基于光譜共焦及三角法原理的白光測頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種白光測頭系統(tǒng)和方法。更具體地，設(shè)計(jì)一種基于光譜共焦原理和三角法原理進(jìn)行位移測量的白光測頭系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國的航空、航天、汽車和造船等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，對產(chǎn)品的零部件外形及尺寸的精度，特別是“空間復(fù)雜曲面零件”的工藝水平及精度要求越來越高，如，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的葉片、螺旋葉片、輪機(jī)葉片、復(fù)雜刀具等。能否對復(fù)雜曲面零件進(jìn)行高效率、高精度的檢測，將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。
[0003]能對復(fù)雜曲面零件進(jìn)行高效率、高精度測量的技術(shù)手段業(yè)內(nèi)一般稱作“坐標(biāo)測量機(jī)測頭”。測頭通常分為接觸式測頭與非接觸式測頭兩類。前者主要是機(jī)械式測頭，后者主要是光學(xué)測頭。
[0004]非接觸式測頭，即光學(xué)測頭，采用光學(xué)方法進(jìn)行測量。具有如下優(yōu)點(diǎn):1)無傷檢測:因是非接觸測量，所以沒有測量力，可測量柔軟和易變形件、脆性和易損件，特別適合那些不允許接觸的場合；⑵可遠(yuǎn)距離測量:即，可遠(yuǎn)離被測工件對曲面進(jìn)行掃描測量；⑶測量效率高:不像接觸測頭那樣需要探測、退回、移動等進(jìn)行逐點(diǎn)測量，可高速掃描測量；(4)測量精度高:因光斑可做得很小，進(jìn)而可探測一般機(jī)械測頭難以探測的部位，并無需測頭半徑補(bǔ)償。
[0005]光學(xué)測頭以三角測量法應(yīng)用最為廣泛。三角測量法主要基于光學(xué)三角法測量原理，具體說來，就是利用光源、像點(diǎn)和物點(diǎn)之間的三角關(guān)系來求得物點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)的三角法光學(xué)測頭所用光源主要是激光光源，因?yàn)榧す饩哂辛炼雀?、探測信噪比高的優(yōu)點(diǎn)。但激光測頭進(jìn)行三角測量時(shí)，照射到物體表面的激光會呈現(xiàn)顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這種顆粒狀的結(jié)構(gòu)稱為“散斑”。由于散斑效應(yīng)的存在，確定像點(diǎn)的質(zhì)心位置變得異常困難，導(dǎo)致三角法測量誤差很大，測量光潔度高的物體表面時(shí)更為明顯。如果用白光作為三角法測量的光源，在物體表面反射后，不會出現(xiàn)散斑效應(yīng)，得到的是分布均勻且對稱的光點(diǎn)，這樣就能大大提高三角法的測量精度。
[0006]光學(xué)三角法目前的測量精度為十幾微米，為了更精細(xì)的測量位移，需要采用新型位移測量技術(shù)。
[0007]光譜共焦技術(shù)是基于共焦原理并結(jié)合光譜信息進(jìn)行微位移測量的一種新技術(shù)。該系統(tǒng)光源為白光源，通過透鏡組發(fā)生光譜色散，不同波長的單色光聚焦到不同的軸向位置，被被測物體表面反射并被透鏡組聚焦到針孔，針孔后的光譜儀得到一個(gè)光譜峰，光譜峰的峰值位置對應(yīng)聚焦于被測物體表面的波長，可以換算為距離值。
[0008]光譜共焦系統(tǒng)在物體表面形成的是一系列單色光形成的光斑，如果精心設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，可以讓該光斑的尺寸減小到幾十微米，從而可以為三角法測量提供滿足要求的白光點(diǎn)光源。
[0009]光譜共焦技術(shù)的測量精度與測量范圍有關(guān)，小的測量范圍可以得到更高的精度，比如，測量范圍為幾十微米的光譜共焦位移傳感器測量精度可以達(dá)到0.0l微米。
[0010]三角法和光譜共焦技術(shù)相結(jié)合可以同時(shí)兼顧大量程和高精度。比如，三角法量程為10厘米時(shí)，三角法測量精度可達(dá)到十幾微米；光譜共焦技術(shù)測量范圍為幾十微米時(shí)，測量精度可以達(dá)到< 0.1微米，兩種方法測量數(shù)據(jù)融合就可以達(dá)到測量范圍10厘米，測量精度0.1微米的指標(biāo)，這樣，相對測量精度就可以達(dá)到I / 150

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提出一種基于光譜共焦和三角法原理的白光測頭，實(shí)現(xiàn)大量程、高精度位移測量。
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下方案:
[0013]一種基于光譜共焦和三角法原理的白光測頭系統(tǒng)，其由光譜共焦測量模塊、三角法測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及運(yùn)動控制模塊組成；
[0014]其中，
[0015]光譜共焦測量模塊由白光光源、Y型光纖、光譜共焦透鏡組、光譜測量模塊組成，白光光源耦合到Y(jié)型光纖中，Y型光纖出射的白光經(jīng)光譜共焦透鏡組成像到工件上，被工件表面反射的光再經(jīng)光譜共焦透鏡組聚焦進(jìn)Y型光纖，并經(jīng)Y型光纖傳導(dǎo)到光譜測量模塊中，光譜測量模塊完成回光的光譜測量，并把測量結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；
[0016]三角測量模塊由成像透鏡組和面陣CXD組成，成像透鏡組實(shí)現(xiàn)把光譜共焦測量模塊投影在被測工件表面的白光點(diǎn)成像到面陣CCD上，面陣CCD實(shí)現(xiàn)白光點(diǎn)像探測并傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；
