高精度非接觸三維面型測量裝置的製作方法

2023-09-17 09:49:35

專利名稱：高精度非接觸三維面型測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度非接觸三維面型測量裝置。具體涉及對物體表面的精細結構 進行非接觸快速高精度動態測量的系統。本發明還涉及一種表面三維面型高精度非接觸微 觀測量方法。
背景技術：
在生產和科研實踐中，常需要對許多物體的表面面型進行測量，即測量表面的微觀 結構。在許多情況下，得知表面的三維結構，尤其是精細的三維結構尤為難得和重要。現 有技術中有以下測量表面面型的方法
1. 圖像技術測量
最為常見的面型測量方法是對物體表面進行拍攝，從垂直於被測表面的方向獲取被 測物圖像。但顯而易見，無論拍攝儀器的精度有多高，所得到的圖像僅為物體表面的二維 結構信息，第三維信息只能通過光照的明暗來推測。在較為光滑的表面，即凹凸不明顯的 表面，很難得到正確的面型數據。
2. 接觸式測量
為同時獲取表面第三維，即高度的測量數據，現有技術中有人採用接觸式測量方法，
即用探測頭直接探測表面的高度，結合二維測量的數據，得到三維結構信息。但此方法存 在一些問題
一是不能測量精細和複雜表面。因為測量頭是機械裝置，無法對精細表面進行微觀 面型測量，只能通過較大間距的測量後通過特徵面的擬合來獲得面型信息，這樣得到的是 誤差很大的數據，將使測量結果變得毫無意義；
二是只能測量硬質表面。因為軟質表面在測量探頭觸到後會發生變形，得到不正確
的表面信息；
三是難以測量不能直接接觸的物質。許多待測物是有毒有害物質，如放射性物質，
腐蝕性化學物質等，不能直接接觸，需要將被測物與測量者及測量儀分隔，以保證安全。 3.非接觸雷射測量法
雷射測量法克服了上兩種測量方法的不足，可以非接觸測量得到物體的結構信息。
+但現有技術的測量方法是被動測量，被動測量是在測量裝置中安裝光柵測量系統，由 測量頭(測量傳感器)觸發光柵測量系統獲取測量數據。這種裝置結構複雜，成本高、儀 器安裝麻煩、且在測量過程中容易引起測量的二次誤差。
如德國FAR0公司的雷射測量儀，如掃描測量臂(FARO Scanner Arm)、跟蹤測量臂(FARO Track Arm)、雷射跟蹤儀(Laser Tracker)等均可以進行非接觸式測量，進行三維表面 形狀比較、2D橫斷分析和輪廓檢測。用於檢測機器上的部件尺寸。(參見www. faro.com)。 該測量裝置是進行距離測量，即測量從傳感器到被測物間的距離。主要用於測量較大型結 構件的幾何尺寸、位置關係等，但不是用於測量精細表面的三維面型。
此外，已有測量裝置的測量方式是通過測量傳感器運動而間接獲得被測物信息的方 式，因此測量過程中會產生較大阿貝誤差。

發明內容
本發明的目的是研製一種高精度非接觸三維面型測量裝置，可對物體表面的精細結構 進行非接觸的主動式測量。
本發明提供的高精度非接觸三維面型測量裝置包括基座、工作檯面、龍門支架、x向
運動單元、Y向運動單元、Z向運動單元、Z向安裝架、雷射測量傳感器和控制計算機， 其特徵是X向運動單元固定在基座上，龍門支架固定於基座上，Y向運動單元設置於 龍門支架上方，Z向運動單元通過Z向安裝架設置於Y向運動單元上，雷射測量傳感器 固定於Z向運動單元上，工作檯面設置於所述X向運動單元上。
所述基座和龍門支架的優選材料是天然石材或人造石材，如經精密磨削加工後的大理 石或人造石，因其為整個系統精度保證的基礎，需要有較高穩定性；
為保證測量精度，優選的工作檯面是高精度臺面，其平面度小於2微米。如採用鋼材 料經熱處理，且表面經刮研處理；
所述運動單元是控制傳感器或被測物往復直線運動的部件，可以具有完成此目的的不 同結構。在本發明一個實施例中，所述X向和Y向運動單元包括有運動平臺、絲杆、驅動 電機和直線導軌，電機帶動絲杆旋轉，驅動運動平臺運動，直線導軌可以保證運動的直線 度。Z向運動單元的結構與X向和Y向運動單元相同，但在運動平臺上安裝有雷射測量傳 感器。
