同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置及方法

文档序号:6176031阅读:527来源:国知局
专利名称:同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置及方法,在非接触、非破坏的前提下,利用中心开有小孔的圆锥透镜形成的同心激光束实时检测零件柱孔的圆度和直线度,属于光学检测技术领域。
背景技术
在精密或者超精密机械加工领域,如何控制柱孔的圆度和直线度事关零件的配合、旋转精度,直接关系到摩擦、振动、噪声等,进而影响零部件的使用寿命和能耗。因此,需要准确评定柱孔圆度和直线度,评定结果不仅为零件的验收提供依据,而且也有助于提高 零部件加工精度和装配精度。所述评定其前提是柱孔圆度和直线度的检测。所述柱孔指圆柱内孔,柱孔圆度是指被检零件内孔实际圆轮廓与评定基圆的偏差值。一种与本发明有关的现有圆度评定方法为最小二乘圆法,该方法以最小二乘圆作为评定基圆,圆度AC为AC=Dmax-Dmin(I)式中Dmax为被测柱孔某截面不同角度采集点相对于最小二乘圆I圆心Otl的最大距离,Dmin为被测柱孔某截面不同角度采集点相对于最小二乘圆I圆心Otl的最小距离,如图1所示。按最小二乘法构建最小二乘圆1,也就是求解最小二乘圆的圆心坐标值Xc^Ytl和圆半径Rtl的极小值,设被测柱孔某截面不同角度处采集点到最小二乘圆圆心的距离为Di, i为采集点序号,即F(X0, Y0, Rq) = YjD21 = min(2)
7=1η个采集点i的连线即为实测圆2,也就是某截面的实际轮廓线,在根据公式(2)求得的Di中包括Dmax和Dmin,再根据公式(I)求得被测柱孔某截面处的圆度。如果令截面序号
为 j,公式(I )写作 = j0Zmax _ Amm。柱孔直线度是指被检零件内孔实际轴线与评定基线的偏差值。以评定基线作为Z轴建立直角坐标系,将上述圆度计算得到的柱孔各个截面的最小二乘圆的圆心坐标设为Otlj(XQj,Ytlj),那么柱孔的直线度Λ S为Δ s=2dmax(3)d} =P2oj+Y^j (4)式中dj为第j个截面的最小二乘圆圆心Otlj到评定基线的距离,dmax为η个截面中的最小二乘圆圆心到评定基线的最大距离,如图2所示,被测柱孔各截面的最小二乘圆圆心Ocu的连线3为被测柱孔的实测轴线,以dmax为半径、以评定基线为轴线的柱面4为包络所有最小二乘圆圆心的最小包络面。现有采集被测柱孔多个截面周边不同角度处采集点i的位置信息的技术是一种采用小车式测量装置的光学检测方法,见诸于一篇由何鲲所著的合肥工业大学学位论文(2004年5月8日)。如图3所示,其检测工件是大口径长管5,在底座6两端各有一个牵引装置7,大口径长管5置于底座6上,并位于两个牵引装置7之间,测量小车8放入大口径长管5中,由牵引装置7牵引在大口径长管5内壁上往返行走。在测量小车8中,检测头9沿大口径长管5轴向发射检测激光,该检测激光由反光镜10反射后沿大口径长管5径向传播,斑点落在大口径长管5管壁上,该斑点沿原来的光路反向传播被检测头9中的摄像系统摄取,而此时测量小车8停留在大口径长管5内某一位置,但是,反光镜10由驱动电机11驱动旋转360°,摄像系统完成了大口径长管5某一个截面的管壁上的点采样,并传送给计算机12,测量小车8每行走一个步长,计算机12就会获得一个截面的管壁上的点采样。通过图像处理,根据每个采样点所携带的不同光程信息,提取某个截面上相距等角度的若干采集点的坐标,根据公式(1)、(2)计算该截面的圆度。再算出各个截面的圆心坐标,由这些截面的圆心坐标数据由公式(3)、(4)得到大口径长管5内孔的直线度。不过,所述检测方 案有其不足一是该方案只适用于大口径内孔的检测,如果内孔口径较小,测量小车则无法进入;二是测量小车没有自己专用的、精密的轨道,行走滚转角及被测工件形状误差都会降低检测精度;三是测量小车还可能在行走的过程中划伤被测工件内表面。

发明内容
