专利名称：以数控铣床为母机的三维断层反求测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测量技术领域，涉及反求工程的测量装置，更进一步涉及一种以数控铣床为母机可同时精密测量复杂零件的内外表面的三维断层反求测量装置。
背景技术：
本装置所采用的反求测量技术属于一种断层反求测量技术。在理论上，不管零件的复杂程度如何，断层测量技术不光可以测量出零件的外表面几何数据，而且还可以测量内腔的几何尺寸，这一功能是三座标测量仪与以激光三角法为代表的光学反求测量技术所难以实现的。目前，在机械工程领域，断层测量技术包括工业计算机断层扫描技术(ICT)、磁共振图象法(MRI)、超声波数字化断层测量法和“破坏性”的断层测量技术。对于ICT，它和医用CT的原理基本上相同，由于不同的物体和组织对X射线的吸收系数不一样，这种不一样便成了该测量方法重构三维图形的基础，然后利用数学的方法构建物体的断层图象。这种方法是目前比较先进和应用最广泛一种非接触式断层测量方法。它能对物体的内部结构进行测量，特别针对有内腔物体的无损三维测量，但在目前的技术条件下，它存在空间分辨率较低，获得数据需要较长的积分时间，设备造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点。对于核磁共振图象法，根据它的测量原理与特点，它有望在医学领域有广泛的应用前景，该方法同样存在着测量时间长、设备昂贵、目前对非生物材料不实用的缺点。对于超声波数字化断层测量法，相对ICT或MRI而言，其设备简单，成本较低，但测量速度较慢，且由于各种回波比较杂乱，必须精确地测量出超声波在被测材料中的传播声速，利用数学模型的计算来定出每一层边缘的位置，特别是若物体中有缺陷，受物体材料及表面特性的影响，则测量出的数据可靠性较低，该方法主要用于无损探伤及厚度检测。为了克服上述技术存在的不足，便产生了“破坏性”的断层测量技术(它的破坏性指的是采用数控铣床切削，获取被测零件的截面，测量完之后，被测零件也就被切削完，不再恢复其完整性)，其基本测量原理是利用数控铣床以一定的切削厚度逐层切削被测零件，每切削完一层，便利用高分辨率的数码相机拍摄截面图象，重复上述步骤，直至整个零件被切削完，所有截面图象已被摄取，然后将全部截面图象进行图象预处理、零件轮廓提取，重构出零件的三维模型，最后利用不同的数据接口，导出所需格式的文件。这种测量方法虽然对被测零件具有破坏性，但它测量原理简单、极易实现、测量速度相对较快、测量精度高、测量不受零件的纹理材质、复杂程度和周围媒介的影响，而且测量设备相对其它断层测量设备不昂贵，因此，该测量技术是一种先进的、极具发展前景的断层测量技术。
目前在国内外这方面研究有一是“层析三维数字化测量技术”和“层析式逆工程三维测量装置”，专利号为97239460.5。二是“层析三维数字化测量机”，“层析数字化测量机”，“层析数字化测量头”，专利号依次是99246569.9、99247352.2、99247387.X。三是美国CGI公司，开发出的层去图象法反求测量设备的系列产品，如CSS-300 SYSTEM、CSS-1000 SYSTEM、CSS-3000 SYSTEM，并就Cross-Sectional Scanning technology and Spec.CheckTMMeasurement Software申请了专利。
由查新的资料知美国CGI公司开发的测量设备专用性强，不能利用现有的数控铣床资源，设备体积大，运输不便，价格昂贵，同时他们集切削机构与测量机构与一体，从而使得测量精度会受到切削机构振动的影响；而“层析式逆工程三维测量装置”，其设备质量大、运输不便，同时，它不是立足于现有的数控铣床，因此，一方面使得它专用性强，一旦脱离装置本身的材料切削机构或是材料切削机构发生故障，那么其它正常装置便也丧失其应有的功能，另一方面，没有利用现有的数控铣床资源，这使得在实现同样的反求测量辅助功能时，他们所选用的装置复杂，甚至可以说是多余，例如采用激光测距仪实时检测被测零件与扫描测量镜头的距离、利用计算机闭环实时控制扫描测