專利名稱：用于數(shù)控機床在位測量的非接觸三維光學測頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于數(shù)控機床的非接觸三維光學測頭。
背景技術：
隨著先進制造技術的飛速發(fā)展，給精密測量技術提出了越來越多新的挑戰(zhàn)。數(shù)控 技術是先進制造技術的基礎核心，數(shù)控加工過程的質量控制是精密測量領域迫切急需要解 決的問題之一，直接影響著產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的手工測量和離線測量雖然目前還 有著廣泛的應用，但不能適應現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需求。數(shù)控機床在位測量技術將加工和測量集成在一起，實現(xiàn)加工過程中的自動測量。 測量不再僅僅只是在最終對產(chǎn)品合格與否進行判斷，而是要將測量貫穿產(chǎn)品制造的整個過 程，使得制造過程成為具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，符合制造自動化技術向計算機集成制造系統(tǒng) (CMIS)階段發(fā)展的趨勢，才能有效地保證產(chǎn)品質量、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。目前，數(shù)控機床在位測量系統(tǒng)主要使用的是觸發(fā)式測頭，類似于傳統(tǒng)三坐標測量 機的工作模式，由于需要使用觸發(fā)式測頭來對工件進行三維尺寸測量，不可避免地引入接 觸式測量方法存在的不足，如測量過程中探針需要與被測工件表面發(fā)生觸碰，發(fā)生機械力 交互作用，測量力會引入系統(tǒng)誤差和隨機誤差，并且會損傷工件的表面，由于需要多次觸碰 和升降測頭，會對測量效率造成影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一 種用于數(shù)控機床在位測量的非接觸三維光學測頭，以期高效地對數(shù)控機床加工工件的幾何 尺寸進行高精度的在位測量，有效地縮短產(chǎn)品的制造周期和保障產(chǎn)品的生產(chǎn)質量。本實用新型解決技術問題采用如下技術方案本實用新型用于數(shù)控機床在位測量的非接觸三維光學測頭的結構特點是由影像 測量系統(tǒng)和聚焦定位系統(tǒng)構成；所述影像測量系統(tǒng)是在沿著第一豎直光軸線的方向上，在一密閉筒體中，從下而 上依次設置為被測工件、LED顯微鏡環(huán)形光源、顯微物鏡、立方體分光鏡、第一線偏振鏡、鏡 筒透鏡和工業(yè)CXD相機；在所述立方體分光鏡所在位置的第一水平光軸線上設置第二線偏 振鏡；所述聚焦定位系統(tǒng)是在一方形殼體中，以反射鏡與第二線偏振鏡同設在第一水平 光軸線上，在所述反射鏡和第二線偏振鏡之間設置準直透鏡；在所述反射鏡所在位置的第 二豎直光軸線上，自反射鏡起依次設置分光鏡、柱面像散透鏡和四象限探測器；在所述分光 鏡所在位置的第二水平光軸線上，自分光鏡起依次設置光柵和半導體激光器。與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型為非接觸光學測量方法，相對于手工測量，其速度快、精度高，能進 行自動化集成，將工作人員從繁重的檢測任務中解放出來。[0012]2、本實用新型可實現(xiàn)在位測量，相對于離線測量節(jié)省了工件拆卸、搬運、裝夾定位 所要花費的人力、物力和時間，減少了數(shù)控機床待機時間，提高了設備利用率，同時避免了 多次裝夾所引入的二次定位誤差，提高了加工精度，此外還節(jié)約了購置、使用和維護三坐標 測量機等貴重儀器設備所需投入的巨大成本，從而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使企業(yè)競爭力 得以提升。