[0017]數(shù)據(jù)處理模塊包括光譜數(shù)據(jù)處理模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)融合模塊。其中那個(gè)光譜數(shù)據(jù)處理模塊處理光譜共焦測量模塊輸出的光譜數(shù)據(jù)，得到光譜峰值；圖像數(shù)據(jù)處理模塊處理三角測量模塊中的CCD采集輸出的圖像數(shù)據(jù)，提取白光像點(diǎn)中心；數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)光譜數(shù)據(jù)處理模塊輸出的光譜峰值計(jì)算位移量，并根據(jù)圖像數(shù)據(jù)處理模塊輸出的白光像點(diǎn)中心坐標(biāo)計(jì)算位移量，再把兩種不同精度的位移量進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)大量程、高精度位移測量；
[0018]運(yùn)動控制模塊控制白光測頭相對工件的運(yùn)動，保證測頭和工件的距離在光譜共焦測量模塊的測量范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量；
[0019]在一些實(shí)施例中，所述光譜共焦測量模塊中的白光光源可以采用鹵鎢燈、白光LED或者其他寬帶白光源。
[0020]在一些實(shí)施例中,所述光譜共焦測量模塊中的光譜儀光譜測量范圍應(yīng)該包括白光光源的大部分或全部可見-近紅外光譜段。
[0021]在一些實(shí)施例中，所述光譜共焦測量模塊中的Y型光纖是單向傳輸?shù)?，即，白光源從Y型光纖一個(gè)輸入端耦合輸入，而反射回來的光從另一輸入端輸出到光譜儀。
[0022]在一些實(shí)施例中，所述光譜共焦測量模塊中的光譜共焦透鏡組可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)，達(dá)到所需的測量范圍、測量精度的指標(biāo)。
[0023]在一些實(shí)施例中，所述三角測量模塊中的CXD也可采用線陣(XD，這時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊中的圖像處理模塊用于提取一維圖像的中點(diǎn)。
[0024]一種采用基于光譜共焦和三角法原理的白光測頭實(shí)現(xiàn)位移測量的方法，包括以下步驟:
[0025]I光譜共焦測量模塊中的白光光源發(fā)出的白光耦合進(jìn)Y型光纖中的一個(gè)輸入端，并從輸出端輸出，輸出的白光經(jīng)光譜共焦透鏡組聚焦到工件表面；
[0026]2聚焦到工件表面的白光被工件反射，部分反射光再次經(jīng)光譜共焦透鏡組聚焦到Y(jié)型光纖的輸出端，經(jīng)Y型光纖傳輸在另一個(gè)輸入端輸出到光譜測量模塊中；
[0027]3光譜共焦測量模塊中的光譜測量模塊測量Y型光纖輸出的光譜，并傳送給數(shù)據(jù)處理模塊中的光譜數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)光譜共焦原理，得到的光譜是近似高斯型的曲線；
[0028]4數(shù)據(jù)處理模塊包括光譜數(shù)據(jù)處理模塊提取光譜曲線的中心波長，并把中心波長值傳給數(shù)據(jù)融合模塊；
[0029]5被測工件表面反射的部分反射光經(jīng)三角測量模塊中的成像透鏡組成像到三角測量模塊中的CCD上，CCD探測圖像信息并輸出給數(shù)據(jù)處理模塊；
[0030]6數(shù)據(jù)處理模塊中的圖像數(shù)據(jù)處理模塊提取圖像(一般為圓光斑或橢圓光斑)的中心點(diǎn)，并把中心點(diǎn)坐標(biāo)值傳給數(shù)據(jù)融合模塊。
[0031]7數(shù)據(jù)處理模塊中的數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)光譜數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)闹行牟ㄩL圖計(jì)算得到一個(gè)工件距離測頭的距離值，并根據(jù)圖像數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)膱D像中心坐標(biāo)值計(jì)算得到工件到測頭的另一個(gè)距離值，兩個(gè)距離值具有不同的測量精度；
[0032]8數(shù)據(jù)融合模塊對兩個(gè)不同精度的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到最終的距離值；
[0033]9如果工件到測頭的距離超過了光譜共焦測量模塊的測量范圍，數(shù)據(jù)融合模塊會發(fā)出指令給運(yùn)動控制模塊，通過運(yùn)動控制模塊來調(diào)整測頭位置，并并行上述步驟。
[0034]本發(fā)明提出的基于光譜共焦和三角法原理的白光測頭利用光譜共焦測量模塊在工件表面產(chǎn)生的白光點(diǎn)作為三角法測量模塊的白光測點(diǎn)，充分吸取了目前國際上流行的白光檢測的技術(shù)優(yōu)勢；并且利用三角法測量值作為光譜共焦測量模塊的定位信息，來保證被測工件處于光譜共焦測量模塊的測量范圍內(nèi)；又充分結(jié)合了三角法測量范圍較大和光譜共焦法測量精度高的特點(diǎn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)大量程、高精度的位移測量。
【附圖說明】
[0035]圖1所示為白光測頭系統(tǒng)模塊組成；
[0036]圖2所示白光測頭光學(xué)系統(tǒng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，解析本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神，藉由以下通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0038]本發(fā)明提出了一種用于坐標(biāo)測量機(jī)的白光測頭系統(tǒng)和方法，具體來說，就是基于光譜共焦技術(shù)和三角法原理的白光測頭，可