本發(fā)明涉及一種高深寬比小孔內(nèi)徑的檢測(cè)方法，尤其是機(jī)械加工中測(cè)量φ0.1mm～φ25mm內(nèi)孔的非接觸測(cè)量快速測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)度測(cè)量是幾何量測(cè)量中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，孔徑測(cè)量又是長(zhǎng)度測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和尖端產(chǎn)品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔越來越廣泛地應(yīng)用于汽車、電子、光纖通訊和流體控制等領(lǐng)域，這些應(yīng)用對(duì)微小孔的加工也提出了更高的要求。例如精密儀器上的軸孔、量針等，不僅要求孔徑大小準(zhǔn)確，而且要求孔壁光滑。有關(guān)內(nèi)外徑的高精度測(cè)量都是關(guān)鍵的技術(shù)問題，內(nèi)外徑測(cè)量和檢定校準(zhǔn)問題，量值傳遞和溯源問題也是越來越重要。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量程較大和精度較高的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)徑的在線檢測(cè)，這對(duì)于深孔加工過程中的質(zhì)量控制和提高裝配效率具有重要的意義。對(duì)這一尺寸的控制將直接影響儀器或加工件的裝配質(zhì)量甚至性能，因此，在對(duì)小尺寸孔類零件提出精密加工要求的同時(shí),也是對(duì)其檢測(cè)精度提出了更高的要求。在高深寬比小孔檢測(cè)的過程中,由于其檢測(cè)操作不便,效率低,檢測(cè)的難度較大?？最惲慵洼S類零件相比,即便公差等級(jí)相同,前者的檢測(cè)也要更加困難一些。由于很難保證在小孔表面和小孔徑深處的尺寸相同,特別是對(duì)于高深寬比且孔內(nèi)又是斷續(xù)的內(nèi)表面的這類特殊孔。由于很難保證在小孔表面和小孔徑深處的尺寸相同，特別是對(duì)于高深寬比且孔內(nèi)又是斷續(xù)的內(nèi)表面的這類特殊孔。在人工測(cè)量方法中無(wú)法判斷出測(cè)得的值是否是作用于截面的直徑。除此之外，精密類零件為滿足高精度的配合問隙，其內(nèi)工作表面的粗糙度也要求很高，即便是平常被人們認(rèn)為測(cè)量精度很高的傳感器，也可能因?yàn)闇y(cè)量力的存在造成測(cè)量誤差并有可能劃傷零件內(nèi)孔壁。因此，深小孔類精密零件的高精度、高效、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量就成為一個(gè)較難實(shí)現(xiàn)的問題。目前作為內(nèi)徑尺寸測(cè)量，主要是通過高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)是接觸式比較測(cè)量，而且Φ12mm以下孔徑的精密的測(cè)量，通常采用電眼測(cè)量，測(cè)針測(cè)量，測(cè)針測(cè)量要探測(cè)到工件內(nèi)部，測(cè)針有一定的體積而且有一定的測(cè)量力。高精度三坐標(biāo)也是接觸式間接測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量，因此，高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行小孔測(cè)量都屬于接觸測(cè)量，均會(huì)產(chǎn)生接觸變形，產(chǎn)生測(cè)量誤差。接觸式測(cè)量方法的操作誤差較大，對(duì)深孔的測(cè)量不便；非接觸法大多只能測(cè)量通孔，且受到小孔端面形貌的影響較大，不能獲得小孔任意截面的信息；激光掃描CCD成像方法國(guó)內(nèi)還沒有產(chǎn)品化，造價(jià)相對(duì)較高，不便于大批量的投入使用。現(xiàn)有技術(shù)小孔綜合檢測(cè)方法是由光學(xué)分度頭、光學(xué)檢驗(yàn)器等附件配合組成的。一般情況下,由于沒有專用儀器和其它更好的測(cè)量方法,只能靠工藝來保證小孔尺寸,或者用針插法來測(cè)量孔徑,但這都不太準(zhǔn)確、可靠。對(duì)于孔深達(dá)4mm的微小孔，由于所測(cè)量的微小孔孔徑較小，可控光源無(wú)法準(zhǔn)確地深入孔內(nèi)，故無(wú)法用光干涉原理的方法測(cè)量。若采用直接接觸式測(cè)量方法，雖然探頭直徑比微小孔內(nèi)徑小，但與其連接的后續(xù)部分太大，使得探頭無(wú)法深入微小孔內(nèi)部進(jìn)行直接測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量方法存在的不足之處，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高，以高精度光柵尺為長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，利用合像瞄準(zhǔn)技術(shù)，進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的非接觸式測(cè)量方法，以解決一直困擾長(zhǎng)度測(cè)量的Φ0.1mm～Φ25mm以下的小孔精密測(cè)量難題的小孔測(cè)量方法。

