一種光學接觸式測量方法和使用該方法的微型三維測頭的製作方法

2023-06-10 03:55:56 1

專利名稱：一種光學接觸式測量方法和使用該方法的微型三維測頭的製作方法
技術領域：
本發明是一種測試計量技術。該測頭系統不僅可適用於傳統接觸測量所應用的領域，而且更重要的是可以應用於以前因接觸測量測頭直徑或測力過大而無法測量的領域中微小孔(小於0．5mm)測量(如拉絲模、濾器孔和經濟效益非常可觀的燃油噴射式發動機噴嘴上的微小孔)、微型螺紋、絲槓和齒輪測量、鐘錶零部件測量、易變形材料部件測量和微型機電系統的零部件細微結構的尺寸及形狀測量，具有極其廣闊的應用前景。此測頭系統可用於專用測量儀器，並可利用獨創的觸測到位信號將本發明的測頭當做普通的模擬測頭系統應用於光學或傳統的坐標測量機上。
近些年來，隨著微型機電系統及微型化的興起和應用範圍的逐步擴大，對其功能指標和質量保證體系也提出愈來愈嚴格的要求，微米尺度微小型工件幾何、形狀參數的測量已成為計量領域急待解決的問題，因為其幾何、形狀參數的精度，直接影響微型機電系統的性能和壽命。
目前，測量微米尺度微小型工件幾何、形狀參數的手段主要是光學非接觸法和傳統的機械接觸法等。光學方法的缺點是實際測量時常受到工件表面光機特性(如顏色、反射率、粗糙度)的嚴重影響，且邊緣的確定很大程度上取決於算法和照明方式，並常受到倒角和材料扭曲變形的影響。光學方法一般只能測量大致垂直於光學軸的工件表面，軸向測量範圍小(一般只有100μm)，透明材料的工件和大部分三維形狀的工件(如圓柱、圓錐和球)都很難測量，尤其是盲小孔特別難照明和成像。
機械接觸法因其測量的可靠性和不受工件特性影響的單一性的優點而在微米尺度工件幾何參數測量中仍有一定的應用。但傳統的機械接觸方法因其測頭的直徑和測量力比較大，而無法實現微型工件的接觸測量。目前雖有商用化測頭直徑為0．2mm的測頭系統，但因其測杆彈性變形的影響，測量精度和速度大幅度下降。為了實現微米尺度微小型工件的接觸測量，人們曾做過無數次將機械測頭系統小型化的嘗試，但這些測量方法的原理都是直接或間接建立在測量測杆測力引起的變形，在某種程度上常帶來很大的不確定度誤差。
為了解決上述光學方法和機械接觸方法的弊病，Trapet先生提出了一種新的測量方法。德國專利Taster zur Messung geometrischer Strukturen專利申請號19724739．3專利申請日期1997年6月12日即利用多臺攝像機(多套光學成像系統)圖像的相關算法確定被照明微型觸測球體中心位置的空間坐標，此方法和光學系統和算法複雜，運算速度比較慢。測量深微小孔或深槽類工件時常受到遮擋效應的影響，且光纖測杆的三維觸測適應性較差。因此，Schwenke先生將Trapet先生的專利與光學坐標測量機進一步結合。德國專利Mechanisch messendes Tastsystem zur Ankopplung an optisch messendeKoordinatenmessgereate專利申請號19743969．1專利申請日期1997年10月5日即僅利用光學坐標測量機上自身的光學系統來確定微型觸測球體的中心位置。此方法無法確定觸測時觸測球體在光軸方向上的離焦距離，故實際使用時僅作為二維的測頭系統應用，且無法給出觸測到位信號，因而無法應用到傳統的坐標測量機上。
本發明的目的是提供一種集光學方法測量的高精度和快速性及機械接觸方法測量的可靠性和單一性於一體的光學接觸式測量方法和利用此方法的微型三維測頭。其特徵在於僅利用一臺攝像機(光學成像系統)或另外附加離焦檢測器件，即可高精度確定出觸測球體球心位置的空間坐標，以及光纖測杆三維觸測適應性的優化幾何結構和利用實時圖像質心算法給出測頭觸測到位信號。因而此發明專利可作為普通的模擬測頭系統應用於坐標測量機上。
本發明的原理基於利用光學成像系統(1)和CCD攝像機(2)確定接觸測頭的球心坐標(參見原理

