專利名稱：同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置及方法，在非接觸、非破壞的前提下，利用中心開有小孔的圓錐透鏡形成的同心激光束實(shí)時檢測零件柱孔的圓度和直線度，屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在精密或者超精密機(jī)械加工領(lǐng)域，如何控制柱孔的圓度和直線度事關(guān)零件的配合、旋轉(zhuǎn)精度，直接關(guān)系到摩擦、振動、噪聲等，進(jìn)而影響零部件的使用壽命和能耗。因此，需要準(zhǔn)確評定柱孔圓度和直線度，評定結(jié)果不僅為零件的驗(yàn)收提供依據(jù)，而且也有助于提高 零部件加工精度和裝配精度。所述評定其前提是柱孔圓度和直線度的檢測。所述柱孔指圓柱內(nèi)孔，柱孔圓度是指被檢零件內(nèi)孔實(shí)際圓輪廓與評定基圓的偏差值。一種與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有圓度評定方法為最小二乘圓法，該方法以最小二乘圓作為評定基圓，圓度AC為AC=Dmax-Dmin(I)式中Dmax為被測柱孔某截面不同角度采集點(diǎn)相對于最小二乘圓I圓心Otl的最大距離，Dmin為被測柱孔某截面不同角度采集點(diǎn)相對于最小二乘圓I圓心Otl的最小距離，如圖1所示。按最小二乘法構(gòu)建最小二乘圓1，也就是求解最小二乘圓的圓心坐標(biāo)值Xc^Ytl和圓半徑Rtl的極小值，設(shè)被測柱孔某截面不同角度處采集點(diǎn)到最小二乘圓圓心的距離為Di, i為采集點(diǎn)序號，即F(X0, Y0, Rq) = YjD21 = min(2)
7=1η個采集點(diǎn)i的連線即為實(shí)測圓2，也就是某截面的實(shí)際輪廓線，在根據(jù)公式(2)求得的Di中包括Dmax和Dmin，再根據(jù)公式(I)求得被測柱孔某截面處的圓度。如果令截面序號
為 j，公式(I )寫作 = j0Zmax _ Amm。柱孔直線度是指被檢零件內(nèi)孔實(shí)際軸線與評定基線的偏差值。以評定基線作為Z軸建立直角坐標(biāo)系，將上述圓度計(jì)算得到的柱孔各個截面的最小二乘圓的圓心坐標(biāo)設(shè)為Otlj(XQj，Ytlj),那么柱孔的直線度Λ S為Δ s=2dmax(3)d} =P2oj+Y^j (4)式中dj為第j個截面的最小二乘圓圓心Otlj到評定基線的距離，dmax為η個截面中的最小二乘圓圓心到評定基線的最大距離，如圖2所示，被測柱孔各截面的最小二乘圓圓心Ocu的連線3為被測柱孔的實(shí)測軸線，以dmax為半徑、以評定基線為軸線的柱面4為包絡(luò)所有最小二乘圓圓心的最小包絡(luò)面?，F(xiàn)有采集被測柱孔多個截面周邊不同角度處采集點(diǎn)i的位置信息的技術(shù)是一種采用小車式測量裝置的光學(xué)檢測方法，見諸于一篇由何鯤所著的合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文(2004年5月8日)。如圖3所示，其檢測工件是大口徑長管5，在底座6兩端各有一個牽引裝置7，大口徑長管5置于底座6上，并位于兩個牽引裝置7之間，測量小車8放入大口徑長管5中，由牽引裝置7牽引在大口徑長管5內(nèi)壁上往返行走。在測量小車8中，檢測頭9沿大口徑長管5軸向發(fā)射檢測激光，該檢測激光由反光鏡10反射后沿大口徑長管5徑向傳播，斑點(diǎn)落在大口徑長管5管壁上，該斑點(diǎn)沿原來的光路反向傳播被檢測頭9中的攝像系統(tǒng)攝取，而此時測量小車8停留在大口徑長管5內(nèi)某一位置，但是，反光鏡10由驅(qū)動電機(jī)11驅(qū)動旋轉(zhuǎn)360°，攝像系統(tǒng)完成了大口徑長管5某一個截面的管壁上的點(diǎn)采樣，并傳送給計(jì)算機(jī)12，測量小車8每行走一個步長，計(jì)算機(jī)12就會獲得一個截面的管壁上的點(diǎn)采樣。