本發(fā)明解決其問題所采用的技術(shù)方案是：一種合像測(cè)量深小孔類孔徑的非接觸測(cè)量方法，具有如下技術(shù)特征：首先是找直徑最大處，CCD遠(yuǎn)心鏡頭1通過底座5弓形臂正對(duì)被測(cè)工件2，瞄準(zhǔn)深小孔，將合像光束“伸入”被測(cè)孔內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)量，在影像感應(yīng)器9上刻有一個(gè)種基準(zhǔn)圓15，同時(shí)在影像感應(yīng)器9上產(chǎn)生一個(gè)種基準(zhǔn)圓15與被測(cè)工件2的圓弧邊緣影像13相交的長(zhǎng)度不一致的兩個(gè)交點(diǎn)，其中，種基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16、種基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)17，通過計(jì)算機(jī)找正基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)11差值≤1μm，即基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)11的差值≤1μm時(shí)找到了被測(cè)工件2直徑最大處；然后，消除垂直度誤差，由于被測(cè)工件2端面與微調(diào)工作臺(tái)8存在不垂直誤差,當(dāng)被測(cè)工件2孔壁測(cè)量面靠近鏡頭光軸12時(shí)，部分光束因被測(cè)工件2中心與光軸12不重合及被測(cè)工件2端面與微調(diào)工作臺(tái)8存在不垂直度，光線被被測(cè)工件2的邊緣遮蓋，而另一部分光線被孔壁測(cè)量面10反射，反射影像18和邊緣影像13通過計(jì)算機(jī)三維位置調(diào)整控制軟件分別控制微調(diào)工作臺(tái)8上的三維伺服電機(jī)，將反射的影像18和未反射的邊緣影像13逐漸調(diào)整向光軸12靠近，直到基準(zhǔn)圓中心線距離22、距離23均等于0時(shí)，邊緣影像13與反射影像18在光軸12處相切合成為一個(gè)被測(cè)尺寸的邊緣合像點(diǎn)20，計(jì)算機(jī)控制軟件將邊緣合像點(diǎn)20作為此時(shí)瞄準(zhǔn)的一個(gè)長(zhǎng)度基準(zhǔn)點(diǎn)，并根據(jù)在基準(zhǔn)點(diǎn)位置時(shí)精密光柵尺位置尺寸，得到被測(cè)工件2的孔徑一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸。同理，被測(cè)工件2移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，孔徑另一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸也由此方法得到，通過計(jì)算得到兩點(diǎn)尺寸，因而得到被測(cè)工件2的尺寸。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明采用Y軸移動(dòng)伺服電機(jī)3，水平調(diào)整伺服電機(jī)4，儀器底座5，X軸移動(dòng)伺服電機(jī)6，X軸向移動(dòng)工作臺(tái)7，微調(diào)工作臺(tái)8和CCD遠(yuǎn)心鏡頭組成像測(cè)量深小孔類孔徑的非接觸測(cè)量方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工件的安裝、測(cè)量變得非常直觀、易于操作，儀器以直接測(cè)量方式工作，測(cè)量時(shí)不需要用標(biāo)準(zhǔn)件比對(duì)。采用合像瞄準(zhǔn)方法結(jié)合CCD遠(yuǎn)心鏡頭1對(duì)圖像采集，通過計(jì)算機(jī)軟件控制，調(diào)整微調(diào)工作臺(tái)8及各伺服電機(jī)，即可調(diào)整工件的X、Y方向的傾斜及工件的水平方向移動(dòng)，提高了瞄準(zhǔn)精度及測(cè)量效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)低成本高回報(bào)、操作較簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法。