所述控制計算機與X、 Y、 Z向運動單元及雷射測量傳感器連接，控制各向運動單元移 動，進而控制雷射測量傳感器與被測物的測量距離，同時讀取和處理所述雷射測量傳感器 獲取的掃描數據，並以圖形方式顯示。
作為本發明的進一步改進，在所述Z向安裝架未安裝Z向運動單元的一側，設置有配 重塊，使Z向安裝架兩側重量平衡，減小Z向運動單元單邊安裝傳感器重力不平衡造成的 擾動而帶來的測量誤差。所述配重塊的材料形狀不限，優選的形狀為長方體，材料為金屬 或石材，大小和重量以滿足Z向安裝架兩側重量平衡為限。
可根據測量要求的不同需要選擇不同測量精度的雷射測量傳感器，當需要進行高精度 測量時，應選用高精度傳感器，如測量精度為0.01微米或測量精度更高的雷射三角測量 傳感器，採用雷射三角測量法進行非接觸測量。
非接觸式雷射三角測量法原理。
雷射器的軸線、成像物鏡的光軸以及CCD線陣，三者位於同一個平面內。雷射光源 作為測量的指示光源，將一個理想的點光斑投射在被測表面上。該光斑將隨其投射點位置 的深度坐標變化而沿著雷射器的軸向作同樣距離的位移。點光斑同時又通過物鏡成像在 CCD線陣上，且成像位置與光斑的深度位置有唯一的對應關係。測出CCD線陣上所成實 像的中心位置，即可通過幾何光學的計算方法求出光斑此刻的深度坐標，從而得到被測表 面該點處的深度參數。通過對若干採樣點的測量，得到被測表面形貌的一組數據。利用顯 微物鏡對焦深及其敏感的特點，在對象共焦層面產生清晰的圖像並投射到圖像傳感器上； 而其餘區域的圖像則是模糊的。這種基本的光學三角法測量屬於逐點測量。參見附圖3。
本裝置採用主動測量的方式，即測量傳感器直接獲取測量值。測量時，被測物安放在 工作檯面上，被測物運動，而測量傳感器不動，以提高測量的精度。
測量過程是:在測量準備階段，固定有雷射測量傳感器的Z向運動單元上下垂直運動， 控制傳感器與工作檯面間的不同高度，調整傳感器到與被測物的合理高度，保證在其量程 範圍內；在測量的過程中，Z向運動單元不運動，X向運動單元帶動工作檯面，控制被測物在設定的長度範圍內相對X嚮往復運動，同時Y向運動單元按照設定的測量間距(如 10-20微米)，控制傳感器的相對Y嚮往復運動。
本裝置通過設置可以自動按照行——列的順序進行掃描測量，得到被測區域內均勻間 隔的點陣。可以根據需要任意設置每個採樣點間的間距，如10微米或20微米等。
所得的掃描數據為每個採樣點坐標位置的高度值，掃描結束後即可進行數據處理，數 據處理結束會生成掃描數據的新數據文件。 +獲取的數據為按設定掃描範圍和掃描間距分布的數據矩陣。將海量數據進行處理，即 以圖形的方式顯示，便於觀察和分析。如將數據分為256級的圖像，即將每點的灰度值用 相應軟體描述成灰度圖象。也可採用imageware軟體將數據形成三維立體圖。
通過以上測量計算可以將被測物表面的微觀結構數位化，由此獲得被測物表面的微觀 三維面型。由於測得的數據是每個採樣點坐標位置的高度值，通過曲面擬合算法進行三維 重構，進而獲得各項參數，如皮革紋理形狀和深度、半球形件的外形尺寸、球度、表面氣 泡的形狀，還可以分析出氣泡的容積、兩個相互貼合的表面的貼合度等。
本發明的優點如下
1、 非接觸測量方法，可以測量軟質表面和不能直接接觸的有毒有害物質表面的微觀 三維面型、尺寸、狹縫、表面狀態等，保證了測量操作人員的安全；
2、 為主動測量系統，被測物運動，而非測量頭運動；直接由傳感器測量Z向相對高 度。傳統的測量是通過接觸式測頭接觸被測點後，觸發測量光柵獲取相對位置值。裝置中 不需要安裝複雜的光柵測量系統，成本低、系統結構簡單。同時主動測量不會造成測量的 二次誤差，測量精度高。
3、 釆用被測物一維運動的方式，改變了傳統的測量系統中釆用測量單元三維運動的 方式，最大限度地減小了測量過程中的阿貝誤差。
4、 基座採用石材，穩定性好，有利於減少測量誤差。
+ 5、採用配重的方法，減小了 Z向運動單元繞支架的偏轉造成的測量誤差。