3、本實用新型非接觸三維光學測頭相對于觸發(fā)式測頭的數(shù)控機床在位測量系統(tǒng)， 其不需要與被測工件表面發(fā)生觸碰，避免了因測量力而引入的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，不會 損傷工件的表面，此外，由于測量過程中不需要多次觸碰和升降測頭，將大大地縮短測量時 間，有效地提高測量效率。4、本實用新型基于像散原理，采用硬件方法實現(xiàn)聚焦判斷，相對軟件方法進行聚 焦判斷，有著速度較快的優(yōu)點，另外，本實用新型的聚焦定位系統(tǒng)主要取自于DVD光學讀數(shù) 頭，故相對其他的硬件方法，成本更低，結構更緊湊。圖面說明


圖1為本實用新型數(shù)控機床在位測量系統(tǒng)總體結構框圖。圖2為本實用新型非接觸三維光學測頭結構示意圖。圖3為本實用新型視覺在位測量軟件總體結構框圖。圖4為本實用新型視覺在位測量軟件流程圖。圖中標號1影像測量系統(tǒng)、2聚焦定位系統(tǒng)、3密閉筒體、4方形殼體、5工件、6為 LED顯微鏡環(huán)形光源、7顯微物鏡、8立方體分光鏡、9第一線偏振鏡、10鏡筒透鏡、11工業(yè) CXD相機、12第二線偏振鏡、13準直透鏡、14反射鏡、15分光鏡、16柱面像散透鏡、17四象限 探測器、18光柵、19半導體激光器。
具體實施方式
本實施例中采用大連機床集團的立式數(shù)控銑床XD30A，以及FANUC Oi Mate數(shù)控 系統(tǒng)。參見
圖1，本實施例中的數(shù)控機床在位測量系統(tǒng)由立式數(shù)控銑床、非接觸三維光學 測頭、工控機和視覺在位測量軟件組成。非接觸三維光學測頭安裝在機床主體的Z軸上，定 義非接觸三維光學測頭Z軸方向坐標值為立式數(shù)控銑床的Z軸坐標值，伺服系統(tǒng)輸入端與 數(shù)控系統(tǒng)連接，伺服系統(tǒng)輸出端與立式數(shù)控銑床的電機連接，數(shù)控系統(tǒng)通過伺服系統(tǒng)驅動 電機轉動，數(shù)控系統(tǒng)與非接觸三維光學測頭連接，工控機分別與數(shù)控系統(tǒng)和非接觸三維光 學測頭連接。本實施例中，非接觸三維光學測頭由影像測量系統(tǒng)1和聚焦定位系統(tǒng)2兩部分所 組成；影像測量系統(tǒng)1是在沿著第一豎直光軸線的方向上，在一密閉筒體3中，從下而上 依次設置LED顯微鏡環(huán)形光源6、顯微物鏡7、立方體分光鏡8、第一線偏振鏡9、鏡筒透鏡 10和工業(yè)C⑶相機11 ；在立方體分光鏡8所在位置的第一水平光軸線上設置第二線偏振鏡 12 ；聚焦定位系統(tǒng)2是在一方形殼體4中，以反射鏡14與第二線偏振鏡12同設在第 一水平光軸線上，在反射鏡14和第二線偏振鏡12之間設置準直透鏡13 ；在反射鏡14所在位置的第二豎直光軸線上，自反射鏡14起依次設置分光鏡15、柱面像散透鏡16和四象限探 測器17 ；在分光鏡15所在位置的第二水平光軸線上，自分光鏡15起依次設置光柵18和半 導體激光器19。聚焦定位系統(tǒng)主要取自于DVD光學讀數(shù)頭，對半導體激光器19加電，發(fā)射約為0. 5 毫瓦的紅色激光束，經(jīng)光柵18衍射后形成測量光束，再經(jīng)分光鏡15、反射鏡14和準直透鏡 13，將激光束變成準直光束入射影像測量系統(tǒng)1。在影像測量系統(tǒng)中，準直光束經(jīng)第二線偏振鏡12、立方體分光鏡8和顯微物鏡7 后，在工件5上形成測量的聚焦光學焦點，其反射的光束沿原光路再經(jīng)過顯微物鏡7和立方 體分光鏡8后一部分射向第一線偏振鏡9，一部分射向第二線偏振鏡12。由于第一線偏振 鏡9和第二線偏振鏡12的偏振化方向相互垂直，射向第一線偏振鏡9的光束被遮蔽，射向 第二線偏振鏡12的光束則回射聚焦定位系統(tǒng)2，然后，再依次經(jīng)過準直透鏡13、反射鏡14 和分光鏡15后穿越柱面像散透鏡16投射到四象限探測器17。