圖1，微型三維光學接觸式測頭系統)。經拉伸的傳光光纖(3)做為「測杆」置於光學系統的光軸上，在光纖的拉伸端是微型觸測球體(4)，微型觸測球體(4)被調整到光學系統的焦平面內，並通過光纖另一端的冷源(5)照明。由被照明的觸測球體(4)反射或漫反射回來的光經光學成像系統在像平面的CCD(2)上形成亮光斑，當測頭觸測工件(6)時(測頭相對於CCD移動)，亮光斑的中心位置將發生變化。此中心位置的變化可以利用圖像處理軟體以亞像素的精度計算出。若採用10倍的物鏡系統，CCD像素間距為10μm，則光學標尺為1μm／像素。當亮光斑在CCD上所成的像多於50個像素，則利用亞像素插分優化算法，光斑中心位置的橫向分辨離可達0．05μm。
確定觸測球體觸測時在光軸方向上的離焦距離有二種方法其中一種方法是利用在CCD(2)上形成的亮光斑直徑大小的變化來計算確定觸測球體軸向的離焦距離，即當觸測球體離焦時，導致對比度減弱，若採用灰度閾值法進行邊界判斷時，則相當於亮光斑直徑發生了變化。亮光斑直徑變化與軸向離焦距離的關係首先需要標定，如圖2所示，在焦平面附近的一段區域內其關係呈線性，測量數據處理時需利用直徑的變化值修正軸向坐標值。
此外，還可以利用分光鏡(7)和另外附加專用離焦器件(8)(如柱面鏡)及離焦檢測元件(9)確定觸測球體在光軸方向上的離焦距離。當觸測球體不在焦平面內時，在離焦檢測元件上形成的圓光斑將呈橢圓狀，橢圓的長軸位置代表離焦距離的方向，橢圓的長短軸之比與離焦距離有關。
第一種方法的離焦檢測精度可達1μm，第二種方法的離焦檢測精度可達0．1μm，可根據測頭系統軸向觸測精度的要求選用不同的軸向測量方法。利用第一種方法檢測觸測球體軸向離焦距離的要點是，觸測球體的初始位置應在焦平面以外200μm的區域附近，即利用在此區域內直徑變化與離焦距離呈線性關係的特點。利用第二種方法檢測觸測球體軸向離焦距離的要點是，觸測球體的初始位置應在焦平面內。
光纖測杆觸測的三維適應性和不易折斷性也是本發明的一個要點，除採用圖1所示90°彎曲狀的結構外，還可採用圖3所示的圓螺旋狀和半圓狀兩種結構，以提高其測杆觸測的機械性能。
此發明的顯示優點是測杆的彈性或塑性變形不會帶來觸測不確定度誤差。此外，因工件表面吸附水膜引起的測頭與工件表面的粘附效應，對測量結果也不會產生影響，此效應在測力型的測頭中常產生滯遲效應。因而此發明的測頭測杆可以相當細，最細的測杆直徑可達20μm以下，測頭直徑可達40μm以下。
本發明的創新點還在於測頭系統的觸測到位信號由CCD攝像機對亮光斑的質心位置進行實時檢測給出，當亮光斑質心位置的變化值超過一定的閾值時(此閾值的大小根據測力的大小而定，測力一般要求小於50μN)，發出觸測到位信號。有了此觸測到位信號可以將本發明的測頭系統當做普通的模擬測頭系統應用於坐標測量機上，即工件觸測點的空間坐標由坐標機的機器坐標值和測頭在光學系統中的坐標值綜合給出。此測頭系統應用到通用光學三坐標測量機上時，可以借用光學坐標機自身的光學系統和照明系統。
為提高系統的整體精度，測頭系統的結構優化應著重以下幾個方面1．觸測球體良好的光機特性(球度誤差小，高反射率或漫反射性)2．拉伸光纖「測杆」幾何形狀的機械性能(觸測適應性的不易折斷性)3．用於照明冷光源的穩定性及與光纖的高效耦合性4．用於光纖在視場及焦平面內調整裝置的簡易性5．高質量的光學成像系統和相適應的圖像處理算法6．可靠的測頭校準策略觸測球體可採用兩種方法加工一種是利用熱熔化方式在光纖端部自身形成一個球體；第二種方法是利用粘接的方式在光纖端部粘接上一個玻璃球、陶瓷球或鋼球。
藉助於表面張力的作用，利用商用化的光纖熔接器通過熱熔化方式可在光纖端部熔結出球度很好的球體，一般情況下在垂直於光纖軸的球截面的圓度誤差可小於0．1μm。粘接球體相對來講比較複雜，需在顯微鏡下利用三維調節裝置手工進行，粘結膠應採用液態狀固結應力小的光學膠。