測(cè)量效率高。本發(fā)明采用CCD遠(yuǎn)心鏡頭1通過底座5弓形臂正對(duì)被測(cè)工件2，瞄準(zhǔn)深小孔，將合像光束“伸入”被測(cè)孔內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)量，利用合像瞄準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的非接觸測(cè)量的小孔，采用CCD遠(yuǎn)心鏡頭1配合Y軸移動(dòng)伺服電機(jī)3，水平調(diào)整伺服電機(jī)4，微調(diào)工作臺(tái)8，通過計(jì)算機(jī)控制CCD遠(yuǎn)心鏡頭1、水平調(diào)整伺服電機(jī)4、X軸移動(dòng)伺服電機(jī)6、X軸向移動(dòng)工作臺(tái)7及微調(diào)工作臺(tái)8找正零件得出測(cè)量結(jié)果，運(yùn)用CCD遠(yuǎn)心鏡頭1像方遠(yuǎn)心光路，將孔徑光闌放置在光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上，像方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn)的像方遠(yuǎn)心光路,可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差。通過觀測(cè)被測(cè)截面成像的幾何關(guān)系和調(diào)整工作臺(tái)，保證了被測(cè)件處于正確的測(cè)量位置上。相比于現(xiàn)有技術(shù)接觸式測(cè)頭，光學(xué)測(cè)頭不用找拐點(diǎn)，既減少了測(cè)量次數(shù)，提高了測(cè)量精度。測(cè)量?jī)?nèi)徑的端點(diǎn)定位方式,采用合像瞄準(zhǔn)。合像的像點(diǎn)20相當(dāng)于接觸式測(cè)頭的探針，可以“伸到”被測(cè)孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。將“像點(diǎn)”作為觸頭與被測(cè)面接觸，不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量力，更不會(huì)損害工件的被測(cè)面，可以在測(cè)量0～25mm的尺寸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生接觸變形，因而提高了測(cè)量精度。

測(cè)量精度高。本發(fā)明采用高精度光柵尺，測(cè)量范圍是0～25mm，分度刻度為0.0005mm，重復(fù)精度≤1μm，CCD遠(yuǎn)心鏡頭種基準(zhǔn)圓15下基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)11上基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16分別形成相對(duì)于被測(cè)工件2的圓弧邊緣影像13，當(dāng)被測(cè)工件2孔壁測(cè)量面靠近鏡頭光軸12時(shí)，部分光束因?yàn)楸粶y(cè)工件2中心與鏡頭光軸12不重合及測(cè)工件2端面與微調(diào)工作臺(tái)8不垂直，光線因而被被測(cè)工件2的邊緣遮蓋，而另一部分光線被孔壁測(cè)量面10反射，反射影像18和邊緣影像13通過計(jì)算機(jī)三維位置調(diào)整控制軟件分別控制微調(diào)工作臺(tái)8上的三維伺服電機(jī)，將反射的影像18逐漸調(diào)整向邊緣影像13移動(dòng)，靠近至邊緣影像13，直到反射影像18與邊緣影像13在光軸12處相切合成為一個(gè)被測(cè)尺寸的邊緣合像點(diǎn)20，計(jì)算機(jī)控制軟件將邊緣合像點(diǎn)20作為此時(shí)瞄準(zhǔn)的一個(gè)長(zhǎng)度基準(zhǔn)點(diǎn)，并根據(jù)記錄采集到的邊緣像點(diǎn)20基準(zhǔn)點(diǎn)位置尺寸，得到被測(cè)工件2的孔徑一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸。同理，被測(cè)工件2移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，孔徑另一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸也由此方法得到，通過計(jì)算得到兩點(diǎn)尺寸，因而得到被測(cè)工件2的尺寸，融合了光纖非接觸與接觸式探頭二者的優(yōu)點(diǎn),非接觸式檢測(cè)高深寬比小孔內(nèi)徑,并對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析,

