CN107607059A - 一种一键式3d轮廓测量设备及其测量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一键式3D轮廓测量设备，包括伺服驱动器、光谱共焦位移传感器、机架、运动平台、光谱共焦测高机构以及防护外罩，运动平台包括下平台、第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构、与第一丝杆机构配合的中平台以及与第二丝杆机构配合的上平台，光谱共焦测高机构包括固定架、CCD相机、设于固定架上端的大视场光学镜头、设于大视场光学镜头下方一侧的光谱共焦镜头，下平台下方设有照明光源，上平台上设有玻璃板。本发明还公开了该一键式3D轮廓测量设备的测量计算方法。本发明可以同轴共焦非接触式一键测量3D轮廓，具有更高分辨率、更高精度、更快速、检测范围更广等优点。

Description

一种一键式3D轮廓测量设备及其测量计算方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种一键式3D轮廓测量设备及其测量计算方法。

背景技术

现在市场的影像尺寸测量仪，一般有三次元测量仪、二次元测量仪和测量投影仪。而二次元测量仪跟测量投影仪难以区别，都是光学检测仪器，在结构和原理上二次元测量仪通常是连接PC电脑上同时连同软件一起进行操作，精度在0.002MM以内，测量投影仪内部是自带微型电脑的，因此不需要再连接电脑，但在精度上却没有二次元测量仪那么精准，影像测量仪精度一般只能达0.01MM以内。三次元测量仪是在三次元测量的基础上加一个超声测量或红外测量探头，用于测量被测物体的厚度以及盲孔深度等，这些往往二次元测量仪无法测量，但三次元测量仪也有一定的缺陷：1.测高探头采用接触法测量，无法测量部分表面不能接触的物体；2.探头工作时，需频繁移动座标，检测速度慢；3.因探头有一定大小，因些无法测量过小内径的盲孔；4.探头因采用接触法测量，而接触面有一定宽度，当检测凹凸不平表面时，测量值会有较大误差，同时一般测量范围都较小。光纤同轴位移传感器以非接触方式测量高度和厚度，解决了过去三角测距方式中无法克服的误差问题，如何开发出可以同轴共焦非接触式一键测量的3D轮廓测量设备成为亟待解决的热点问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种一键式3D轮廓测量设备及其测量计算方法，具有可以非接触检测、更高分辨率、检测速率更快、一键式测量、更高精度等优点。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

一种一键式3D轮廓测量设备，包括伺服驱动器、光谱共焦位移传感器、机架、运动平台、光谱共焦测高机构以及防护外罩，所述运动平台包括设于机架上端的下平台、设于下平台上的第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构、与第一丝杆机构配合连接的中平台以及与第二丝杆机构配合连接的上平台，所述光谱共焦测高机构包括设于下平台上的固定架、设于固定架上端的大视场光学镜头、设于大视场光学镜头上方的CCD相机、设于固定架内侧的升降机构以及与升降机构连接且位于大视场光学镜头一侧的光谱共焦镜头，所述下平台下方设有照明光源，所述上平台上设有玻璃板，通过调节升降机构和运动平台形成同轴共焦点且焦点对准被测物的瞬间感光而完成测量。

进一步地，所述的第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构均包括马达、丝杆以及套设于丝杆上的丝杆螺母，马达连接有马达座，丝杆连接有丝杆支座，马达通过联轴器连接丝杆，马达座还连接有缓冲胶圈，丝杆螺母上设有光感片，在所述中平台和下平台在上表面均设有光感铝滑轨以及设于光感铝滑轨上的光电开关。

进一步地，所述的中平台上设有供上平台移动的交叉滚子导轨，所述第二丝杆运动机构驱动所述上平台运动，所述下平台上设有供中平台移动的交叉滚子导轨，所述第一丝杆运动机构驱动所述中平台运动。

进一步地，所述的升降机构包括与固定架连接的测量底板、与测量底板连接的移动板以及与移动板上端连接的第一马达座和限位块，所述移动板的下端连接有第二马达，所述测量底板上设有移动导轨供移动板运动，所述第一马达座连接有第一马达，所述第一马达通过转轴连接所述限位块，所述限位块通过一摆臂连接有镜头固定座，镜头固定座连接有所述光谱共焦镜头，限位块下方连接有光电开关。

