一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统的制作方法

本发明涉及小孔检测领域,具体涉及一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统。

背景技术：

机械工业、航空航天、国防工业等领域的发展，对小尺寸孔零件提出精密加工要求的同时，也对其高精度的检测提出了更高的要求。发展适用于小孔径、高纵深比的高精度、自动化三维成像的小孔检测方法和设备显得非常迫切。

目前，小孔测量方法有接触法和非接触法两类，其中，接触法有塞规测量、千分尺测量、三坐标测量等；非接触法有光学显微镜成像、气动测量、电容式测量等。塞规法和千分尺法方法简单，精度低，测量过程靠人工手动调整，难以实现高精度自动化测量；三坐标测量方法是光机电结合测量法，精度达亚微米级，可自动化三维成像，但测头容易机械变形，系统价格昂贵，不适于现场测量；光学显微镜成像方法，精度微米级，但对深孔测量困难；气动测量方法，精度微米级，可自动三维成像，但对供气要求高，响应时间长；电容式测量方法易受干扰，精度亚微米。以上常用小孔测量方法各有优缺点，但要适用于小孔、深孔、盲孔的高精度、非接触、自动化的检测较困难，因此，传统的检测手段已不能全面解决新的问题，必须发展新的检测技术以满足检测要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是：提供一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，它能克服现有技术的缺陷，通过利用光谱共焦测距技术、三维机械扫描技术、点云数据处理技术，实现小孔高精度、非接触、自动化检测，应用于小孔、深孔、盲孔的内表面三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提出一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，包括由白光光源1、光纤耦合器2、光纤滑环3、90度出光色散物镜4、光谱仪5组成的可旋转式90度出光光谱共焦位移测量系统，由直线位移平台控制器6、直线位移平台7、旋转平台控制器8、旋转平台9组成的三维机械扫描系统及计算机10，其特征在于，可旋转式90度出光光谱共焦位移测量系统测量得到由垂直出光色散物镜4组成的光谱共焦位移测量头距离孔内表面的径向位移，计算机10控制三维机械扫描系统带载光谱共焦位移测量头进行三维扫描，进而获得孔内表面三维点云信息，经计算机10三维点云数据处理，实现小孔高精度、非接触、自动化三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量。

本发明所提供的基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，其中光谱共焦位移测量系统用于实现由垂直出光色散物镜4组成的光谱共焦位移测量头距离孔内表面的位移高精度测量，系统由白光光源1、光纤耦合器2、光纤滑环3、90度出光色散物镜4、光谱仪5组成，其中光纤滑环3用于解决光纤缠绕问题。测距原理如下：白光光源1发出的复色光耦合进光纤耦合器2，经光纤滑环3后在光纤端口可近似看做点光源出射，点光源经90度出光色散物镜4后产生光谱色散，在光轴上成像并形成一系列连续分布的对应不同光波长的聚焦光斑，当系列聚焦光斑范围内放置一被测物体，则色散光会被被测物体表面反射，反射光再次通过90度出光色散物镜4并成像于光纤端面，只有被测量物体表面位置满足共焦条件的单色光进入光纤端面的光通量最大，离焦反射的其他光谱成分所进入光纤端面的光通量则较小，反射光经光纤滑环3、光纤耦合器2后到达光谱仪5，光谱仪5对反射光信号进行解谱并确定其光通量最大波长，以此反推被测物体表面与色散镜头之间的距离，这样就建立了波长信息与位置信息间的关系，即构成光谱共焦测量系统，从而实现位移测量。

本发明所提供的基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，其中三维机械扫描系统用于实现光谱共焦位移测量系统对小孔内表面进行三维扫描，系统由直线位移平台控制器6、直线位移平台7、旋转平台控制器8、旋转平台9组成。系统中直线位移平台控制器6控制直线位移平台7实现位移测量头的直线位移，旋转平台控制器8控制旋转平台9实现位移测量头的环向旋转，旋转平台安装于位移平台上，最终实现三维扫描。

本发明所提供的基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，其中三维点云信息处理系统用于实现小孔内表面三维重构及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量，系统由点云滤波、点云配准、点云插值、曲面重构等几个处理过程构成。

本发明的有益效果是：运用光谱共焦位移测量系统，通过三维孔内扫描，实现适用于小孔、深孔、盲孔的高精度孔内表面三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量。系统具有检测精度高、可测各种表面、温度稳定性好、抗干扰、非接触、全自动化测量等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中，1、白光光源，2、光纤耦合器，3、光纤滑环，4、90度出光色散物镜，5、光谱仪，6、直线位移平台控制器，7、直线位移平台，8、旋转平台控制器，9、旋转平台，10、计算机。