为了提高柱孔圆度和直线度检测精度,扩大柱孔口径检测范围,避免检测可能造成的对被测工件内表面的损伤,我们发明了一种同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置及方法。本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置具有检测激光光源13,摄像机14与图像处理计算机15连接,如图4所示,其特征在于,在检测激光光源13与摄像机14之间,可变光阑16、挡光环17、圆锥透镜18、毛玻璃成像屏19依次同轴排列;圆锥透镜18底面朝向挡光环17,圆锥透镜18中心有通孔,可变光阑16孔径O1的最大值小于等于圆锥透镜18通光口径02,如图5所示,挡光环17外径Φ/大于圆锥透镜18通孔口径Φ21 2 _,挡光环17内径Ct1 〃等于圆锥透镜18通孔口径Φ2。本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法是一种最小二乘圆法,其特征在于,来自检测激光光源13的准直扩束光通过可变光阑16、挡光环17后成为由中心的实心光束和周边的空心光束构成的同轴光,如图6所示;被测柱孔20位于圆锥透镜18与毛玻璃成像屏19之间并与同轴光同轴,被测柱孔20朝向圆锥透镜18的端面所在位置为检测起点Α、朝向毛玻璃成像屏19的端面所在位置为检测终点B ;保持入射圆锥透镜18底面的同轴光中的空心光束内壁到光轴的距离D1不变,通过调整可变光阑16来改变空心光束外壁到内壁的距离D2,自圆锥透镜18锥面出射的空心光束发生汇聚,在自检测起点A到检测终点B被测柱孔20不同截面处发生一次反射,在毛玻璃成像屏19上先后呈现每个截面的光环图像;同轴光中的实心光束直接在毛玻璃成像屏19上成像,如图7、所示;由摄像机14采集所述所有图像并传送至图像处理计算机15 ;由图像处理计算机15进行图像处理,光环图像的内边界代表待测柱孔20截面实际轮廓线,确定所述内边界近似圆周上不同角度处采集点的坐标值,最后根据最小二乘圆法先计算得到待测柱孔20不同截面处的圆度,再在此基础上得到该柱孔的直线度。本发明其技术效果在于,相比现有技术,获得计算柱孔圆度、直线度的数据信息方面,本发明采用非接触无损伤方式,由同轴光中的实心光束将柱孔定位,再由同轴光中的空心光束在柱孔内每个检测截面一次反射再在毛玻璃成像屏即可完成数据的初步提取,没有部件进入柱孔,因此,被测柱孔的孔径可以很小,也不会损伤已经精密加工过的柱孔表面,同时检测精度也大幅提闻。


图1是米用最小二乘圆法求解柱孔圆度原理不意图。图2是米用最小二乘圆法求解柱孔直线度原理示意图。图3是现有小车式测量装置及检测过程示意图。图4是本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置结构及检测方式示意图,该图同时作为摘要附图。图5是本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置局部结构示意图。图6是本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法示意图。图Γ图9是本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法检测柱孔不同截面情况示意图。图10是在本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法中被测柱孔口径Xh、长度X1与检测起点A到圆锥透镜的距离L的关系图。图11是在本发明之同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法中被测柱孔长度X1、口径Xh与同轴光中的空心光束外壁到内壁的距离D2的关系图。
具体实施例方式圆锥透镜18与检测条件具有如下关系式
权利要求
1.一种同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置,具有检测激光光源(13),摄像机(14)与图像处理计算机(15)连接,其特征在于,在检测激光光源(13)与摄像机(14)之间,可变光阑(16)、挡光环(17)、圆锥透镜(18)、毛玻璃成像屏(19)依次同轴排列;圆锥透镜(18)底面朝向挡光环(17),圆锥透镜(18)中心有通孔,可变光阑(16)孔径O1的最大值小于等于圆锥透镜(18)通光口径Φ2,挡光环(17)外径Φ/大于圆锥透镜(18)通孔口径Φ21 2 mm, 挡光环(17)内径Ct1 〃等于圆锥透镜(18)通孔口径Φ2。
2.根据权利要求1所述的同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置,其特征在于,可变光阑(16)孔径O1的调整范围为(Γ20 mm,挡光环(17)外径Φ/为5 mm,挡光环(17)内径 C^1〃为3 mm;圆锥透镜(18)通孔口径小2为3 mm,圆锥镜透(18)玻璃牌号为K9,折射率 n=l. 5168,圆锥底角θ=10°,圆锥底面半径D3=28. 36 mm,有效通光口径Φ2=22 mm ;毛玻璃成像屏(19)的尺寸为200X200 mm2。