附圖說明

圖1是本發(fā)明合像測(cè)量深小孔類孔徑的非接觸測(cè)量裝置構(gòu)造示意圖。

圖2是未找到被測(cè)工件2直徑最大處時(shí)示意圖。

圖3是圖1的CCD遠(yuǎn)心鏡頭種基準(zhǔn)圓合像瞄準(zhǔn)被測(cè)工件2孔后存在垂直度誤差時(shí)，反射影像18與邊緣影像13距離光軸12的示意圖。

圖4是圖1的CCD遠(yuǎn)心鏡頭種基準(zhǔn)圓合像瞄準(zhǔn)被測(cè)工件2后垂直已經(jīng)消除光路示意圖。

圖5是圖1的CCD遠(yuǎn)心鏡頭瞄準(zhǔn)被測(cè)工件2后如何消除垂直度誤差光路示意圖。

圖中：1 CCD遠(yuǎn)心鏡頭，2被測(cè)工件，3 Y軸移動(dòng)伺服電機(jī)，4水平調(diào)整伺服電機(jī)，5底座，6 X軸移動(dòng)伺服電機(jī)，7 X軸向移動(dòng)工作臺(tái)，8微調(diào)工作臺(tái)，9影像感應(yīng)器，10被測(cè)工件孔壁面，11瞄準(zhǔn)物鏡，12鏡頭光軸，13被測(cè)工件2邊緣影像，15種基準(zhǔn)圓，16種基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)，17種基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)，18反射影像，19 CC中投影鏡頭，20邊緣合像點(diǎn)，21光源，22反射影像18最高點(diǎn)到種基準(zhǔn)圓中心線距離，23邊緣影像13最高點(diǎn)到種基準(zhǔn)圓中心線距離，24垂直的誤差。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1-圖4。在以下描述的一個(gè)實(shí)例中，一種合像測(cè)量深小孔類孔徑的非接觸測(cè)量裝置，包括：放置工件的微調(diào)工作臺(tái)8及其固定微調(diào)工作臺(tái)8的底座5和通過計(jì)算機(jī)控制的CCD遠(yuǎn)心鏡頭1，CCD遠(yuǎn)心鏡頭1通過底座5弓形臂正對(duì)被測(cè)工件2。按直角坐標(biāo)系，微調(diào)工作臺(tái)8、兩個(gè)軸線互為垂直的Y軸移動(dòng)伺服電機(jī)3和水平調(diào)整伺服電機(jī)4在水平方向它們的軸線相交于坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)Z向軸線重合于CCD遠(yuǎn)心鏡頭1光軸，且水平調(diào)整伺服電機(jī)4受控于計(jì)算機(jī)。在底座5的上端平面上設(shè)有沿X軸方向滑移的移動(dòng)工作臺(tái)7，底座5的側(cè)平面上設(shè)有控制移動(dòng)工作臺(tái)7沿X軸移動(dòng)的X軸移動(dòng)伺服電機(jī)6。

CCD遠(yuǎn)心鏡頭1通過底座5弓形臂正對(duì)被測(cè)工件2，瞄準(zhǔn)深小孔，將合像光束“伸入”被測(cè)孔內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)量，合像光束產(chǎn)生一個(gè)種基準(zhǔn)圓15，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)在種基準(zhǔn)圓15的鏡頭光軸12一側(cè)與種基準(zhǔn)圓相交的長(zhǎng)度不一致的交點(diǎn)，其中，邊緣影像13、種基準(zhǔn)圓下基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)11分別形成相對(duì)于被測(cè)工件2的圓弧邊緣影像13，當(dāng)被測(cè)工件2孔壁測(cè)量面靠近鏡頭光軸12時(shí)，部分光束因?yàn)楸粶y(cè)工件2中心與鏡頭光軸12不重合及測(cè)工件2端面與微調(diào)工作臺(tái)8不垂直，光線因而被被測(cè)工件2的邊緣遮蓋，而另一部分光線被孔壁測(cè)量面10反射，反射影像18和邊緣影像13通過計(jì)算機(jī)三維位置調(diào)整控制軟件分別控制微調(diào)工作臺(tái)8上的三維伺服電機(jī)，將反射影像18逐漸調(diào)整向邊緣影像13移動(dòng)，靠近至邊緣影像13，直到反射影像18與邊緣影像13圓弧圖像在光軸12處相切合成為一個(gè)被測(cè)尺寸的邊緣合像點(diǎn)20，計(jì)算機(jī)控制軟件將邊緣合像點(diǎn)20作為此時(shí)瞄準(zhǔn)的一個(gè)長(zhǎng)度基準(zhǔn)點(diǎn)，并根據(jù)記錄采集到的邊緣像點(diǎn)20基準(zhǔn)點(diǎn)位置尺寸，計(jì)算得到被測(cè)工件2的孔徑一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸。同理，被測(cè)工件2移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，孔徑另一個(gè)邊點(diǎn)的尺寸也由此方法得到，通過計(jì)算得到兩點(diǎn)尺寸，因而得到被測(cè)工件2的尺寸，在計(jì)算機(jī)顯示屏上得到微小孔內(nèi)表面的直觀圖像。