进一步地，所述的机架、固定架、上平台、中平台以及下平台均为大理石结构。

进一步地，所述的机架包括设于机架内的方通框体，方通框体的四周外部连接设有多个封板，一侧封板上设有门板，在机架一侧内部对称设有两个风扇，机架的底部设有两两对称的支脚，在机架的一侧上端设有急停开关。

进一步地，所述的固定架的上端一侧设有固定基板，固定基板一侧设有第一连接板，第一连接板的两侧设有直线导轨，第一连接板的一侧还设有镜头固定架，镜头固定架连接所述大视场光学镜头。

进一步地，所述的大视场光学镜头为双远心平行镜头。

进一步地，所述的照明光源为平行双远心光源、环形光源或同轴平行光源之一。

本发明还公开了一种一键式3D轮廓测量设备的测量计算方法，其包括以下步骤：

S1：采用63*63的相机标定板对CCD相机进行标定，把标定板放置在CCD相机视场中的随机位置，拍图，找到标定板，拍18张有效图片，得出一个像素与实际距离之间的比例关系d1，实际距离的单位为mm；

S2：利用大视场光学镜头将产品轮廓影像缩小5-50倍后传递至CCD相机做数字化处理，同时通过3D测量软件预先内置的编程指令快速抓取产品轮廓图，测出的像素值与d1的乘积以及CCD相机与平台的角度可以换算得出实际物体的轮廓尺寸；其中CCD相机为几百万像素且高分辨率的相机。

S3：在3D测量软件中建立模板，模板的目的是让3D测量软件能找到目标物体，再在图像中框选需要测量的项，测量以载物台为基准的点、线、圆、圆弧、R角等基本尺寸测量以及物体的高度；

S4：把测量物体运动到光谱共焦镜头下方，运动平台X轴和CCD相机的X轴之间的夹角α，运动平台Y轴和CCD相机的Y轴之间的夹角β，夹角α和夹角β也是XY运动方向分别与CCD相机之间的夹角；

S5：计算X轴夹角α：设定运动平台最左边点A(x₁，y₁)，最右边点B(x₂，y₂)，则夹角α：计算Y轴夹角β：设定运动平台最左边点C(x₃，y₃)，最右边点D(x₄，y₄)，则夹角β：

S6：设定图像x轴与马达x轴的夹角为α₁，图像x轴与马达x轴的夹角为β₁，设定光谱点为M(x₀，y₀),光谱仪坐标为G(x，y),则光谱点运动到光谱仪位置：马达x轴需运动：Δx＝|(x-x₀)|cosα₁+|(y-y₀)|sinβ₁；马达y轴需运动：Δy＝-|(x-x₀)|sinα₁+|(y-y₀)|cosβ1。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1.通过采用大理石检测平台、机架等基座方式以及XY运行平台，获得了更高的稳定性；2.采用大视场光学镜头系统摄取物体平面轮廓图片，通过内置软件自动分析数据并给出结果，一键式测量，只需按一个启动键，既可完成尺寸测量，使用更方便；3.首次应用光谱共焦测量方式测量高度尺寸，而且光谱共焦测量具有快速、高精度、可测微小孔、非接触等优点。4.采用自大视场光学镜头，使检测范围扩大一倍，可检测更大物件。5.将光谱共焦镜头安装于大视场光学镜头一侧，当大视场光学镜头摄取完物体平面轮廓图片后，将运动平台移动至光谱共焦镜头下方，按点取值，并计算出要检测位置的高度尺寸。6.采用光谱共焦传感器可以利用非常小的测量光斑，从而允许测量非常小的被测物体，具有更高分辨率；7.具有更高精度、更方便、更快速、检测范围更广等优点。

