[發明專利]高精度非接觸三維面型測量裝置

無效

• 申請號: 200710099770.6
• 申請日: 2007-05-30
• 公開（公告）號: CN101105389A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 黃亮;慈林林;楊斌;楊銀剛;葛根焰;姜春福
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第四研究所
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/03;G01B11/24
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 張濤

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，從垂直于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，現有技術中有人采用接觸式測量方法，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復雜表面。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后通過特征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后會發生變形，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.非接觸激光測量法

激光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。這種裝置結構復雜，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FARO公司的激光測量儀，如掃描測量臂(FARO?Scanner?Arm)、跟蹤測量臂(FAROTrack?Arm)、激光跟蹤儀(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。用于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。主要用于測量較大型結構件的幾何尺寸、位置關系等，但不是用于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：

本發明的目的是研制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、工作臺面、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、激光測量傳感器和控制計算機，其特征是：X向運動單元固定在基座上，龍門支架固定于基座上，Y向運動單元設置于龍門支架上方，Z向運動單元通過Z向安裝架設置于Y向運動單元上，激光測量傳感器固定于Z向運動單元上，工作臺面設置于所述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，如經精密磨削加工后的大理石或人造石，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，優選的工作臺面是高精度臺面，其平面度小于2微米。如采用鋼材料經熱處理，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、絲桿、驅動電機和直線導軌，電機帶動絲桿旋轉，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激光測量傳感器。

所述控制計算機與X、Y、Z向運動單元及激光測量傳感器連接，控制各向運動單元移動，進而控制激光測量傳感器與被測物的測量距離，同時讀取和處理所述激光測量傳感器獲取的掃描數據，并以圖形方式顯示。