專利名稱：表面形狀測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用光學(xué)原理對(duì)物體表面形狀進(jìn)行的表面形狀測(cè)量系統(tǒng)。
機(jī)械制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的檢測(cè)工作大都以事后抽樣檢驗(yàn)為主。首先，它無(wú)法像冶金、化工等行業(yè)的連續(xù)流程一樣實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制的全面自動(dòng)化，從而提供質(zhì)量、性能均一的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。隨著以ISO9000為代表的一系列質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)不斷推廣，在某些機(jī)械加工行業(yè)如葉輪機(jī)械制造行業(yè)、光學(xué)加工行業(yè)等需要對(duì)關(guān)鍵零件(對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、性能起決定作用的零部件)進(jìn)行100％檢測(cè)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，這種需求會(huì)愈來(lái)愈強(qiáng)烈、愈來(lái)愈普遍。其次，事后抽樣檢測(cè)無(wú)法預(yù)防報(bào)廢，無(wú)法挽回報(bào)廢造成的廢品損失。據(jù)國(guó)際勞工組織統(tǒng)計(jì)全球每年因產(chǎn)品質(zhì)量所造成的報(bào)廢損失相當(dāng)于全球年國(guó)民總產(chǎn)值的5％。我國(guó)的情況更為嚴(yán)重，其損失量是我國(guó)年國(guó)民總產(chǎn)值的10％-15％。僅葉片機(jī)械制造行業(yè)中葉片加工一項(xiàng)每年損失就達(dá)10-15億元人民幣。
現(xiàn)有物體表面測(cè)量技術(shù)存在著無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量的缺點(diǎn)，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)雖然測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)，但只能做離線測(cè)量，而且測(cè)量時(shí)儀器要接觸被測(cè)體。移動(dòng)式工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量方法上雖可做到非接觸測(cè)量，而且可對(duì)軟材料進(jìn)行測(cè)量，但仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。此外逐塊式三維形狀測(cè)量系統(tǒng)雖可做到準(zhǔn)在線測(cè)量，但其精度較低，且系統(tǒng)價(jià)格昂貴，上述三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)價(jià)格也相當(dāng)昂貴，而且這些儀器的維護(hù)費(fèi)用也很高。
因此，目前很需要一種對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行100％跟蹤檢查的表面形狀測(cè)量系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的就是提供一種可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量的快速并可不接觸被測(cè)物的表面測(cè)量系統(tǒng)，且系統(tǒng)性能價(jià)格比高。本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案完成表面形狀測(cè)量系統(tǒng)是利用投影云紋干涉技術(shù)獲取條紋圖像中的型面特征信息。經(jīng)投影云紋干涉儀生成的含有被測(cè)物體表面高度分布信息的云紋條紋圖像，由CCD攝像機(jī)將云紋條紋圖像轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，把這一信號(hào)送入圖像處理板轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字圖像信號(hào)。經(jīng)過(guò)相移器處理后的多幅圖像存入計(jì)算機(jī)，并根據(jù)相移算法、去包裹算法以及型面信息提取算法將數(shù)字圖像逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換成物體各點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值，并能在1-5分鐘內(nèi)完成被測(cè)物體表面形狀測(cè)量的全部過(guò)程。計(jì)算機(jī)既可以顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，也可以將測(cè)量數(shù)據(jù)繪制成各種模式的計(jì)算機(jī)圖形。
以下結(jié)合
實(shí)施例參見圖1表面形狀測(cè)量系統(tǒng)包含投影云紋干涉儀、載物臺(tái)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)三大部分，它們?nèi)堪惭b在同一個(gè)工作臺(tái)面上。
投影云紋干涉儀包括投影臂12、接收臂14和移動(dòng)平臺(tái)13等幾部分。接收臂和投影臂通過(guò)定位銷固定在移動(dòng)平臺(tái)上，接收臂的光學(xué)中心與投影臂的光學(xué)中心在一個(gè)工作面內(nèi)，并且與移動(dòng)平臺(tái)平行。移動(dòng)平臺(tái)由臺(tái)面、精密直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌1、導(dǎo)軌軸承2、絲杠螺母3、步進(jìn)電機(jī)5、傳動(dòng)絲杠4組成，并通過(guò)定位銷固定在工作臺(tái)上。
參見圖2，投影臂由校準(zhǔn)光源12-1、分劃板12-2，成像透鏡12-3、分光鏡12-4、相移器12-5、光柵12-6、投影光源12-7及冷卻風(fēng)扇12-8構(gòu)成。參見圖3接收臂由觀測(cè)目鏡14-1、分劃板12-2、成像透鏡14-3、分光鏡14-4、光柵14-5、場(chǎng)鏡14-6，物鏡14-7及攝像機(jī)14-8構(gòu)成。