通過圖像處理，根據(jù)每個采樣點(diǎn)所攜帶的不同光程信息，提取某個截面上相距等角度的若干采集點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算該截面的圓度。再算出各個截面的圓心坐標(biāo)，由這些截面的圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)由公式(3)、(4)得到大口徑長管5內(nèi)孔的直線度。不過，所述檢測方 案有其不足一是該方案只適用于大口徑內(nèi)孔的檢測，如果內(nèi)孔口徑較小，測量小車則無法進(jìn)入；二是測量小車沒有自己專用的、精密的軌道，行走滾轉(zhuǎn)角及被測工件形狀誤差都會降低檢測精度；三是測量小車還可能在行走的過程中劃傷被測工件內(nèi)表面。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高柱孔圓度和直線度檢測精度，擴(kuò)大柱孔口徑檢測范圍，避免檢測可能造成的對被測工件內(nèi)表面的損傷，我們發(fā)明了一種同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置及方法。本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置具有檢測激光光源13，攝像機(jī)14與圖像處理計(jì)算機(jī)15連接，如圖4所示，其特征在于，在檢測激光光源13與攝像機(jī)14之間，可變光闌16、擋光環(huán)17、圓錐透鏡18、毛玻璃成像屏19依次同軸排列；圓錐透鏡18底面朝向擋光環(huán)17，圓錐透鏡18中心有通孔，可變光闌16孔徑O1的最大值小于等于圓錐透鏡18通光口徑02，如圖5所示，擋光環(huán)17外徑Φ/大于圓錐透鏡18通孔口徑Φ21 2 _，擋光環(huán)17內(nèi)徑Ct1 〃等于圓錐透鏡18通孔口徑Φ2。本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法是一種最小二乘圓法，其特征在于，來自檢測激光光源13的準(zhǔn)直擴(kuò)束光通過可變光闌16、擋光環(huán)17后成為由中心的實(shí)心光束和周邊的空心光束構(gòu)成的同軸光，如圖6所示；被測柱孔20位于圓錐透鏡18與毛玻璃成像屏19之間并與同軸光同軸，被測柱孔20朝向圓錐透鏡18的端面所在位置為檢測起點(diǎn)Α、朝向毛玻璃成像屏19的端面所在位置為檢測終點(diǎn)B ;保持入射圓錐透鏡18底面的同軸光中的空心光束內(nèi)壁到光軸的距離D1不變，通過調(diào)整可變光闌16來改變空心光束外壁到內(nèi)壁的距離D2,自圓錐透鏡18錐面出射的空心光束發(fā)生匯聚，在自檢測起點(diǎn)A到檢測終點(diǎn)B被測柱孔20不同截面處發(fā)生一次反射，在毛玻璃成像屏19上先后呈現(xiàn)每個截面的光環(huán)圖像；同軸光中的實(shí)心光束直接在毛玻璃成像屏19上成像，如圖7、所示；由攝像機(jī)14采集所述所有圖像并傳送至圖像處理計(jì)算機(jī)15 ;由圖像處理計(jì)算機(jī)15進(jìn)行圖像處理，光環(huán)圖像的內(nèi)邊界代表待測柱孔20截面實(shí)際輪廓線，確定所述內(nèi)邊界近似圓周上不同角度處采集點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后根據(jù)最小二乘圓法先計(jì)算得到待測柱孔20不同截面處的圓度，再在此基礎(chǔ)上得到該柱孔的直線度。本發(fā)明其技術(shù)效果在于，相比現(xiàn)有技術(shù)，獲得計(jì)算柱孔圓度、直線度的數(shù)據(jù)信息方面，本發(fā)明采用非接觸無損傷方式，由同軸光中的實(shí)心光束將柱孔定位，再由同軸光中的空心光束在柱孔內(nèi)每個檢測截面一次反射再在毛玻璃成像屏即可完成數(shù)據(jù)的初步提取，沒有部件進(jìn)入柱孔，因此，被測柱孔的孔徑可以很小，也不會損傷已經(jīng)精密加工過的柱孔表面，同時檢測精度也大幅提聞。


