一种圆锥量规母线直线度测量系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种圆锥量规母线直线度测量系统及方法，属于精密测量领域。本系统包括激光器(1)、扩束准直镜组(2)、第一柱面透镜(3)、分光镜(4)、第二柱面透镜(5)、长平晶(6)、透镜(7)、CCD相机(8)和量规支架(10)；所述激光器(1)、扩束准直镜组(2)、第一柱面透镜(3)和第二柱面透镜(5)的光轴重合，分光镜(4)的分光面与光轴呈45度，长平晶(6)的工作面与光轴垂直；待测的圆锥量规(9)安装在所述量规支架(10)上；所述透镜(7)和CCD相机(8)依次设置于经分光镜(4)反射后的光路上。
【专利说明】一种圆锥量规母线直线度测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密测量领域，特别属于机械几何尺寸误差测量【技术领域】，具体涉及一种圆锥量规母线直线度测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]圆锥量规是机床行业中用于检验锥度配合的重要检具，其母线直线度的大小是一项关键参数。
[0003]目前，测量母线直线度的方法一般是按照《GB/T1958-2004产品几何量技术规范(GPS)形状和位置公差检测规定》，用指示表(如电感测微仪、千分表等)和平板进行接触式测量，效率较低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种圆锥量规母线直线度测量系统及方法，实现高等级圆锥量规直线度参数精确测量。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种圆锥量规母线直线度测量系统，包括激光器1、扩束准直镜组2、第一柱面透镜3、分光镜4、第二柱面透镜5、长平晶6、透镜7、CXD相机8和量规支架10 ；
[0007]所述激光器1、扩束准直镜组2、第一柱面透镜3和第二柱面透镜5的光轴重合，分光镜4的分光面与光轴呈45度，长平晶6的工作面与光轴垂直；
[0008]待测的圆锥量规9安装在所述量规支架10上；
[0009]所述透镜7和CXD相机8依次置于经分光镜4反射后的光路上。
[0010]所述长平晶6的工作面和圆锥量规9的左侧母线都垂直于入射光线。
[0011]所述激光器I米用He-Ne激光器。
[0012]所述第一柱面透镜3和第二柱面透镜5的焦平面重合。
[0013]所述量规支架10为V型可调支架，包括两个平行设置的V型块，两个V型块的高度分别能够调节，两个V型块均能够沿导轨移动。
[0014]一种圆锥量规母线直线度测量方法，包括:
[0015]所述激光器I发出的光束经扩束准直镜组2，再经第一柱面透镜3、分光镜4和第二柱面透镜5后，成为平行线激光束；
[0016]所述平行线激光束入射至所述长平晶6的工作面后被分为两路光:一路光由长平晶6的工作面反射；另一路光经长平晶6的工作面透射，入射至圆锥量规9的表面后反射，再次经长平晶6的工作面后返回；
[0017]这两路光都再次经过第二柱面透镜5回到分光镜4，再经过透镜7后在CXD相机8的接收像面处产生干涉，被CCD相机8接收，在CCD像面上得到干涉图像；
[0018]对干涉图像进行处理得到母线直线度。
[0019]所述对干涉图像进行处理得到母线直线度是这样实现的:[0020]在长平晶6固定装置上安装压电陶瓷，然后通过移相的方式获得多幅干涉图像，再利用移相算法计算得到母线上各点相位值的大小，最后计算得到直线度。
[0021]所述对干涉图像进行处理得到母线直线度也可以这样实现的:不需要在长平晶6固定装置上安装压电陶瓷，而是直接对一幅干涉图像进行相位解算，将干涉图像中的母线等分，在每个等分位置计算条纹所占的黑白比例，从而直接解算各点相位值大小，最后计算得到直线度。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本方法中没有任何机械移动装置(高精度PZT除外)，极大地减小了机械运动引入的误差；能够利用单幅图像对较长的母线进行测量，避免了图像拼接引入的误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明测量系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0025]本发明是一种基于双向异倍率单次成像(由柱面透镜3和5实现了将圆形激光光斑单方向扩展为平行线激光)的圆锥量规母线直线度测量方法，本发明解决了高等级圆锥量规直线度参数精确测量问题，以及满足机床工具高精度锥度量值传递的需求。
[0026]本发明以Fizeau干涉仪(Fizeau干涉仪是一种典型的干涉仪结构,很多涉及光学干涉原理的书上都可见到)。本发明利用柱面透镜组将激光束进行扩束，使其在两个方向上具有不同的放大倍率。用长平晶的工作面作为参考平面，激光在参考平面和量规母线上分别反射后产生干涉，干涉图像由C⑶相机接收。经图像处理算法后，一次便可以得到量规整条母线的直线度。具体内容如下:
[0027]1，测量系统如图1所示，组成部分包括激光器1、扩束准直镜组2、柱面透镜组3、5、分光镜4、参考长平晶6、成像透镜7、CXD相机8、被测圆锥量规9和量规支架10等。所述激光器I米用He-Ne激光器。
