专利名称：一种光学系统定位工件曲面法线方向的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统定位工件曲面法线方向的方法及装置，可以广泛应用到 需要对曲面表面法线进行定位的工件，尤其适合对小曲率半径曲面的表面法线进行定位的 工件。
背景技术：
在很多工程测量领域中，都需要对测量点的表面法线方向进行精确定位，随着对 测量数据要求及测量设备精度的不断提高，被测量点的尺寸越来越小，对测量点的表面法 线方向定位越来越困难。比如说在工业测量中的X射线残余应力检测。在X射线残余应力检测中，因为测量点要严格处于X射线光源和探测器的旋转中 心，X射线初始入射方向要严格垂直于被测点平面，即与被测点的法线方向严格一致。在汽车行业中，以往由于受到X射线光源尺寸及强度的限制，光斑尺寸很难小于 Φ 1mm，同时采用平行光路，X射线入射线与被测点法线方向的存在一定的偏差尚可接受，对 被测点法线方向的定位精度要求不高。现在随着加工技术的进步，光斑可以达到Φ0.5πιπι 或更小，同时采用了聚焦光路，X射线初始入射方向与被测点法线方向稍有偏差，就会引起 很大的误差。同时汽车工件的尺寸越来越小，形状也越来越复杂，要求被测量点的残余应力 指标也越来越高，因此对法线方向的定位精度要求非常高。过去对工件曲面表面法线方向的定位，采用如图1所示的方法，反射镜a是中间有 平面反射镜片的平行玻璃块，将反射镜a放在工件上，只有当工件上的反射镜a与校准杆c 垂直时，即校准杆与工件被测点法线方向重合时，从校准杆上端的与c成45°角的反射镜b 上可以看到反射镜a的完整反射像。通过反复调整被测工件的角度，直至在b中看到a的 完整反射像，即可完成测量点法线方向的定位。但由于测量曲率半径较小的工件，很难使反射镜a与工件表面重合，当然也无法 准确完成测量点法线方向的定位。
发明内容
本发明提供了一种光学系统定位工件曲面法线方向的方法及装置，它包含光学光 源、光斑采集放大装置、光斑数据处理及分析系统；通过对照射到工件表面测量点上的光斑 的分析，实现对工件曲面表面法线方向的定位，可以广泛应用到需要对曲面的表面法线进 行定位的测量场合；尤其适合对小曲率曲面的表面法线进行定位。本发明的技术方案是这样实现的光学系统定位工件曲面法线方向的装置，其特 征在于连接板用螺栓固定在原设备主体上，放大镜头固定座通过螺纹连接在连接板上，两 个CCD摄像头采用孔和螺栓顶紧固定在放大镜头固定座上；线形激光源固定座和点状激光 源固定座用螺栓固定在连接板上，线形激光源和点状激光源采用孔螺栓顶紧方式分别固定 在线形激光源固定座和点状激光源固定座上。光学系统定位工件曲面法线方向的方法，由点状激光源和线形激光源双光源系统3和双光斑采集放大装置组成；其特征在于点状激光源的光线和X射线入射线平行，线形激 光源的光线方向在点状激光源和X射线光源连线上；光斑采集放大装置由CCD接收器和光 学放大镜头组成；双光斑采集放大装置布置在与线形激光源光线垂直的平面内，对称布置； 用图像采集计算分析系统对光斑的极值进行分析；用六自由度工作台对工件进行位置调 整；具体的方法如下(1)位置关系A、点状激光源照射所形成光斑的中心点始终在线形激光源照射所形成条状光线 的中心线上，且与X光源照射点中心位于同一条直线或者可知可调整的相对固定的位置， 而且点状激光源与X光源具有固定的位置关系；B、光学放大镜头安装在CCD摄像头上，构成放大效果的摄像头；安装在线状激光 源的两侧，且相对于通过线形激光源所形成直线的垂直平面对称，其中心线与垂线夹角为 10-80度；两个C⑶摄像头的中心线在同一垂直平面上，而且这两条直线的交点是点状激光 源的中心；激光光源和摄像头调整好后，在测试过程中处于不可调整状态；六自由度工作 台位于点状激光源正下方，距离为0-400毫米；(2)法线位置判别首先将工件固定在工作台上，并且保证与工作台垂直的方向上有小R角表面法线 存在；打开线形激光光源，调整工作台高度和水平面内的两个坐标，使CCD摄像头能够采集 到在小R角表面形成的激光光斑；比较通过图像采集分析系统得到的数据，如果激光线位于通过小R角最高点的垂 直平面内则两个CCD摄像头所采集到的光线形状应该对称，调整水平面内两个方向的坐 标，即可达到这一结果；关闭线形激光光源，打开点光源，调整水平面内的两个坐标，记录采 集到的特征量处于极值时的位置；此时点状激光源照射到工件小R角表面的位置即为法线 方向。本发明的积极效果在于实现了对工件曲面表面法线方向上的定位，克服了现有方 法无法准确完成测量点法线方向的定位缺点，能够准确快速地对需要工件曲面法线方向定 位的工件进行测量。