3.一种同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法,该方法是一种最小二乘圆法,其特征在于,来自检测激光光源(13)的准直扩束光通过可变光阑(16 )、挡光环(17 )后成为由中心的实心光束和周边的空心光束构成的同轴光;被测柱孔(20)位于圆锥透镜(18)与毛玻璃成像屏(19)之间并与同轴光同轴,被测柱孔(20)朝向圆锥透镜(18)的端面所在位置为检测起点A、朝向毛玻璃成像屏(19)的端面所在位置为检测终点B ;保持入射圆锥透镜(18)底面的同轴光中的空心光束内壁到光轴的距离D1不变,通过调整可变光阑(16)来改变空心光束外壁到内壁的距离的D2,自圆锥透镜(18)锥面出射的空心光束发生汇聚,在自检测起点A到检测终点B被测柱孔(20)不同截面处发生一次反射,在毛玻璃成像屏(19)上先后呈现每个截面的光环图像;同轴光中的实心光束直接在毛玻璃成像屏(19)上成像;由摄像机(14)采集所述所有图像并传送至图像处理计算机(15);由图像处理计算机(15)进行图像处理,光环图像的内边界代表待测柱孔(20)截面实际轮廓线,确定所述内边界近似圆周上不同角度处采集点的坐标值,最后根据最小二乘圆法先计算得到待测柱孔(20)不同截面处的圆度,再在此基础上得到该柱孔的直线度。
4.根据权利要求3所述的同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法,其特征在于,在 25飞00 mm范围内改变被测柱孔(20)到圆锥透镜(18)的距离L,该方法能够适应口径 Xh=ri00 mm的被测柱孔(20)的检测;当通过调整可变光阑(16)在2. 5^10 mm范围内改变空心光束外壁到内壁的距离D2,该方法能够适应长度X1=25 110 mm的被测柱孔(20)的检测。
5.根据权利要求3所述的同轴光检测柱孔圆度和直线度的方法,其特征在于,采用 Photoshop图像处理软件处理所采集的图像(1)确定所采集的图像中单个像元的所代表的实际尺寸值;(2)图像中心就是毛玻璃成像屏(19)中心,同样是中心光束的中心,确定图像中心的像元坐标,也就是在Photoshop坐标系中的坐标;(3)再以图像中心点为原点建立X-Y-Z直角坐标系,Z轴与本发明之装置中的光轴同轴,与每幅图像对应的截面的实际轮廓线作为平面曲线位于X-Y坐标平面上,在实际轮廓线的近似圆周上间隔相同角度确定若干个采集点,先确定这些采集点在Photoshop坐标系中的像元坐标,再根据单个像元的所代表的实际尺寸值求得采集点像元在χ-γ-ζ直角坐标系的坐标值,采用最小二乘法得到各截面实际轮廓线的最小二乘基圆的圆心坐标Ow (Xtlj,Ycu), j为截面序号,比较某个截面的实际轮廓线上的各采集点在X-Y-Z直角坐标系的坐标 值,确SD_X、D_,根据公式Aq =Djmax-D mn求得某个截面的圆度Λ _ ;在不同截面的最小二乘基圆的圆心坐标Otlj (Xtlj, Yoj)与图像中心点坐标0(0、0)的偏差dj中确定最大值偏差dmax,根据公式Λ S=2dmax求得被测柱孔20的直线度Λ S。
全文摘要
同轴光检测柱孔圆度和直线度的装置及方法属于光学检测技术领域。现有技术检测精度低、检测范围窄,还可能损伤被测柱孔表面。本发明之装置在检测激光光源与摄像机之间,可变光阑、挡光环、圆锥透镜、毛玻璃成像屏依次同轴排列;圆锥透镜底面朝向挡光环,圆锥透镜中心有通孔。在本发明之方法中,被测柱孔位于圆锥透镜与毛玻璃成像屏之间并与同轴光同轴,通过调整可变光阑来改变空心光束外壁到内壁的距离,自圆锥透镜锥面出射的空心光束发生汇聚,在被测柱孔不同截面处发生一次反射,在毛玻璃成像屏上先后呈现每个截面的光环图像;该图像由摄像机采集并由计算机处理,最后根据最小二乘圆法先计算得到待测柱孔不同截面处的圆度,再在此基础上得到该柱孔的直线度。
文档编号G01B11/24GK103017684SQ201310006580
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者董渊, 李超, 吕彦飞, 李述涛, 金光勇, 张喜和 申请人:长春理工大学
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