量镜头与被测零件的高度一致、采用负压排屑等，这大大增加了设备硬件和软件开发的复杂度，导致设备结构相对复杂，价格昂贵，同时他们的测量也受到了切削机构振动的影响；又如专利号99246569.9、99247352.2、99247387.X虽然包含了数控铣床，但其测量仪采用支架与数控铣床主轴箱进行钻孔连接方式进行连接，因此一方面它只能应用于某种型号的数控铣床，这就使得它的应用范围受到了很大的限制，另一方面，测量仪利用支架与数控铣床的主轴箱固联，主轴箱细微的震动对测量仪测量的精度都会有较大的影响；同时，其测量仪没有提供恒定不变的拍摄测量光源，利用环境光作为拍摄光源，这大大降低了测量的精度。
发明内容
针对上述现有设备存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种可当作数控铣床柔性附件的反求测量装置，但在空间位置上，该测量装置完全独立于数控铣床，避免了工作时数控铣床的振动给反求测量带来的精度影响。该装置以现有的数控铣床为母机(即利用数控铣床来完成断层测量所要求的截面自动铣削)，而且能与不同类型的数控铣床配合使用，与数控铣床快速构成三维断层反求测量系统，对具有切削加工性能的任何复杂物体的外形和内腔同时进行精密测量，整个测量过程自动完成，无需人工干预，同时测量不受被测物体的材料(前提是该材料可进行切削加工)、色泽、表面其它物理特性和环境的影响，且测量精度高于一般的三维光电测量装置。
为实现上述发明目的，本实用新型技术方案是一种以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特点是，该装置由计算机控制系统、数码拍摄测量机构和悬架连接机构构成；1)计算机控制系统，由计算机、信号传输线、数字量信号输入/输出板、行程开关和数据传输线构成，行程开关用于固定在数控铣床的床身上；2)数码拍摄测量机构，由一用于安装数码拍摄测量装置的箱体、一用于安装高频整流器的小箱体、一高分辨率的数码相机、两个长管状高频日光灯、两个高频整流器构成，其中高分辨率的数码相机和两个长管状高频日光灯安装在箱体内，长管状高频日光灯安装有灯管防护罩，安装在小箱体内的高频整流器实现高频日光灯的无频闪；高分辨率的数码相机将采集的图象通过数据传输线传递给计算机；3)悬架连接机构，由一三角架、两个松紧旋纽、一托板、一连接杆构成，三脚架有一个可以升降的竖杆；托板连接在该竖杆的端部，通过调节松紧旋纽，托板可绕三脚架轴线进行任意角度的旋转和在任意角度方向上的固定；连接杆一端连接在托板上，另一端与数码拍摄测量机构的箱体相连，形成悬臂梁机构，同时，连接杆上有三个不同的工作位，根据所配合使用的数控铣床工作台的尺寸，选择相应的工作位将连接杆固定在托板上，以改变悬臂梁悬出的长度来保证连接杆的强度要求和三脚架支持的稳定性要求。
本实用新型的其它一些特点是，所述行程开关采用磁铁和金属压块固定在数控铣床的床身上。
本实用新型的反求测量装置以数控铣床为母机，可作为多种不同类型数控铣床的柔性附件，能快速安装，与数控铣床组成三维反求测量系统，可对具有切削性能的任何复杂零件进行内外表面自动精密的三维反求测量。
本实用新型的优点是1)对零件进行数控铣削，采用高分辨率的数码相机进行分层自动测量，整个测量过程自动完成，无需人工干预，可同时精密测量零件的内外表面，这是三座标测量仪与以激光三角法为代表的光学反求测量技术所难以实现的，而且测量不受被测物体的材料(前提是该材料可进行切削加工)、色泽、表面其它物理特性和测量环境的影响，这又是目前断层测量技术中的ICT、MRI和超声波数字化断层测量法所未能达到的。2)本实用新型以数控铣床为母机，用作数控铣床的一个柔性附件，可与数控铣床快速构成三维反求测量系统，同时，本实用新型的悬架连接机构在水平和竖直方向具有空间位置灵活可调性，使得本实用新型可适用于多种不同类型的数控铣床，而非某一种类型的数控铣床，例如大致龙门铣床，小致台式铣床，且本实用新型在数控铣床的定位，无需任何其它的辅助装置或工艺，同时，本实用新型的数码拍摄测量机构完全独立于数控铣床或是材料层削加工机构，这避免了加工机构的震动给反求测量带来精度上的影响。