图2是本发明所述的可旋转式90度出光光谱共焦位移测量系统结构示意图。

其中，1、白光光源，2、光纤耦合器，3、光纤滑环，4、色散物镜，5、反光镜，6、光谱仪，7、计算机。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的实施方式：

本发明所述一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，系统基本原理如下：基于光谱共焦测距技术、三维机械扫描技术和点云数据处理技术，运用光谱共焦位移测量系统进行三维孔内表面扫描测量并运用点云处理算法进行孔内表面三维重构，实现小孔高精度、非接触、自动化成像检测。

本发明所述小孔内表面三维成像检测系统的核心是光谱共焦位移测量系统，其通过光谱共焦系统建立光波长信息和位移信息之间的关系，实现孔内光谱共焦测量头(色散物镜)与孔内壁之间的距离测量，本发明所述光谱共焦位移测量系统为可旋转式90度出光光谱共焦位移测量系统，详细原理如下：白光光源发出的复色光耦合进光纤耦合器，经光纤滑环后在光纤端口出射，在光纤端口出射的光可近似看做点光源发射，当该点光源发出的具有宽光谱λ1～λ2的光经过垂直出光色散物镜时，将产生光谱色散，在光轴上形成一系列连续分布的点光源单色像点，假设波长λi的光形成的单色像点与物镜之间的轴向距离为d(λi)，则不同波长的光所对应的d(λi)不同，因此，鉴于系统具有λ1～λ2宽光谱的光，则系统的测量范围为d(λ1)～d(λ2)。理想情况下，波长λ与位移d(λ)之间存在线性关系：

d(λ)＝m+kλ

当被测物体处于系统测量范围内，则色散光被被测物体表面反射，反射光再次通过色散物镜并成像于光纤端面，对应被测物体表面位置满足共焦条件的单色光进入光纤端面的光通量最大，离焦反射的其他光谱成分所进入光纤端面的光通量则较小，这样就建立了波长信息与位置信息间的关系，反射光经光纤滑环、光纤耦合器后到达光谱仪，光谱仪对反射光信号进行解谱并确定其光通量最大波长，以此反推被测物体表面与色散镜头之间的距离，从而实现位移测量。光谱共焦测距精度能够达到微、纳米级，对被测表面状况要求更低，允许被测表面有较大的倾斜角度，温度稳定性好。

为实现孔内表面三维位移信息获取，光谱共焦系统必须进行孔内三维扫描，本发明所述小孔内表面三维成像检测系统采用直线移动平台和旋转平台相结合的方式，通过直线移动平台实现光谱共焦测量头的轴向位移，通过旋转平台实现光谱共焦测量头环向旋转，旋转平台置于直线移动平台上，最终实现三维扫描。为了使光谱共焦测量头在旋转过程中不使光纤缠绕损坏，光谱共焦测量系统采用光纤滑环解决光纤缠绕问题。

通过三维机械扫描系统带载光谱共焦测距系统获得光谱共焦测量头距离孔内表面三维位移点云信息，结合扫描系统得到的孔内表面位置点云信息，建立孔内表面三维点云信息，点云数据经处理后，才能实现孔内三维曲面重建。本发明所述小孔内表面三维成像检测系统通过点云滤波、点云配准、点云插值、曲面重构几个步骤，完成点云数据处理，具体操作如下：1)由于噪声的存在或者物体表面反射率的原因，采用中值滤波以及邻域平均法对数据进行平滑滤波操作，去除点云数据中的点状噪声。2)由于测量中轴与孔轴存在一定夹角，通过运用迭代最近点算法实现点云数据的倾斜平移校正，完成数据配准。3)如果得到点云为稀疏点云，通过三角剖分细化插值方法使得稀疏点云插值为密集点云，达到生成平滑曲面的数据量。4)三维场景反演的效果与空间场景的表示方法有很大关系，场景的表达方式有基于的点云、三角网格、特征或者纹理贴图等等几种方式，基于点云的表现方式由于采样分辨率的限制，局部放大之后会出现空洞，不利于表现物体表面的细节，本发明采用三角网格进行场景表达，三角网格构建简单、快速、能很好的逼近物体表面。

本发明所述一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统，通过光谱共焦测距系统得到光谱共焦测量头与孔内壁之间的距离信息、三维机械扫描系统实现光谱共焦测距系统对孔内表面三维点云信息获取、点云数据处理系统实现孔内曲面重建。本发明所述一种基于光谱共焦位移测量技术的小孔内表面三维成像检测系统能适用于小孔、深孔、盲孔的高精度、非接触、自动化的检测，能使小孔检测从单一孔径检测向孔内表面高精度自动化三维成像发展，能实现小孔内表面高精度三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量。