圖1是高精度非接觸三維面型測量裝置一種實施方式的總體示意圖，圖中1是基座， 2是X向運動單元，3是工作檯面，4是龍門支架，5是Z向安裝架5， 6是Y向運動單元， 7是配重塊，8是雷射三角法測量傳感器，9是Z向運動單元； 圖2是一種Z向運動單元示意圖，圖中IO是運動單元驅動電機，ll是運動平臺，12 是運動單元安裝基座，13是高精度直線導軌，14是絲杆；
圖3是三角測量法原理圖。圖中15是雷射光源，16是聚焦透鏡，17是成像物鏡，18 是CCD線，19是被測表面；
圖4是測量過程中控制計算機掃描參數設置對話框；
圖5是微細軟質材料——牛皮測量得到的面型三維立體圖； 圖6是硬質材料——硬幣測量得到的微觀面型三維立體具體實施例方式
實施例1帶有配重塊的高精度非接觸三維面型測量裝置
從圖l可以看出
龍門支架4固定在基座1上，與基座l垂直；X向運動單元2也安裝在基座l上；工
作臺面3安裝在X向運動單元2上。X向運動單元2在動態測量過程中帶動被測物作X向 往復運動；
Y向運動單元6固定在龍門支架4上方；
Z向安裝架5安裝在Y向運動單元6上，Z向運動單元9安裝在Z向安裝架5上，激 光三角法測量傳感器8固定在Z向運動單元9上；
;配重塊7是鋼材料，長方體形狀，安裝在Z向安裝架5上，用於保證Z向安裝架5兩 邊的重量，減小由於雷射三角法測量傳感器8和Z向運動單元9單邊安裝時重力不平衡造 成的擾動。
控制計算機與X、 Y、 Z向運動單元及雷射測量傳感器連接,控制各向運動單元移動， 同時控制雷射測量傳感器與被測物的測量距離,讀取和處理所述雷射測量傳感器獲取的掃 描數據，並以圖形方式顯示。
控制計算機軟體界面設置有如下部分
運動控制部分按鈕，可調整掃描頭至指定位置；
掃描參數設置，供輸入相應的掃描參數
快速定位，系統在被測範圍內作"之"字形快速採樣運動 +存儲設備，可實時保存掃描數據；
數據處理，有"載入數據"和"輸出圖像"按鈕。
實施例2 —種Z向運動單元實施方式
圖2是Z向運動單元示意圖。運動平臺ll上安裝傳感器，由運動平臺ll帶著傳感器
運動。運動單元安裝基座12用於固定在其他部件上，運動平臺11在高精度直線導軌13 支撐上作直線往復運動，高精度直線導軌13可以保證運動平臺11運動的直線度。絲杆14 可在運動單元驅動電機10的帶動下旋轉，絲杆14與運動平臺11構成蝸輪蝸杆部件可驅 動運動平臺11運動。
實施例3硬質材料——硬幣面型測量
1、 測量準備
1) 將待測1元硬幣放置在實施例1所述測量裝置的作業平臺上，正面朝上。
2) 調整掃描頭至指定位置，設置掃描的幅面大小，在控制計算機控制軟體中設置相 應參數(乂=20000微米，幅面Y-20000微米，間距=20微米)。
3) 啟動快速定位功能，即系統在被測範圍內作"之"字形快速採樣運動，分析系統 可能越界的地方。
4)調整測量傳感器與被測物的相對位置，獲取"之"字形掃描區域的相對高度數據值， 為0.011 mm—0.013 mm，如果超出了傳感器的測量範圍，則會在獲取的數據中出現"——" 的數據，即不可見數據，通過分析這些數據的分布，如獲取的最小值為0.005mm，可見數 據的最大值為O.lOlmm，根據測頭的測量範圍如4mm，是指測量為正負2mm內有效，Z項 運動單元應向上運動，保證最小值和最大值在正負2mm的中間位置分布。
針對存在的越界區域，自動調整測頭的相對位置，保證被測物和測頭在允許的範圍內。 的滿足測量量程。
2、 測量
1)掃描圖樣
a、 通過"運動控制"部分按鈕調整掃描頭至指定位置；
b、 如圖4所示，點擊"開始掃描"按鈕，開始掃描。輸入想要保存的文件名。掃描數 據文件保存類型為DAT格式，點擊"保存"後，掃描開始。
系統在掃描結束後能自動關閉掃描處理，不須用戶介入。
c、 掃描過程
首先定位好開始測量點，從設定的掃描起始位置開始，首先由X向運動單元運動，帶 動工作檯面和被測物一起勻速運動，在運動的過程當中，測量頭按照均勻間隔獲取硬幣正 面的對應位置的相對高度值，並實時將數據保存在存儲設備中，當X向運動到所設定的長 度(20000微米)範圍後停止，此時X向運動單元反向運動回原始位置，同時Y向運動單