參閱圖5。當(dāng)被測(cè)工件2放置在微調(diào)工作臺(tái)8上，非接觸測(cè)量裝置及計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，CCD遠(yuǎn)心鏡頭1通過影像感應(yīng)器9，觀察到被測(cè)工件2孔壁反射圖像的邊緣影像13與反射影像18，CCD遠(yuǎn)心鏡頭通過計(jì)算機(jī)控制軟件找測(cè)工件2孔徑的最大直徑。當(dāng)被測(cè)工件2的邊緣影像13與CCD遠(yuǎn)心鏡頭1的種基準(zhǔn)圓弧15的種基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與反射影像18的種基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)17前后不一致而不相等時(shí)，通過計(jì)算機(jī)采集影像感應(yīng)器9基準(zhǔn)圓上中的基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)17的長(zhǎng)度尺寸，通過控制軟件控制微調(diào)工作臺(tái)8移動(dòng)，直到邊緣影像13與基準(zhǔn)圓弧15的基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)17前后不一致的差值在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制X軸移動(dòng)伺服電機(jī)6和移動(dòng)工作臺(tái)7的移動(dòng)，找正基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)17差值≤1μm，當(dāng)基準(zhǔn)圓上交點(diǎn)16與基準(zhǔn)圓下交點(diǎn)11的差值≤1μm時(shí)，即找到了被測(cè)工件2直徑最大處。

當(dāng)找到了被測(cè)工件2直徑最大處尺寸后，當(dāng)被測(cè)工件2邊緣最高點(diǎn)到達(dá)鏡頭光軸12，邊緣影像13最高點(diǎn)到種基準(zhǔn)圓中心線距離23等于0，但是被測(cè)工件2端面與微調(diào)工作臺(tái)8不垂直，反射影像18最高點(diǎn)到種基準(zhǔn)圓中心線距離22不等于0時(shí)，計(jì)算機(jī)又發(fā)出指令使微調(diào)工作臺(tái)8逐漸旋轉(zhuǎn)，控制微調(diào)工作臺(tái)8，帶動(dòng)被測(cè)工件2向鏡頭光軸12逐漸移動(dòng)。反射影像18最高點(diǎn)到種基準(zhǔn)圓中心線的距離22逐漸向鏡頭光軸12移動(dòng)，在影像感應(yīng)器9中反射影像18逐漸向光軸12移動(dòng)，直至種基準(zhǔn)圓中心線距離22等于0，反射影像18與邊緣影像13合像為一個(gè)點(diǎn)，反射影像18相切于邊緣影像13，這時(shí)被測(cè)工件2端面不垂直度已經(jīng)消除，計(jì)算機(jī)記錄采集此時(shí)的光柵尺位置尺寸，此時(shí)計(jì)算機(jī)軟件發(fā)出信號(hào)，移動(dòng)被測(cè)工件2到另一側(cè)，用同樣方法瞄準(zhǔn)被測(cè)零件的另一面，計(jì)算機(jī)也記錄采集此時(shí)的光柵尺位置尺寸，測(cè)出兩相切點(diǎn)位置尺寸，計(jì)算得到被測(cè)工件2的尺寸。