載物臺(tái)10通過(guò)定位銷與工作臺(tái)連接，其臺(tái)面的原點(diǎn)與定位銷的相對(duì)位置固定。在載物臺(tái)的臺(tái)面上，安裝有夾具定位裝置，以便于被測(cè)工件的定位，此外，圖1中9為底平臺(tái)，11為被測(cè)物。
計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)可選用市場(chǎng)上現(xiàn)有一般機(jī)型，具體包括顯示器6、計(jì)算機(jī)7、控制箱8及圖像處理板和圖像處理軟件包等。圖像處理板將視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存入計(jì)算機(jī)，并由圖像處理軟件包處理。圖像處理軟件包包含圖像的采集、處理、運(yùn)算、圖像圖形變換和顯示等功能，還能夠控制相移器和移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)電路方框圖如圖4所示。
如圖1所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉身測(cè)量為例，整個(gè)臺(tái)面尺寸可設(shè)計(jì)為1×2米。具體測(cè)量步驟如下將被測(cè)物葉片安裝在葉片的定位夾具上，葉片的定位夾具置于該裝置的載物工作臺(tái)上。從投影臂發(fā)出的定位光線(十字線)投影到被測(cè)葉片的表面，在被測(cè)葉片的表面上可以觀察到這個(gè)定位光線，通過(guò)接收臂上的觀察目鏡即可看到這個(gè)定位光線在觀察目鏡的分劃板上的像。通過(guò)調(diào)整移動(dòng)工作臺(tái)，使定位光線的像與分劃板上的十字線重合，這樣即完成了被測(cè)葉片的幾何調(diào)整工作。將投影臂上的定位光線關(guān)閉，打開其光柵光源，將光柵投影到被測(cè)葉片的表面上。由于被測(cè)葉片的表面的曲率變化，使得投影柵線被葉片表面所調(diào)制，投影柵柵距就會(huì)發(fā)生微小的變化，柵距的微小變化由接收臂上的成像光學(xué)透鏡成像在標(biāo)準(zhǔn)光柵上，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光柵即可觀察到云紋條紋。這個(gè)云紋條紋載有被測(cè)葉片的形狀信息。采用CCD攝像機(jī)接收這個(gè)云紋條紋圖并將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送給圖像處理板進(jìn)行圖像的數(shù)字化變換，變換后的圖像信號(hào)由計(jì)算機(jī)接收和處理。通過(guò)安裝在投影臂上的光柵相移器實(shí)現(xiàn)相移處理，相移量為1／3光柵柵距，相移次數(shù)為2次，計(jì)算機(jī)采集原始的云紋圖像和每次相移后的云紋圖像。這些被記錄的圖像由型面處理軟件進(jìn)行相移運(yùn)算、去包裹運(yùn)算、型面處理變換及圖形變換等處理，即可在計(jì)算機(jī)上得到被測(cè)葉片的型面信息。
本實(shí)用新型的有益效果；本實(shí)用新型具有非接觸、快速、全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。它的全場(chǎng)測(cè)量的特性，特別適用于同步測(cè)量方面的要求。而它的非接觸測(cè)量的特性，對(duì)于易于變形的軟材料、不可觸及或不允許觸及的材料的形狀測(cè)量有極大的優(yōu)勢(shì)。測(cè)量速度快的優(yōu)勢(shì)，使得在線測(cè)量成為可能。整個(gè)系統(tǒng)的控制、分析等工作全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，在測(cè)量和分析的速度上是其他測(cè)量手段所無(wú)法比擬的。本實(shí)用新型可達(dá)到如下指標(biāo)1．測(cè)量范圍最大200×150mm2．測(cè)量速度1-5Min3．測(cè)量精度0．02mm
權(quán)利要求1．一種表面形狀測(cè)量系統(tǒng)由投影云紋干涉儀、載物臺(tái)及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)組成，其特征在于(1)投影云紋干涉儀的投影臂和接收臂通過(guò)定位銷固定在移動(dòng)平臺(tái)上(2)接收臂的光學(xué)中心與投影臂的光學(xué)中心在一個(gè)工作平面內(nèi)并與投影云紋干涉儀的移動(dòng)平臺(tái)平行(3)移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)定位銷固定在工作臺(tái)面上。
2．如權(quán)利要求1所述的表面形狀測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述載物臺(tái)通過(guò)定位銷與工作臺(tái)連接，其臺(tái)面原點(diǎn)與定位銷的相對(duì)位置固定。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域,特別涉及物體表面形狀測(cè)量系統(tǒng)。本實(shí)用新型由投影云紋干涉儀、載物臺(tái)及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)三部分組成,全部安裝在一個(gè)工作臺(tái)面上。測(cè)量時(shí),將被測(cè)物體安裝在載物臺(tái),利用云紋干涉技術(shù)獲取表面型面特征信息,由攝像機(jī)接收并由計(jì)算機(jī)將信息處理以形成物體表面各點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo),全部測(cè)量在1—5分鐘完成。本實(shí)用新型測(cè)量系統(tǒng)具有非接觸、快捷和全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),特別適用于機(jī)器制造領(lǐng)域的葉片制造業(yè)及其他高科技制造領(lǐng)域的物體表面形狀測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/95GK2414414SQ9925760
公開日2001年1月10日 申請(qǐng)日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月22日
發(fā)明者邱大明 申請(qǐng)人:北京中聯(lián)發(fā)機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司