采取明場照明的方式，使影像測量系統(tǒng)全視場內(nèi)獲得明亮均勻的照明，光線經(jīng)顯 微物鏡7和立方體分光鏡8后一部分繼續(xù)沿第一豎直光軸線經(jīng)第一線偏振鏡9和鏡筒透鏡 10投射到工業(yè)CXD相機11，一部分則被轉折90°沿第一水平光軸線射出，部分射入聚焦定 位系統(tǒng)2，但由于聚焦定位系統(tǒng)2的入射孔徑很小，且非接觸三維光學測頭是密閉的，故能 射入聚焦定位系統(tǒng)2的普通光線數(shù)目很少，相對于激光束，普通光線對聚焦定位系統(tǒng)2的影 響可忽略不計。本實用新型應用于數(shù)控機床在位測量是先采用像散法對影像測量系統(tǒng)1進行聚 焦判斷，再采用影像測量法對工件進行二維尺寸測量。具體實施為顯微物鏡7使用Mitutoyo公司的10倍遠場校正長工作距離物鏡，其與鏡筒透鏡 10配合組成具有較長工作距離的顯微鏡頭，顯微鏡頭和工業(yè)C⑶相機11組合成一個影像測 量系統(tǒng)，采用影像投影測量中的表面測量的方式對工件5進行二維尺寸測量。影像測量系 統(tǒng)的成像區(qū)域與測量分辨率成反比例關系，為達到較高的測量精度，顯微鏡頭的視場很小， 故每次只能拍攝到工件5的局部圖像，因此對工件5位于測量平面的幾何元素進行測量時， 通常需在幾何元素的幾個不同位置處拍攝圖像，然后結合立式數(shù)控銑床在X和Y軸方向的 位移值，通過擬合計算的方法得到幾何元素的參數(shù)。本實施例中的聚焦定位系統(tǒng)2之所以直接取自于DVD光學讀數(shù)頭，是因為DVD光 學讀數(shù)頭在制作時，為了使其能正確地讀取高密度容量的資料軌跡，采用了高精度鏡片定 位結構和校正半導體激光橢圓光束為圓形光束的變光焦度準直透鏡，并且設置了功率控制 電路，其出射的激光具有極優(yōu)良的高穩(wěn)定功率、高平行性，且保持長距離仍是圓形的準直光 束，能很好地符合本實施例的需求。本實施例中的四象限探測器17的四個電壓信號輸出端為A、B、C和D，光束投射到 四象限探測器17，各象限接收的光強分別為QA、QB、Q。和QD，轉換成電壓信號輸出，并將聚焦 誤差信號定義為FES = [ (Qa+Qc) - (Qb+Qd) ] / (Qa+Qb+Qc+Qd)。根據(jù)光學像散原理，以工件5的 被測表面為反射面，當反射面位于顯微物鏡7的焦點位置時，四象限探測器17上的成像光 點為圓形，則FES = 0 ；當反射面處于離焦位置時，四象限探測器17上的成像光點形狀為橢 圓形，則FES興0。其中，在工作區(qū)域內(nèi)，Q = QA+QB+QC+QD保持不變，且最大，若FES > 0，成 像光點形狀為橫向橢圓形，則表示反射面未到達焦點位置；若FES < 0，成像光點形狀為縱向橢圓形，則表示反射面已越過焦點位置。由于四象限探測器輸出的是微弱電壓信號，因此 需在各電壓信號輸出端A、B、C和D設置信號放大電路，其中，采用兩級放大以提高信號的穩(wěn) 定性，且設置了積分保持電路以提高輸出信號的信噪比，還在各芯片的供電端都接一個濾 波電容以提高電源的抗干擾性。使用NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)信號放大電路處理后的 各電壓信號UA、UB、隊和Ud采集到工控機中，然后，根據(jù)聚焦誤差信號的定義，通過計算可求 得 FES 的值 Ufes = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)。本實施例定義U = UA+UB+UC+UD,聚焦位置Ufes = δ，針對不同材質的反射面，四象 限探測器17接收到的總光強Q會有所不同，即U會發(fā)生改變，但工作區(qū)域內(nèi)的U相對于其 它位置始終是最大的，且波動很小，基本保持不變。