對於玻璃材料或陶瓷材料的觸測球體常帶來的問題是照明光源的光由觸測球體表面透射出後照射到工件表面上，被工件表面反射或形成散斑效應，進而改變被測光斑的對比度或在工件表面上形成光學鏡像效應，影響光斑中心位置的測量精度。此效應可以通過將觸測球體底部鍍反射膜或將目標物與觸測球體分離的方法予以消除，即在已有觸測球體的前部再粘接一個稍大的球體作為新的觸測球體，而原來的「觸測球體」只作為測量時的目標物。光纖測頭在顯微鏡下的照片見圖4。
光纖可採用階越光纖或普通傳光光纖。光纖通過加熱拉伸至直徑20μm，光纖的彎曲亦是利用加熱變形得到的。為了保持光纖良好的機械性能，利用加熱方式對光纖加工時應避免過熱結晶、局部內應力、裂痕，以及光纖芯徑的折斷。
光源採用發光二極體或半導體雷射器等冷光源，傳光耦合系統採用通用的光耦合器件。
光纖及觸測球體的調整裝置需要5個自由度2個在焦平面內的自由度(使居中)，1個在光軸方向的自由度(使聚焦)和2個將光纖調整至光軸方向的角自由度。調整裝置的精度並不需要很高，只需將觸測球的像調整到攝像機視場內即可，因為此測頭的測量參考系統是像平面上的CCD傳感器。
此測頭系統實際應用時應注意的問題是測頭的校準策略。測頭直徑的確定可採用接觸式測頭的校準方法，即測量經過校準的參考球(直徑為25mm至30mm)。
圖5是將該發明的測頭結合到通用的光學坐標測量機上的照片，測頭的光學系統和照明系統均借用坐標機自身固有的，觸測球體在光軸方向上的離焦距離採用在CCD上形成的亮光斑直徑大小的變化值進行修正。實驗所用測頭直徑為60μm，測杆直徑35 μm，測杆自由長度10mm。
圖6所示的是對垂直於光軸的量塊表面的測量結果，平面度的標定值小於0．2μm，經過Z向補償後實測平面度誤差5μm。無疑此時要求被照明觸測球體的亮度和照明光源的能量都應絕對穩，否則會帶來Z向補償誤差。
此發明測頭的優越性在測量直徑為214μm微小孔的圓柱度誤差時(測量深度0．8mm)得到了更充分的體現，到目前為止還未見到過關於如此微小孔圓柱度測量的報導，被測小孔圓柱度誤差的展開面見圖7。
權利要求
1．一種光學接觸式測量方法，其特徵是結合光學非接觸法和機械接觸法於一體利用光學成像透鏡(1)和CCD攝像機(2)確定觸測球體(4)的球心坐標，傳光光纖(3)做為「測杆)置於(1)的光軸上，在(3)的端部是微型觸測球體(4)，(4)被調整到(1)焦平面內，並通過光纖另一端的冷源(5)照明，由(4)漫反射回來的光經(1)在像平面的(2)上形成亮光斑，同時(4)的像經分光鏡(7)和離焦器件(8)成在離焦檢測元件(9)上，則(4)觸測工件(6)時觸測球體球心在焦平面內的坐標可由在(2)上亮光斑的中心位置給出。
2．按照權利要求1所述的方法，其特徵是利用像平面內(2)上的光斑直徑大小變化確定觸測球體在光軸方向坐標的方法。
3．按照權利要求1所述的方法，其特徵是利用離焦檢測元件(9)上光斑長短軸之比確定觸測球體在光軸方向坐標的方法。
4．按照權利要求1所述的方法，其特徵是利用像平面內(2)上圖像質心位置實時檢測給出觸測到位信號的方法。
5．一種使用權利要求1所述方法的微型三維測頭，其特徵是光纖測杆(3)三維觸測適應性的圓螺旋狀、半圓狀和直角彎曲狀的三種幾何結構。
全文摘要
本發明是集光學方法測量及機械接觸方法測量的可靠性和單一性於一體的光學接觸式測量方法和利用該方法的微型三維測頭,用於微米尺度微小型工件的測量。該測頭的優點是測力小(小於50μN),且「測杆」的彈性、塑性變性和遲滯效應不會引觸測不確定誤差。該發明的特徵是通過光學成像系統和CCD攝像機確定被照明微型觸測球體的球心坐標,光纖測杆三維觸測適應性的優化幾何結構,觸測球體在光軸方法上離焦距離的測量方法。
文檔編號G01B11/00GK1204046SQ9811536
公開日1999年1月6日 申請日期1998年6月30日 優先權日1998年6月30日
發明者吉貴軍 申請人:天津大學