上述是发明技术方案的概述，以下结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的分解结构示意图；

图2为本发明的部分结构示意图；

图3为本发明的部分结构示意图；

图4为本发明的部分结构示意图；

图5为本发明的测量原理部分示意图；

图6为本发明的测量原理部分示意图；

图7为本发明的测量原理部分示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1-4，本实施例提供的一种一键式3D轮廓测量设备，包括伺服驱动器、光谱共焦位移传感器、机架1、运动平台2、光谱共焦测高机构3以及防护外罩4，运动平台2包括设于机架上端的下平台21、设于下平台上的第一丝杆运动机构22和第二丝杆运动机构23、与第一丝杆机构配合连接的中平台24以及与第二丝杆机构配合连接的上平台25，光谱共焦测高机构3包括设于下平台上的固定架31、设于固定架上端的大视场光学镜头32、设于大视场光学镜头上方的CCD相机、设于固定架内侧的升降机构33以及与升降机构连接且位于大视场光学镜头一侧的光谱共焦镜头34，下平台下方设有照明光源5，上平台上设有玻璃板6，根据待测物的产品特点通过调节升降机构和运动平台，相互配合，让光谱共焦镜头形成同轴共焦点，在焦点对准被测物的瞬间感光，最终完成3D轮廓测量，一键测量三维空间内的任意尺寸。通过采用大视场光学镜头系统摄取物体平面轮廓图片，通过内置软件自动分析数据并给出结果，一键式测量，只需按一个启动键，既可完成尺寸测量，使用更方便；首次应用光谱共焦测量方式测量高度尺寸，而且光谱共焦测量具有快速、高精度、可测微小孔、非接触等优点。采用自大视场光学镜头，使检测范围扩大一倍，可检测更大物件。将光谱共焦镜头安装于大视场光学镜头一侧，当大视场光学镜头摄取完物体平面轮廓图片后，将运动平台移动至光谱共焦镜头下方，按点取值，并计算出要检测位置的高度尺寸。采用光谱共焦传感器可以利用非常小的测量光斑，从而允许测量非常小的被测物体，具有更高分辨率；具有更高精度、更方便、更快速、检测范围更广等优点。

其中，第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构均包括马达7、丝杆8以及套设于丝杆上的丝杆螺母9，马达连接有马达座10，丝杆连接有丝杆支座11，马达通过联轴器12连接丝杆，马达座还连接有缓冲胶圈，丝杆螺母上设有光感片14，在中平台和下平台在上表面均设有光感铝滑轨15以及设于光感铝滑轨上的光电开关16。在中平台上设有供上平台移动的交叉滚子导轨，第二丝杆运动机构驱动上平台运动，下平台上设有供中平台移动的交叉滚子导轨，第一丝杆运动机构驱动中平台运动，交叉滚子导轨与高精度丝杆配合可以提升直线行走的精度和定位精度。通过第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构在马达的驱动下丝杆运动带动平台运动，以便调节控制待测物与光谱共焦镜头和大视场光学镜头的位置关系。

其中，升降机构33包括与固定架连接的测量底板331、与测量底板连接的移动板332以及与移动板上端连接的第一马达座333和限位块334，移动板的下端连接有第二马达335，测量底板上设有移动导轨供移动板运动，第一马达座连接有第一马达336，第一马达通过转轴337连接限位块，限位块通过一摆臂338连接有镜头固定座339，镜头固定座连接光谱共焦镜头34，限位块下方连接有光电开关340。

机架、固定架、上平台、中平台以及下平台均为大理石结构，提高产品检测机构的稳定性，提升测量精度。机架1包括设于机架内的方通框体111，方通框体的四周外部连接设有多个封板112，一侧封板上设有门板113，在机架一侧内部对称设有两个风扇114，机架的底部设有两两对称的支脚115，在机架的一侧上端设有急停开关116。固定架31的上端一侧设有固定基板17，固定基板一侧设有第一连接板18，第一连接板的两侧设有直线导轨，第一连接板的一侧还设有镜头固定架19，镜头固定架连接大视场光学镜头32。大视场光学镜头为双远心平行镜头。照明光源为平行双远心光源、环形光源或同轴平行光源之一。通过光谱共焦镜头利用在传感器探头内的透镜，根据所需量程将光线分解，通过镜头将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上，形成同轴焦点轴线，通过大视场光学镜头、光谱共焦镜头等光学系统的配合，对于大尺寸工件可直接取图，不用拼图即可获得更高精度的测量数据。