[0028]2，激光器I发出的光束经扩束准直镜组2 ( 一个透镜只能实现光束的会聚或扩散，两个透镜组成倒置的望远系统才能实现既扩束又准直，两透镜间的距离约等于焦距之和)，再经柱面透镜3、分光镜4和柱面透镜5后(柱面镜3和5的焦平面重合)，成为有一定宽度的平行线激光束。
[0029]3，平行线激光束入射至参考长平晶6的工作面后被分为两部分:一路光由长平晶工作面反射；另一路光经长平晶工作面透射，入射至圆锥量规表面后反射，再次经长平晶工作面后返回。这两路光都再次经过柱面透镜5回到分光镜4，这两路光产生干涉
[0030]4，为使反射光能原路返回，应保证长平晶工作面(即图中右侧的面)和圆锥量规的左侧母线都垂直于入射光线，
[0031]5，两路光(经过长平晶6反射和透射后经过量规反射再返回的这两路光)由分光镜4部分反射(还有一部分又透射过分光镜4 了，但是那部分没有作用，因此不予考虑)，再经成像透镜7后被CXD相机8 (分光镜4沿光轴方向的位置没有严格要求。透镜7和CXD相机的相对位置只要能保证干涉条纹清晰成像就可以)接收，即可在CCD像面上得到干涉图像。
[0032]对干涉图像进行处理并得到母线直线度的方法有两种(是现有干涉条纹的通用方法，可以用于此系统的条纹处理):一种是在参考平晶6固定装置上安装压电陶瓷(PZT)(推动6沿光轴方向运动)，通过移相的方式(移相技术是通用的干涉测量技术，也称相移。)获得多幅干涉图像(PZT推动平晶移动多个位置，在每个位置都会产生一幅干涉图像。)，然后利用移相算法计算得到母线上各点相位值的大小，最后利用最小二乘算法(或其他算法)计算出直线度；另一种是直接对一幅干涉图像进行相位解算，将图像中的母线等分若干份，在每个等分位置计算条纹所占的黑白比例，从而直接解算各点相位值大小，最后利用最小二乘算法(或其他算法)计算出直线度。第一种方法的优点是精度高，但因需要高精度的PZT，成本高；第二种方法则是精度适中，结构简单，成本较低。
[0033]上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述【具体实施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
【权利要求】
1.一种圆锥量规母线直线度测量系统，其特征在于:所述系统包括激光器(I)、扩束准直镜组(2)、第一柱面透镜(3)、分光镜(4)、第二柱面透镜(5)、长平晶(6)、透镜(7)、CCD相机⑶和量规支架(10)； 所述激光器(I)、扩束准直镜组(2)、第一柱面透镜(3)和第二柱面透镜(5)的光轴重合，分光镜(4)的分光面与光轴呈45度，长平晶(6)的工作面与光轴垂直； 待测的圆锥量规(9)安装在所述量规支架(10)上； 所述透镜(7)和CCD相机(8)依次设置于经分光镜(4)反射后的光路上。
2.根据权利要求1所述的圆锥量规母线直线度测量系统，其特征在于:所述长平晶(6)的工作面和圆锥量规(9)的左侧母线都垂直于入射光线。
3.根据权利要求2所述的圆锥量规母线直线度测量系统，其特征在于:所述激光器(I)采用He-Ne激光器。
4.根据权利要求3所述的圆锥量规母线直线度测量系统，其特征在于:所述第一柱面透镜(3)和第二柱面透镜(5)的焦平面重合。
5.根据权利要求1至4任一所述的圆锥量规母线直线度测量系统，其特征在于:所述量规支架(10)为V型可调支架，包括两个平行设置的V型块，两个V型块的高度分别能够调节，两个V型块均能够沿导轨移动。
6.一种利用权利要求1至5任一所述圆锥量规母线直线度测量系统进行测量的方法，其特征在于:所述方法包括: 所述激光器(I)发出的光束经扩束准直镜组(2)，再经第一柱面透镜(3)、分光镜(4)和第二柱面透镜(5)后，成为平行线激光束； 所述平行线激光束入射至所述长平晶(6)的工作面后被分为两路光:一路光由长平晶(6)的工作面反射；另一路光经长平晶(6)的工作面透射，入射至圆锥量规(9)的表面后反射，再次经长平晶(6)的工作面后返回； 这两路光都再次经过第二柱面透镜(5)回到分光镜(4)，再经过透镜(7)后在CCD相机(8)的接收像面处产生干涉，被CCD相机(8)接收，在CCD像面上得到干涉图像； 对干涉图像进行处理得到母线直线度。
7.根据权利要求6所述的圆锥量规母线直线度测量方法，其特征在于:所述对干涉图像进行处理得到母线直线度是这样实现的: 在长平晶出)固定装置上安装压电陶瓷，然后通过移相的方式获得多幅干涉图像，再利用移相算法计算得到母线上各点相位值的大小，最后计算得到直线度。
8.根据权利要求6所述的圆锥量规母线直线度测量方法，其特征在于:所述对干涉图像进行处理得到母线直线度是这样实现的: 直接对一幅干涉图像进行相位解算，将干涉图像中的母线等分，在每个等分位置计算条纹所占的黑白比例，从而直接解算各点相位值大小，最后计算得到直线度。
【文档编号】G01B11/27GK104019770SQ201410281329
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】张恒, 康岩辉, 黄杨, 董玉文, 杨自本, 赵惠英 申请人:中国计量科学研究院