉(zhuǎn)形體8上，光源發(fā)出的光一部分被被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的截面輪廓遮擋，另一部分則經(jīng)過光縫隙板3、成像透鏡部件4照射到CCD攝像機5上，形成被測幾何回轉(zhuǎn)形體8截面輪廓的“像”。CCD攝像機5將該“像”的尺寸信息轉(zhuǎn)化為視頻信號并二值化，形成了包含有透光部分尺寸信息的二值化CCD視頻信號。被測最高點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5上所成“像”覆蓋CCD像素的個數(shù)，m為CCD圖像傳感器的像素中心距。Hi確定了被測幾何回轉(zhuǎn)形體8截面輪廓對應某一具體X坐標值處的具體Y坐標值，具體Y坐標值可以對應具體弦的弓高值。該坐標值由CCD攝像機5轉(zhuǎn)化為光電信號輸送給信號控制處理裝置6，通過信號控制處理裝置6從具體弦的長度L和弓高值H＝Ho-Hi可以求得被測幾何回轉(zhuǎn)形體8沿X向的具體位置的直徑D＝H+L2/4H。
如圖6所示為上述測量裝置的另一種光學測量頭的工作原理示意圖，此時被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的一段圓弧踏面位于光學測量頭的光縫隙板3和成像透鏡部件4之間。光源發(fā)出的光先經(jīng)過光縫隙板3后，一部分被被測幾何回轉(zhuǎn)形體8的截面輪廓遮擋，另一部分經(jīng)過成像透鏡部件4照射到CCD攝像機5上，形成被測幾何回轉(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、波長λ為0.670μm的可見光半導體激光器。上述擴束鏡2采用擴束倍數(shù)大于15倍、且其間距可微調(diào)的透鏡組組成，例如由一個焦距為-10mm的凹透鏡和一個焦距為+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縫寬的長形縫隙板。上述成像透鏡部件4可以采用一個柱面鏡和一個成像透鏡組組成。上述CCD攝像機5為線陣或面陣CCD攝像機。測量實驗表明本發(fā)明的測量裝置在測量輪徑大(＞500mm)、踏面寬(＞80mm)的幾何回轉(zhuǎn)形體時，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧而簡單，特別是在測量大輪徑、非圓柱狀幾何回轉(zhuǎn)形體時具有明顯的優(yōu)勢。
本發(fā)明的測量裝置并不局限于上面所述的實施例，本領域一般技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容采用多種實施方式實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種大輪徑外徑光學投影測量裝置，其特征在于它具有一個可以定位放置在被測幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的一段圓弧踏面上方的機械定位組件(7)，用以確定被測幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面的弦長(L)和該弦到機械定位組件(7)基準平面的距離(Ho)；所述機械定位組件(7)上安裝有一個用于從弦長(L)方向投影被測幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面輪廓的光學測量頭，所述光學測量頭由位于同一光路上依次布置的背投射激光源(1)、擴束鏡(2)、光縫隙部件(3)、成像透鏡部件(4)、CCD攝像機(5)、以及一個信號控制處理裝置(6)構(gòu)成，所述信號控制處理裝置(6)與背投射激光源(1)和CCD攝像機(5)相連，用于控制背投射激光源(1)和CCD攝像機(5)工作并采集和處CCD攝像機(5)的光電位置信號；所述被測幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面位于所述光學測量頭的擴束鏡(2)和光縫隙組件(3)之間，或者位于所述光學測量頭的光縫隙組件(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投影測量裝置，其特征在于所說的機械定位組件(7)上設置有五個點定位塊(P1、P2、P3、P4、P5)，其中一個點定位塊(P1)與被測幾何回轉(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；另外兩個對稱的點定位塊(P2、P3)與被測幾何回轉(zhuǎn)形體(8)的該段圓弧踏面的兩側(cè)邊接觸，還有兩個對稱的點定位塊(P4、P5)與被測幾何回轉(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投影測量裝置，其特征在于所說的背投射激光源(1)采用功率為mW級、波長λ為0.670μm的可見光半導體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大輪徑外徑光學投影測量裝置，其特征在于所說的擴束鏡(2)采用擴束倍數(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投影測量裝置，其特征在于所說的光縫隙部件(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投影測量裝置，其特征在于所說的CCD攝像機(5)為線陣或面陣CCD攝像機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大輪徑外徑光學投影測量裝置，它具有一個機械定位組件，用以確定被測幾何回轉(zhuǎn)形體的一段圓弧踏面弦長和該弦到機械定位組件基準平面的距離；所述機械定位組件上安裝有一個用于投影該段圓弧踏面輪廓的光學測量頭；所述光學測量頭由背投射激光源、擴束鏡、光縫隙部件、成像透鏡部件、CCD攝像機、以及信號控制處理裝置構(gòu)成。所述被測幾何回轉(zhuǎn)形體的該段圓弧踏面位于所述光學測量頭的擴束鏡和光縫隙組件之間，或者位于所述光學測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)簡單、操作容易、測量精度高的優(yōu)點，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)形體的直徑測量。
文檔編號G01B11/08GK1752714SQ20051001966
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者盧紅 申請人:武漢理工大學