圖1是米用最小二乘圓法求解柱孔圓度原理不意圖。圖2是米用最小二乘圓法求解柱孔直線度原理示意圖。圖3是現(xiàn)有小車式測量裝置及檢測過程示意圖。圖4是本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置結(jié)構(gòu)及檢測方式示意圖，該圖同時作為摘要附圖。圖5是本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法示意圖。圖Γ圖9是本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法檢測柱孔不同截面情況示意圖。圖10是在本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法中被測柱孔口徑Xh、長度X1與檢測起點(diǎn)A到圓錐透鏡的距離L的關(guān)系圖。圖11是在本發(fā)明之同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法中被測柱孔長度X1、口徑Xh與同軸光中的空心光束外壁到內(nèi)壁的距離D2的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式圓錐透鏡18與檢測條件具有如下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置，具有檢測激光光源(13)，攝像機(jī)(14)與圖像處理計(jì)算機(jī)(15)連接，其特征在于，在檢測激光光源(13)與攝像機(jī)(14)之間，可變光闌(16)、擋光環(huán)(17)、圓錐透鏡(18)、毛玻璃成像屏(19)依次同軸排列；圓錐透鏡(18)底面朝向擋光環(huán)(17)，圓錐透鏡(18)中心有通孔，可變光闌(16)孔徑O1的最大值小于等于圓錐透鏡(18)通光口徑Φ2，擋光環(huán)(17)外徑Φ/大于圓錐透鏡(18)通孔口徑Φ21 2 mm, 擋光環(huán)(17)內(nèi)徑Ct1 〃等于圓錐透鏡(18)通孔口徑Φ2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置，其特征在于，可變光闌(16)孔徑O1的調(diào)整范圍為(Γ20 mm，擋光環(huán)(17)外徑Φ/為5 mm，擋光環(huán)(17)內(nèi)徑 C^1〃為3 mm;圓錐透鏡(18)通孔口徑小2為3 mm，圓錐鏡透(18)玻璃牌號為K9，折射率 n=l. 5168，圓錐底角θ=10°，圓錐底面半徑D3=28. 36 mm，有效通光口徑Φ2=22 mm ;毛玻璃成像屏(19)的尺寸為200X200 mm2。
3.一種同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法，該方法是一種最小二乘圓法，其特征在于，來自檢測激光光源(13)的準(zhǔn)直擴(kuò)束光通過可變光闌(16 )、擋光環(huán)(17 )后成為由中心的實(shí)心光束和周邊的空心光束構(gòu)成的同軸光；被測柱孔(20)位于圓錐透鏡(18)與毛玻璃成像屏(19)之間并與同軸光同軸，被測柱孔(20)朝向圓錐透鏡(18)的端面所在位置為檢測起點(diǎn)A、朝向毛玻璃成像屏(19)的端面所在位置為檢測終點(diǎn)B ;保持入射圓錐透鏡(18)底面的同軸光中的空心光束內(nèi)壁到光軸的距離D1不變，通過調(diào)整可變光闌(16)來改變空心光束外壁到內(nèi)壁的距離的D2，自圓錐透鏡(18)錐面出射的空心光束發(fā)生匯聚，在自檢測起點(diǎn)A到檢測終點(diǎn)B被測柱孔(20)不同截面處發(fā)生一次反射，在毛玻璃成像屏(19)上先后呈現(xiàn)每個截面的光環(huán)圖像；同軸光中的實(shí)心光束直接在毛玻璃成像屏(19)上成像；由攝像機(jī)(14)采集所述所有圖像并傳送至圖像處理計(jì)算機(jī)(15);由圖像處理計(jì)算機(jī)(15)進(jìn)行圖像處理，光環(huán)圖像的內(nèi)邊界代表待測柱孔(20)截面實(shí)際輪廓線，確定所述內(nèi)邊界近似圓周上不同角度處采集點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后根據(jù)最小二乘圓法先計(jì)算得到待測柱孔(20)不同截面處的圓度，再在此基礎(chǔ)上得到該柱孔的直線度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法，其特征在于，在 