理論上，當δ =0時，反射面位于顯微 物鏡7的的焦平面，影像測量系統(tǒng)1聚焦，但由于DVD光學讀數(shù)頭是以它的全息非球面透 鏡為物鏡進行系統(tǒng)結構參數(shù)設計的，以及光學系統(tǒng)中存在衍射效應，故實際中的δ未必為 零，存在一定的偏差，因此需要對其進行校正。本實施例通過實驗的方法來確定δ的實際 值δ 0,以工業(yè)CXD相機11成像最銳利的位置作為聚焦定位系統(tǒng)2的零位，此位置的Ufes即 為δ0。另外，由于聚焦定位系統(tǒng)2同時起著Z軸方向定位的作用，兩個不同聚焦位置的非 接觸三維光學測頭Z軸方向坐標值的差值即為這兩個測量平面間的距離，實現(xiàn)在Z軸方向 對工件進行高度測量，因此需根據(jù)Z軸方向測量精度的要求，通過實驗確定聚焦窗口的值， 表示為δ。士 ε，在此范圍內(nèi)，工業(yè)C⑶相機11能夠清晰地成像。調(diào)節(jié)影像測量系統(tǒng)1聚焦的具體實施步驟為1、確定工作區(qū)域。保持工件5的位置不變，首先，通過驅動立式數(shù)控銑床的Z軸方 向電機，帶動非接觸三維光學測頭從距工件5較近的位置開始沿Z軸正向低速均勻運動，當 U在一段范圍內(nèi)波動很小，且相對最大時，即為所要確定的工作區(qū)域，然后，調(diào)節(jié)測頭的位 置，使其回至工作區(qū)域。2、聚焦定位。在工作區(qū)域內(nèi)，依據(jù)Ufes的值調(diào)節(jié)非接觸三維光學測頭的位置，若Ufes > δ0+ε ,則表示反射面離顯微物鏡7距離過遠，未到達焦點位置，需驅動電機使測頭沿Z 軸負向微移動，使顯微物鏡7接近工件5 ；若Ufes < δ0-ε ,則表示反射面離顯微物鏡7距 離過近，已越過焦點位置，需驅動電機使測頭沿Z軸正向微移動，使顯微物鏡7遠離工件5， 直至Ufes e [ δ。- ε，δ。+ ε ]，認為影像測量系統(tǒng)1聚焦。利用影像測量系統(tǒng)1對工件進行二維尺寸測量，聚焦定位系統(tǒng)2在Z軸方向對工 件進行高度測量，從而組合實現(xiàn)非接觸三維光學測頭對工件5的三維尺寸測量。如圖3所示，視覺在位測量軟件設有零件特征提取與識別模塊，測量路徑規(guī)劃模 塊，NC代碼生成模塊，模擬仿真模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和驗證比對模塊。各模塊的主要功能如 下1、零件特征提取與識別模塊用于在零件CAD模型中建立測量坐標系，提取零件特 征信息，并對其進行識別，將零件的幾何信息和加工工藝信息存入數(shù)據(jù)庫，供其他模塊調(diào)用。2、測量路徑規(guī)劃模塊用于規(guī)劃測量路徑，將測量過程視為旅行商問題(TSP)，目標 測量位置視為所要訪問的城市，通過對旅行商問題的求解，生成一條優(yōu)化的測量路徑。3、NC代碼生成模塊用于生成能被數(shù)控系統(tǒng)識別的沿測量路徑自動對工件進行測 量的NC代碼。[0042]4、模擬仿真模塊用于對測量過程進行模擬仿真，檢驗自動測量NC代碼的正確性， 避免測量過程中測頭與工件發(fā)生干涉。5、數(shù)據(jù)處理模塊用于對采集到的測量圖像進行處理，結合測量時非接觸三維光學 測頭的Z軸方向坐標值，通過計算得到測量結果。6、驗證比對模塊用于檢驗工件的幾何尺寸和公差是否合格，提供測量報告。如圖4所示，本實施例中的視覺在位測量軟件的工作流程為首先，導入零件CAD 模型，根據(jù)工件的實際裝夾位置，在測量平面上選取測量原點，建立測量坐標系，采用圖形 交互的方式，對零件特征信息進行提取與識別，得到零件的幾何信息和加工工藝信息。然 后，根據(jù)目標測量位置的坐標值對測量路徑進行規(guī)劃，生成一條從測量原點開始，結束后返 回測量原點的優(yōu)化的測量路徑。接著，選擇所使用的數(shù)控系統(tǒng)的型號，生成相應的能被其識 別的沿測量路徑自動對工件進行測量的NC代碼。然后，根據(jù)自動測量NC代碼對測量過程 進行模擬仿真，將校驗后的NC代碼通過RS232總線傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。