本实施例还提供了一种一键式3D轮廓测量设备的测量计算方法，其包括以下步骤，同时参照图5-7：

S1：采用63*63的相机标定板对CCD相机进行标定，把标定板放置在CCD相机视场中的随机位置，拍图，找到标定板，拍18张有效图片，得出一个像素与实际距离之间的比例关系d1，实际距离的单位为mm；

S2：利用大视场光学镜头将产品轮廓影像缩小5-50倍后传递至CCD相机做数字化处理，同时通过3D测量软件预先内置的编程指令快速抓取产品轮廓图，测出的像素值与d1的乘积以及CCD相机与平台的角度可以换算得出实际物体的轮廓尺寸；其中CCD相机为几百万像素且高分辨率的相机。

S3：在3D测量软件中建立模板，模板的目的是让3D测量软件能找到目标物体，再在图像中框选需要测量的项，测量以载物台为基准的点、线、圆、圆弧、R角等基本尺寸测量以及物体的高度；

S4：把测量物体运动到光谱共焦镜头下方，运动平台X轴和CCD相机的X轴之间的夹角α，运动平台Y轴和CCD相机的Y轴之间的夹角β，夹角α和夹角β也是XY运动方向分别与CCD相机之间的夹角；

S5：计算X轴夹角α：设定运动平台最左边点A(x₁，y₁)，最右边点B(x₂，y₂)，则夹角α：计算Y轴夹角β：设定运动平台最左边点C(x₃，y₃)，最右边点D(x₄，y₄)，则夹角β：

S6：设定图像x轴与马达x轴的夹角为α₁，图像x轴与马达x轴的夹角为β₁，设定光谱点为M(x₀，y₀),光谱仪坐标为G(x，y),则光谱点运动到光谱仪位置：马达x轴需运动：Δx＝|(x-x₀)|cosα₁+|(y-y₀)|sinβ₁；马达y轴需运动：Δy＝-|(x-x₀)|sinα₁+|(y-y₀)|cosβ1。

参照图5-7，其中1001为CCD相机,1002为双远心镜头，1003为平行光，1004为载物台，载物台设置在运动平台表面，1005为双远心光源，1006为光源。光谱计算距离原理：光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生，而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料(透镜)对于不同单色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小(这也是不同望远镜所谓的色差不同的原因)，同一薄透镜对不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上。光谱共焦测量方法利用这种物理现象的特点，通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。白色光通过多组透镜后产生明显的色差，然后打到样品上，只有在样品焦点位置的光才会反射回来，反射回来的光经过光纤传导到光谱仪进行光谱分析，分析出当前的光谱，即可对应计算出焦点的距离。

检测说明：使用两个光谱共焦镜头，测量物体上下两个表面，根据上下表面的位移，算出物体厚度的变化，具体计算过程可以为：检测时首先会使用一个标准厚度的标准片，假设标准片厚度为：A1；

使用上下镜头测出来的标准片距离值为：DU1，DD1；再使用上下镜头测量要检测的物体，分别得到距离值：DU2,DD2；

则上镜头的位移量为：DU2-DU1；下镜头的位移量为：DD2-DD1；

要检测的物体整体厚度变化为(DU2-DU1)+(DD2-DD1)；

根据标准片的厚度，即可测出样品的厚度H为：

H＝(DU2-DU1)+(DD2-DD1)+A1。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，包括伺服驱动器、光谱共焦位移传感器、机架、运动平台、光谱共焦测高机构以及防护外罩，所述运动平台包括设于机架上端的下平台、设于下平台上的第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构、与第一丝杆机构配合连接的中平台以及与第二丝杆机构配合连接的上平台，所述光谱共焦测高机构包括设于下平台上的固定架、设于固定架上端的大视场光学镜头、设于大视场光学镜头上方的CCD相机、设于固定架内侧的升降机构以及与升降机构连接且位于大视场光学镜头一侧的光谱共焦镜头，所述下平台下方设有照明光源，所述上平台上设有玻璃板，通过调节升降机构和运动平台形成同轴共焦点且焦点对准被测物的瞬间感光而完成测量。