25飛00 mm范圍內(nèi)改變被測柱孔(20)到圓錐透鏡(18)的距離L，該方法能夠適應(yīng)口徑 Xh=ri00 mm的被測柱孔(20)的檢測；當(dāng)通過調(diào)整可變光闌(16)在2. 5^10 mm范圍內(nèi)改變空心光束外壁到內(nèi)壁的距離D2，該方法能夠適應(yīng)長度X1=25 110 mm的被測柱孔(20)的檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同軸光檢測柱孔圓度和直線度的方法，其特征在于，采用 Photoshop圖像處理軟件處理所采集的圖像(1)確定所采集的圖像中單個像元的所代表的實(shí)際尺寸值；(2)圖像中心就是毛玻璃成像屏(19)中心，同樣是中心光束的中心，確定圖像中心的像元坐標(biāo)，也就是在Photoshop坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(3)再以圖像中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立X-Y-Z直角坐標(biāo)系，Z軸與本發(fā)明之裝置中的光軸同軸，與每幅圖像對應(yīng)的截面的實(shí)際輪廓線作為平面曲線位于X-Y坐標(biāo)平面上，在實(shí)際輪廓線的近似圓周上間隔相同角度確定若干個采集點(diǎn)，先確定這些采集點(diǎn)在Photoshop坐標(biāo)系中的像元坐標(biāo)，再根據(jù)單個像元的所代表的實(shí)際尺寸值求得采集點(diǎn)像元在χ-γ-ζ直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，采用最小二乘法得到各截面實(shí)際輪廓線的最小二乘基圓的圓心坐標(biāo)Ow (Xtlj,Ycu), j為截面序號，比較某個截面的實(shí)際輪廓線上的各采集點(diǎn)在X-Y-Z直角坐標(biāo)系的坐標(biāo) 值，確SD_X、D_，根據(jù)公式Aq =Djmax-D mn求得某個截面的圓度Λ _ ;在不同截面的最小二乘基圓的圓心坐標(biāo)Otlj (Xtlj, Yoj)與圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)0(0、0)的偏差dj中確定最大值偏差dmax，根據(jù)公式Λ S=2dmax求得被測柱孔20的直線度Λ S。
全文摘要
同軸光檢測柱孔圓度和直線度的裝置及方法屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)檢測精度低、檢測范圍窄，還可能損傷被測柱孔表面。本發(fā)明之裝置在檢測激光光源與攝像機(jī)之間，可變光闌、擋光環(huán)、圓錐透鏡、毛玻璃成像屏依次同軸排列；圓錐透鏡底面朝向擋光環(huán)，圓錐透鏡中心有通孔。在本發(fā)明之方法中，被測柱孔位于圓錐透鏡與毛玻璃成像屏之間并與同軸光同軸，通過調(diào)整可變光闌來改變空心光束外壁到內(nèi)壁的距離，自圓錐透鏡錐面出射的空心光束發(fā)生匯聚，在被測柱孔不同截面處發(fā)生一次反射，在毛玻璃成像屏上先后呈現(xiàn)每個截面的光環(huán)圖像；該圖像由攝像機(jī)采集并由計(jì)算機(jī)處理，最后根據(jù)最小二乘圓法先計(jì)算得到待測柱孔不同截面處的圓度，再在此基礎(chǔ)上得到該柱孔的直線度。
文檔編號G01B11/24GK103017684SQ201310006580
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者董淵, 李超, 呂彥飛, 李述濤, 金光勇, 張喜和 申請人:長春理工大學(xué)