測量時，通過1394B 高速數(shù)字圖像采集卡將測量圖像采集存儲到工控機中，測量完成后，結合非接觸三維光學 測頭的Z軸方向坐標值，通過運算處理得到測量結果。最后，將測量值與零件CAD模型中的 理論值進行比對，提供測量報告。本實施例的工作流程具體為首先，在工件加工坐標系中，驅動數(shù)控銑床的Z軸方向電機轉動，調(diào)節(jié)非接觸三維 光學測頭的位置，利用聚焦定位系統(tǒng)2對影像測量系統(tǒng)1進行聚焦判斷，確定測量平面，即 在Z軸方向對非接觸三維光學測頭進行定位。然后，采用圖形交互式的方式，在視覺在位測 量軟件中基于零件CAD模型生成自動測量NC代碼，再通過RS232總線將NC代碼傳送給數(shù) 控系統(tǒng)。采用LED顯微鏡環(huán)形光源6對影像測量系統(tǒng)1進行明場照明，使其全視場內(nèi)獲得 明亮均勻的照明，當非接觸三維光學測頭位于目標測量位置時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送脈沖信號觸 發(fā)工業(yè)CXD相機11拍攝圖像，再通過1394總線將圖像傳送給工控機。測量前，需根據(jù)生成 自動測量NC代碼時選取的測量原點，調(diào)節(jié)數(shù)控銑床工作臺的位置使影像測量系統(tǒng)1的光軸 與測量平面的交點為測量原點，設定測量坐標系。測量時，在測量坐標系中，根據(jù)NC代碼驅 動X和Y軸方向電機轉動，帶動工件5在測量平面內(nèi)運動，相當于驅動非接觸三維光學測頭 沿測量路徑對工件5進行自動測量。測量完成后，在視覺在位測量軟件中進行運算處理操 作，得到測量值，最后，進行驗證比對操作，獲得測量報告。
權利要求用于數(shù)控機床在位測量的非接觸三維光學測頭，其特征是由影像測量系統(tǒng)(1)和聚焦定位系統(tǒng)(2)構成；所述影像測量系統(tǒng)(1)是在沿著第一豎直光軸線的方向上，在一密閉筒體(3)中，從下而上依次設置為被測工件(5)、LED顯微鏡環(huán)形光源(6)、顯微物鏡(7)、立方體分光鏡(8)、第一線偏振鏡(9)、鏡筒透鏡(10)和工業(yè)CCD相機(11)；在所述立方體分光鏡(8)所在位置的第一水平光軸線上設置第二線偏振鏡(12)；所述聚焦定位系統(tǒng)(2)是在一方形殼體(4)中，以反射鏡(14)與第二線偏振鏡(12)同設在第一水平光軸線上，在所述反射鏡(14)和第二線偏振鏡(12)之間設置準直透鏡(13)；在所述反射鏡(14)所在位置的第二豎直光軸線上，自反射鏡(14)起依次設置分光鏡(15)、柱面像散透鏡(16)和四象限探測器(17)；在所述分光鏡(15)所在位置的第二水平光軸線上，自分光鏡(15)起依次設置光柵(18)和半導體激光器(19)。
專利摘要本實用新型公開了一種用于數(shù)控機床在位測量的非接觸三維光學測頭，其特征是由影像測量系統(tǒng)和聚焦定位系統(tǒng)構成非接觸三維光學測頭；首先采用像散法對影像測量系統(tǒng)進行聚焦判斷，確定測量平面，同時實現(xiàn)非接觸三維光學測頭的Z軸方向定位，獲得工件表面特征點的Z軸方向定位值；然后采用影像投影測量中的表面測量法對工件位于測量平面上的基本幾何元素進行二維影像測量，得到工件表面特征點的二維平面坐標值；再將二維平面坐標值結合Z軸方向定位值獲得工件表面特征點的三維空間坐標值。本實用新型可以高效地對數(shù)控機床加工工件的幾何尺寸進行高精度的在位測量，有效縮短產(chǎn)品的制造周期、保障產(chǎn)品質量。
文檔編號B23Q17/24GK201760804SQ20102029991
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權日2010年8月16日
發(fā)明者盧榮勝, 夏瑞雪, 李楠楠, 董敬濤 申請人:合肥工業(yè)大學