图1为本发明的定位工件表面法线方向的装置的结构示意图；图2为本发明的点状激光源照在球面或柱面的示意图；图3为本发明的线形激光源照在球面或柱面的示意具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述如图1所示，光学系统定位工 件曲面法线方向的装置，其特征在于连接板3用螺栓固定在原设备主体1、2上，放大镜头 固定座5、11通过螺纹连接在连接板3上，两个CCD摄像头4采用孔和螺栓顶紧固定在放大 镜头固定座5、11上；线形激光源固定座6和点状激光源固定座10用螺栓固定在连接板3 上，线形激光源8和点状激光源9采用孔螺栓顶紧方式分别固定在线形激光源固定座6和 点状激光源固定座10上。光学系统定位工件曲面法线方向的方法，由点状激光源9和线形激光源8双光源系统和双光斑采集放大装置组成；其特征在于点状激光源9的光线和X射线入射线平行， 线形激光源8的光线方向在点状激光源9和X射线光源连线上；光斑采集放大装置由CCD 接收器和光学放大镜头7、12组成；双光斑采集放大装置布置在与线形激光源8光线垂直的 平面内，对称布置；用图像采集计算分析系统对光斑的极值进行分析；用六自由度工作台 对工件进行位置调整；具体的方法如下(1)位置关系A、点状激光源9照射所形成光斑的中心点始终在线形激光源(8)照射所形成条状 光线的中心线上，且与X光源照射点中心位于同一条直线或者可知可调整的相对固定的位 置，而且点状激光源9与X光源具有固定的位置关系；B、光学放大镜头7、12安装在CCD摄像头4上，构成放大效果的摄像头；安装在线 状激光源9的两侧，且相对于通过线形激光源8所形成直线的垂直平面对称，其中心线与垂 线夹角为10-80度；两个CXD摄像头4的中心线在同一垂直平面上，而且这两条直线的交点 是点状激光源9的中心；激光光源和摄像头调整好后，在测试过程中处于不可调整状态；六 自由度工作台位于点状激光源9正下方，距离为0-400毫米；(2)法线位置判别首先将工件固定在工作台上，并且保证与工作台垂直的方向上有小R角表面法线 存在；打开线形激光光源8，调整工作台高度和水平面内的两个坐标，使CCD摄像头4能够 采集到在小R角表面形成的激光光斑；比较通过图像采集分析系统得到的数据，如果激光 线位于通过小R角最高点的垂直平面内则两个CCD摄像头4所采集到的光线形状应该对 称，调整水平面内两个方向的坐标，即可达到这一结果；关闭线形激光光源8，打开点光源， 调整水平面内的两个坐标，记录采集到的特征量处于极值时的位置；此时点状激光源9照 射到工件小R角表面的位置即为法线方向。如图2所示，当固定位置的点状激光源9照射到球面(柱面)上时，只有当入射光 线与球面(柱面)上被照射点的法线方向重合时，被照射点上的光斑尺寸具有极小值，形状 也是对称的圆或椭圆；当入射光线与被照射点的法线方向不重合时，该点上的光斑尺寸就 会增大，形状也会扭曲，入射光线与法线方向偏离越大，光斑的尺寸就越大，形状也越扭曲。通过人为调整工件的位置，使双光斑采集放大装置找到测量点上光斑的位置，然 后根据形状或面积的极值，即可确认光线照射方向为测量点的法线方向。如图3所示当线形激光源8照射到球面或柱面上时，只有当入射光线与球面(柱 面)上被照射点的法线方向重合时，被照射点上的光线宽度具有极小值，形状也是一条直 线。当入射光线与被照射点的法线方向不重合时，该点上的光线宽度就会增大，形状也会变 成曲线，入射光线与法线方向偏离越大，光线的宽度就越大，曲线的形状也越扭曲。通过调 整工件的位置，找到测量点上光斑的位置、形状或面积的极值，即可确认光线照射方向为测 量点的法线方向。当测量点曲面时，任何复杂曲面可成近似的多个球面、柱面及平面的集合。分析曲 面上测量点光斑的位置、形状或面积等参数特性，通过光斑采集放大装置将数据输送到计 算机，由计算机特定程序计算找到光斑的极值，即可确定入射的光线方向为该测量点的曲 面法线方向。对于芬兰的XTREESS3000型X射线应力仪，通过图3所示的布置方式，完成对 工件测量点法线方向的定位。