元按照設定的20微米Y向測量間距運動一個測量距離，然後X向運動單元再次正向運動， 往復。
在測量的過程中，Z向運動單元不運動。
測得的每個採樣點坐標位置的高度值為按設定掃描範圍和掃描間距分布的數據矩陣，
其分布如下
image see original document page 9此處採用的處理方法是將數據以灰度的形式描述為灰度圖象。灰度圖象是指將數據分
為256級的圖像，先分析出海量數據中的最大值和最小值，記為^4ax和^自。對應每點的 灰度值即是
256*|(^,廣
formula see original document page 9
將每點的灰度值用相應軟體描述成灰度圖像。
點擊掃描控制軟體界面"載入數據"按鈕，數據載入結束後，通過點擊"確定"按鈕 可以看到灰度色階的相應位置，並可以將輸入的值保存到文件中。如果想輸出二值圖像， 則'將最大最小值輸入為一樣，按"確定"按鈕即可。 4、輸出圖像
在完成載入數據處理後點擊"輸出圖像"按鈕，見圖5。
實施例4微細軟質材料——牛皮面型測量
測量方法和過程同實施例3，但Y向運動單元設定的測量間距是10微米。測量結果 輸出圖像見圖6。
權利要求
1.一種高精度非接觸三維面型測量裝置，包括基座(1)，工作檯面(3)，龍門支架(4)，X向運動單元(2)，Y向運動單元(6)，Z向運動單元(9)，Z向安裝架(5)，雷射測量傳感器(8)和控制計算機，其特徵是X向運動單元(2)固定在基座(1)上，龍門支架(4)固定在基座(1)上，Y向運動單元(6)設置於龍門支架(4)上方，Z向運動單元(9)通過Z向安裝架(5)設置於Y向運動單元(6)上，雷射測量傳感器(8)固定於Z向運動單元(9)上，工作檯面(3)設置於X向運動單元(2)上。
2. 根據權利要求1所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述基座(l)和龍門支架 (4)的材料是天然石材或人造石材。
3. 根據權利要求1所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述工作檯面(3)的平面 度小於2微米。
4.根據權利要求1所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述運動單元包括有運 動平臺(11)、絲杆(14)、驅動電機(10)和直線導軌(13)。
5. 根據權利要求4所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述運動單元的直線度 在2 / 10000以上。
6. 根據權利要求1所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述雷射測量傳感器(8) 是雷射三角測量傳感器。
7. 根據權利要求1 6中任一權利要求所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，在Z 向安裝架(5)未安裝Z向運動單元(9)的一側，設置有配重塊(7)。
8.根據權利要求7所述的高精度非接觸三維面型測量裝置，所述配重塊(7)的形狀為 長方體。
9.用根據權利要求1所述的高精度非接觸三維面型測量裝置對物體表面的精細結構 進行非接觸測量的方法。
全文摘要
本發明涉及一種高精度非接觸三維面型測量裝置。該裝置包括雷射測量傳感器、X向、Y向和Z向運動單元等。本發明提供了高精度非接觸測量裝置和測量方法，可對硬質材料、軟質材料和鏡面材料的表面面型等進行高精度快速動態無損傷測量，獲得面型、尺寸、表面狀態等數據。
文檔編號G01B11/03GK101105389SQ200710099770
公開日2008年1月16日 申請日期2007年5月30日 優先權日2007年5月30日
發明者姜春福, 慈林林, 斌 楊, 楊銀剛, 葛根焰, 亮 黃 申請人:中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第四研究所