2.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的第一丝杆运动机构和第二丝杆运动机构均包括马达、丝杆以及套设于丝杆上的丝杆螺母，马达连接有马达座，丝杆连接有丝杆支座，马达通过联轴器连接丝杆，马达座还连接有缓冲胶圈，丝杆螺母上设有光感片，在所述中平台和下平台在上表面均设有光感铝滑轨以及设于光感铝滑轨上的光电开关。

3.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的中平台上设有供上平台移动的交叉滚子导轨，所述第二丝杆运动机构驱动所述上平台运动，所述下平台上设有供中平台移动的交叉滚子导轨，所述第一丝杆运动机构驱动所述中平台运动。

4.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的升降机构包括与固定架连接的测量底板、与测量底板连接的移动板以及与移动板上端连接的第一马达座和限位块，所述移动板的下端连接有第二马达，所述测量底板上设有移动导轨供移动板运动，所述第一马达座连接有第一马达，所述第一马达通过转轴连接所述限位块，所述限位块通过一摆臂连接有镜头固定座，镜头固定座连接有所述光谱共焦镜头，限位块下方连接有光电开关。

5.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的机架、固定架、上平台、中平台以及下平台均为大理石结构。

6.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的机架包括设于机架内的方通框体，方通框体的四周外部连接设有多个封板，一侧封板上设有门板，在机架一侧内部对称设有两个风扇，机架的底部设有两两对称的支脚，在机架的一侧上端设有急停开关。

7.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的固定架的上端一侧设有固定基板，固定基板一侧设有第一连接板，第一连接板的两侧设有直线导轨，第一连接板的一侧还设有镜头固定架，镜头固定架连接所述大视场光学镜头。

8.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的大视场光学镜头为双远心平行镜头。

9.如权利要求1所述的一键式3D轮廓测量设备，其特征在于，所述的照明光源为平行双远心光源、环形光源或同轴平行光源之一。

10.一种一键式3D轮廓测量设备的测量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用63*63的相机标定板对CCD相机进行标定，把标定板放置在CCD相机视场中的随机位置，拍图，找到标定板，拍18张有效图片，得出一个像素与实际距离之间的比例关系d1，实际距离的单位为mm；

S2：利用大视场光学镜头将产品轮廓影像缩小5-50倍后传递至CCD相机做数字化处理，同时通过3D测量软件预先内置的编程指令快速抓取产品轮廓图，测出的像素值与d1的乘积以及CCD相机与平台的角度可以换算得出实际物体的轮廓尺寸；

S3：在3D测量软件中建立模板，模板的目的是让3D测量软件能找到目标物体，再在图像中框选需要测量的项，测量以载物台为基准的点、线、圆、圆弧、R角等基本尺寸测量以及物体的高度；

S4：把测量物体运动到光谱共焦镜头下方，运动平台X轴和CCD相机的X轴之间的夹角α，运动平台Y轴和CCD相机的Y轴之间的夹角β，夹角α和夹角β也是XY运动方向分别与CCD相机之间的夹角；

S5：计算X轴夹角α：设定运动平台最左边点A(x₁，y₁)，最右边点B(x₂，y₂)，则夹角α：计算Y轴夹角β：设定运动平台最左边点C(x₃，y₃)，最右边点D(x₄，y₄)，则夹角β：

S6：设定图像x轴与马达x轴的夹角为α₁，图像x轴与马达x轴的夹角为β₁，设定光谱点为M(x₀，y₀),光谱仪坐标为G(x，y),则光谱点运动到光谱仪位置：马达x轴需运动：Δx＝|(x-x₀)|cosα₁+|(y-y₀)|sinβ₁；马达y轴需运动：Δy＝-|(x-x₀)|sinα₁+|(y-y₀)|cosβ1。