权利要求
1.光学系统定位工件曲面法线方向的装置，其特征在于连接板(3)用螺栓固定在原 设备主体(1)、⑵上，放大镜头固定座(5)、(1) 1通过螺纹连接在连接板(3)上，2个CCD 摄像头(4)采用孔和螺栓顶紧固定在放大镜头固定座(5)、(11)上；线形激光源固定座(6) 和点状激光源固定座(10)用螺栓固定在连接板(3)上，线形激光源⑶和点状激光源(9) 采用孔螺栓顶紧方式分别固定在线形激光源固定座(6)和点状激光源固定座(10)上。
2.光学系统定位工件曲面法线方向的方法，由点状激光源(9)和线形激光源(8)双光 源系统和双光斑采集放大装置组成；其特征在于点状激光源(9)的光线和X射线入射线 平行，线形激光源(8)的光线方向在点状激光源(9)和X射线光源连线上；光斑采集放大装 置由CCD接收器和光学放大镜头(7)、(12)组成；双光斑采集放大装置布置在与线形激光源 (8)光线垂直的平面内，对称布置；用图像采集计算分析系统对光斑的极值进行分析；用六 自由度工作台对工件进行位置调整；具体的方法如下(1)位置关系A、点状激光源(9)照射所形成光斑的中心点始终在线形激光源(8)照射所形成条状 光线的中心线上，且与X光源照射点中心位于同一条直线或者可知可调整的相对固定的位 置，而且点状激光源(9)与X光源具有固定的位置关系；B、光学放大镜头(7)、(1 安装在CCD摄像头(4)上，构成放大效果的摄像头；安装在 线状激光源(9)的两侧，且相对于通过线形激光源(8)所形成直线的垂直平面对称，其中心 线与垂线夹角为10-80度；两个CXD摄像头(4)的中心线在同一垂直平面上，而且这两条直 线的交点是点状激光源(9)的中心；激光光源和摄像头调整好后，在测试过程中处于不可 调整状态；六自由度工作台位于点状激光源(9)正下方，距离为0-400毫米；(2)法线位置判别首先将工件固定在工作台上，并且保证与工作台垂直的方向上有小R角表面法线存 在；打开线形激光光源(8)，调整工作台高度和水平面内的两个坐标，使CCD摄像头(4)能 够采集到在小R角表面形成的激光光斑；比较通过图像采集分析系统得到的数据，如果激光线位于通过小R角最高点的垂直平 面内则两个CCD摄像头(4)所采集到的光线形状应该对称，调整水平面内两个方向的坐标， 即可达到这一结果；关闭线形激光光源(8)，打开点光源，调整水平面内的两个坐标，记录 采集到的特征量处于极值时的位置；此时点状激光源(9)照射到工件小R角表面的位置即 为法线方向。
全文摘要
本发明涉及一种光学系统定位工件曲面法线方向的方法及装置，由点状激光源和线形激光源双光源系统和双光斑采集放大装置组成；其特征在于点状激光源的光线和X射线入射线平行，线形激光源的光线方向在点状激光源和X射线光源连线上；光斑采集放大装置由CCD接收器和光学放大镜头组成；双光斑采集放大装置布置在与线形激光源光线垂直的平面内，对称布置；用图像采集计算分析系统对光斑的极值进行分析；用六自由度工作台对工件进行位置调整；实现了对工件曲面表面法线方向上的定位，克服了现有方法无法准确完成测量点法线方向的定位缺点，能够准确快速地对需要工件曲面法线方向定位的工件进行测量。
文档编号G01N23/20GK102042990SQ20091021775
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者初立明, 张连玉, 李润哲, 邵承会 申请人:中国第一汽车集团公司, 吉林大学