这是目前国内外同类型的设备所未能实现的。另外，将极大拓展数控铣床设备的传统的功用。3)本实用新型所用装置，在满足自动精密测量的前提下，所用设备硬件结构和计算机控制系统简单，成本低。如依托已有的数控铣床资源，利用数控程序和位置方便可调的行程开关，在拍摄时，保证所有切削层面与高分辨率码相机镜头的相对位置始终不变，而无需另加其它位置检测与测距装置，如激光测距仪和计算机闭环控制等。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的总成玻璃水平放置俯视图。
附图中标号说明1-计算机； 2-数据传输线；3-信号传输线； 4-电源控制线；5-数字量信号输入/输出板； 6-磁块；7-金属压块； 8-行程开关；9-长管状高频日光灯； 10-螺钉；11-灯管防护罩；12-螺栓；13-螺栓； 14-固定架；
15-内六角螺栓； 16-数码相机；17-螺栓；18-数码拍摄测量箱体；19-连接杆； 20-螺钉；21-高频整流器； 22-小箱体；23-螺栓； 24-托板；25-螺母； 26、27-松紧旋纽；28-三角架； 29-数控铣床；30-包埋体。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步描述。
请参见图1、2所示，图1为本实用新型的结构示意图。本实用新型的技术方案，包括计算机控制系统、数控铣床、数码拍摄测量机构、悬架连接机构。
计算机1、数据传输线2、数字量信号输入/输出板5、电源控制线4、行程开关8和信号传输线3构成本实用新型的计算机控制系统。行程开关8利用磁铁6和金属压块7固定在数控铣床29的床身上。当数控铣床29将被测零件与包埋材料组成的包埋体30切削完一个层面后，数控铣床29驱动工作台向行程开关8的方向运动，当包埋体30到达高分辨率数码相机16(例如Kodak DC4800310万象素的数码相机，采用多少象素的数码相机依据包埋体30截面的大小以及测量精度来决定，只要能满足零件整体测量的精度要求，可用高象素的数码相机，如340万、500万象素的数码相机等，也可采用低象素的数码相机，如260万、200万象素的数码相机等)镜头正下方的最佳拍摄靶区时，工作台停止，同时触发行程开关8动作，产生模拟信号，模拟信号经过数字量信号输入/输出板5转化为数字信号，并由信号传输线3输送给计算机1。计算机1经由数据传输线2实现与数码拍摄测量机构的数据传输。接收到由信号传输线3输入的数字信号后，计算机1通过数据传输线2给数码相机16传输截面图象拍摄的驱动指令，高分辨率的数码相机16便进行拍摄，每拍摄完一层包埋体30的截面轮廓，高分辨率的数码相机16又通过数据传输线2将图象数据传送给计算机1，进行存储。本实用新型的数码拍摄测量机构，由高分辨率数码相机16、相机固定架14、内六角螺栓15、相机固定螺栓13、数码拍摄测量箱体18、两个长管状高频日光灯9、灯管防护罩11、螺钉10、两个高频整流器21、小箱体22、螺钉20和电源控制线4构成；首先电源控制线4控制高分辨率数码相机16和两个长管状高频日光灯9的工作电源，安装在小箱体22内的两高频整流器21实现长管状高频日光灯工作时的无频闪(即高频率)，小箱体22通过螺钉20固定在悬架连接机构中的连接杆上；相机固定架通过内六角螺栓15固定在数码拍摄测量箱体18上，并保证高分辨率的数码相机16的镜头在数码拍摄测量箱体18的正中间；长管状高频日光灯9固定在灯管防护罩11上，灯管防护罩11通过螺钉10固定在数码拍摄测量箱体18的内壁、高分辨率数码相机16镜头的斜下方，这两个长管状高频日光灯9将光线均匀明亮的照射在被测零件截面上，同时保证数码拍摄测量光源的恒定，而数码拍摄测量箱体18将环境光隔离，避免了环境光的干扰。悬架连接机构，由三角架28、两个松紧旋纽26、27、托板24、螺栓23、螺母25和连接杆19构成；托板24固定在三脚架28的可升降竖杆上，通过调节松紧旋纽26、27，托板24可垂直升降和绕三脚架轴线任意角度的旋转；连接杆19的一端通过螺栓23、螺母25固定在托板24上，另一端通过螺栓17、12与数码拍摄测量机构的箱体进行连接。
本实用新型的数码拍摄测量机构利用悬架连接机构实现在数控铣床29上的快速定位，且不接触数控铣床29，因此可避免数控铣床微小的震动对数码拍摄测量产生的测量精度的影响，同时又利用数控铣床29控制系统自身的数控程序保证高分辨率数码相机镜头与被测零件的所有截面保持相同的距离，而且数码拍摄测量机构利用悬架连接机构在水平和竖直方向的位置灵活可调性，可应用于多种不同类型的数控铣床，因此，本实用新型可与多种不同类型的数控铣床快速组成三维反求测量系统。
图2为本实用新型的数码拍摄测量程序控制流程图。本实用新型的计算机控制系统开始数码拍摄测量控制程序后，首先检测外部终止信号，外部终止信号人为产生；当数控铣床29切削完包埋体30的一个层面后，数控程序驱动工作台向行程开关8的方向运动，当包埋体30的截面到达高分辨率数码相机16镜头正下方的最佳拍摄视场时，工作台激发行程开关8动作，同时工作台停止，行程开关8动作产生的模拟信号经过数字量信号输入/输出板5转化为数字信号，并由信号传输线3输送给计算机1，便产生了数码拍摄测量控制信号，高分辨率数码相机16进行拍摄；计算机1检测到数码拍摄测量控制信号后，便由数据传输线2向高分辨率数码相机16传达拍摄指令，高分辨率数码相机16便进行数码拍摄测量，同时将所获得的图象数据经由数据传输线2传送给计算机1进行存储。到此，计算机控制系统便完成了被测零件一层图象数据的获取。再往复循环，直至获取整个被测零件的切削层面图象数据或是在检测外部终止信号时检测到外部终止信号。
权利要求1，一种以数控铣床为母机的三维断层反求测量装置，包含数控铣床、计算机，其特征在于该装置由计算机控制系统、数码拍摄测量机构和悬架连接机构构成；1)计算机控制系统包括计算机(1)、信号传输线(2)、数字量信号输入/输出板(5)、行程开关(8)和数据传输线(3)构成，行程开关(8)用于固定在数控铣床(29)的床身上；2)数码拍摄测量机构，由一用于安装数码拍摄测量装置的箱体(18)、一用于安装高频整流器的小箱体(22)、一高分辨率的数码相机(16)、一相机固定架、两个长管状高频日光灯(9)、两个高频整流器(21)和电源控制线(4)构成，其中高分辨率的数码相机(16)和两个长管状高频日光灯(9)，安装在数码拍摄测量箱体(18)内，长管状高频日光灯(9)安装有灯管防护罩(11)，一实现高频日光灯的无频闪的高频整流器安装在小箱体(22)内，高分辨率的数码相机(16)将采集的图象通过数据传输线(3)传递给计算机(1)；3)悬架连接机构，由一三角架(28)、两个松紧旋纽(26)、(27)、一托板(24)、一连接杆(19)构成，三脚架有一个可以升降的竖杆，托板(24)连接在该竖杆的端部，通过调节松紧旋纽(26)、(27)，托板(24)可绕三脚架(28)轴线进行任意角度的旋转和在任意角度方向上的固定，连接杆(19)一端连接在托板(24)上，另一端与数码拍摄测量机构的箱体(18)相连。
2，根据权利要求1所述的以数控铣床为母机的三维断层反求测量装置，其特征在于，所述行程开关(8)采用磁铁(6)和金属压块(7)固定在数控铣床(29)的床身上。
专利摘要本实用新型公开了一种以数控铣床为母机的三维断层反求测量装置，该装置采用悬架方式与数控铣床进行快速的定位，快速构成一个三维断层反求测量系统，可对具有切屑加工性能的任何复杂零件进行内外轮廓的三维精密测量。该装置由悬架连接机构、计算机控制系统和数码拍摄测量机构组成。数控铣床实现被测物体断层截面的获取，数码拍摄测量机构实现逐层图象数据的采集，计算机控制系统实现与数控铣床的信号连接并控制数码拍摄测量机构进行自动拍摄和数据的传输，同时悬架连接机构确保数码拍摄测量机构在空间上完全独立于数控铣床，避免了数控铣床自身的振动给测量带来的精度影响。该装置可视为数控铣床的一种柔性附件，将极大地拓展传统数控装备的作用。
文档编号G01M13/00GK2711689SQ20042003738
公开日2005年7月20日 申请日期2004年7月9日 优先权日2004年7月9日
发明者洪军, 李爱平, 马淑梅, 金涛 申请人:上海通江科技发展有限公司