[發(fā)明專利]一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法

在審

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• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107388985A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔浩陽;田應(yīng)仲;李龍;吳桐;張清妍;曾洪涌;趙胤君;劉錫寧
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的測量裝置及方法，特別涉及一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法。

背景技術(shù)

物體三維表面形貌的測量方法主要分為接觸式和非接觸式。接觸式采用機(jī)械探針對物體表面進(jìn)行掃描，該方法成熟，精度較高，但是易損傷物體表面。非接觸式方法很多，包括：共焦顯微測量法、變焦顯微測量法、掃描白光干涉法、激光相移干涉法等。其中干涉法對測量環(huán)境要求高、魯棒性差，共焦顯微測量法具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、測量速度慢、測量范圍小的缺點(diǎn)。本發(fā)明的光學(xué)測量裝置是基于變焦顯微測量原理，雖然該方法精度低于其他方法，縱向分辨率能達(dá)到10納米，橫向分辨率能達(dá)到0.5微米，但是具有測量范圍大，速度快，可以測量大傾角物體的優(yōu)點(diǎn)。中國專利CN103267494B公開了一種表面形貌干涉測量的方法及裝置，該專利使用干涉顯微測量技術(shù)，不具有變焦顯微測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。中國專利CN105403170A公開了一種顯微3D形貌測量方法及裝置，該專利可以實(shí)現(xiàn)物體三維重構(gòu)，但該測量裝置無法對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行全方位，多角度測量。

目前，基于變焦顯微測量原理的測量裝置大多數(shù)只能采集物體水平面以上的圖像信息，不能實(shí)現(xiàn)對被測物全方位，多角度的測量和360度三維重構(gòu)，尤其是對回轉(zhuǎn)體零件的測量。本發(fā)明五軸光學(xué)測量裝置操作簡單，可以快速，高效，精確的對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行360度全方位多角度的圖像采集，從而精確重構(gòu)物體三維模型，以便對被測物進(jìn)行高精度的快速測量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有對回轉(zhuǎn)體零件三維形貌測量技術(shù)的不足，提供一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法，可對回轉(zhuǎn)體零件實(shí)現(xiàn)360度全方位測量并通過基于變焦顯微圖像序列的融合技術(shù)，三維重構(gòu)技術(shù)以及三維拼接技術(shù)在計(jì)算機(jī)中生成高清晰二維融合圖像和高精度三維模型，從而可以提取零件表面參數(shù)及精確尺寸，本發(fā)明的五軸光學(xué)測量裝置及方法，操作簡單，測量精度高，自動化程度高，測量速度快。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法，其特征在于，包括電荷耦合器件CCD，光學(xué)顯微鏡頭，嵌入式環(huán)形光源，環(huán)形夾持裝置，XY運(yùn)動平臺，二自由度的旋轉(zhuǎn)夾持裝置，伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動器，運(yùn)動控制卡，電源模塊，光電編碼器，計(jì)算機(jī)，GPU圖形處理器；所述電荷耦合器件CCD內(nèi)設(shè)于光學(xué)顯微鏡頭內(nèi)，所述光學(xué)顯微鏡頭的物鏡下方內(nèi)設(shè)有嵌入式環(huán)形光源，所述顯微鏡頭由環(huán)形夾持裝置固定在Z軸平臺上并可以隨Z軸平臺上下移動，所述二自由度旋轉(zhuǎn)夾持裝置固定在XY運(yùn)動平臺上，所述電荷耦合器件CCD通過GPU圖形處理器與計(jì)算機(jī)相連接，所述計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動控制卡與電機(jī)驅(qū)動器相連接，所述電機(jī)驅(qū)動器與伺服電機(jī)相連接，所述伺服電機(jī)與XYZ移動平臺以及旋轉(zhuǎn)夾持裝置連接。

所述的回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法，其特征在于，所述伺服電機(jī)通過滾珠絲杠和齒輪組控制XYZ平臺的精密移動和旋轉(zhuǎn)夾持裝置的轉(zhuǎn)動，所述環(huán)形夾持裝置通過螺旋式固定器固定光學(xué)顯微鏡頭，所述光電編碼器，伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動器，運(yùn)動控制卡，計(jì)算機(jī)共同組成反饋系統(tǒng)，精確控制位置及角度信息，所述二自由度旋轉(zhuǎn)夾持裝置由兩個伺服電機(jī)分別控制XY方向的旋轉(zhuǎn)模塊，所述X方向旋轉(zhuǎn)模塊包括軸承，夾持器，卡爪，旋轉(zhuǎn)電機(jī)，齒輪組，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)于夾持裝置外殼上，通過齒輪組將動力傳給夾持器，所述卡爪與夾持器相連接，卡緊回轉(zhuǎn)體零件，所述Y方向旋轉(zhuǎn)模塊包括伺服電機(jī)，齒輪組，支撐板，所述伺服電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動器與運(yùn)動控制卡相連接，再由運(yùn)動控制卡與計(jì)算機(jī)相連接。

一種回轉(zhuǎn)體零件三維表面形貌的五軸光學(xué)測量裝置及方法，其特征在于，包含如下使用步驟：

1)回轉(zhuǎn)體零件夾持裝置及卡爪固定，光學(xué)顯微鏡頭通過環(huán)形夾持裝置固定，通過計(jì)算機(jī)控制XY平臺將XY平臺上固定的二自由度旋轉(zhuǎn)夾持裝置移至物鏡下方，通過Z軸平臺調(diào)節(jié)物鏡高度，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)夾持裝置XY方向的旋轉(zhuǎn)角度，使得被測物以適當(dāng)?shù)奈恢煤徒嵌瘸霈F(xiàn)在視野中心；

2)通過調(diào)節(jié)嵌入式環(huán)形光源的光照強(qiáng)度，以獲得最佳的光照條件；

3)計(jì)算機(jī)控制Z軸平臺沿垂直方向移動，直到被測物接近光學(xué)顯微鏡的景深，Z軸平臺停止運(yùn)動，該位置作為測量的基準(zhǔn)位置，采集第一幅圖像；從第一幅圖像開始，沿Z軸單方向控制Z軸平臺運(yùn)動，每運(yùn)動一定步距，計(jì)算機(jī)通過電荷耦合器件CCD拍攝一幅圖像，直到被測物遠(yuǎn)離光學(xué)顯微鏡的景深，停止圖像采集，即得到變焦顯微圖像序列；

4)重復(fù)1)到3)即可獲得不同視野下的變焦顯微圖像序列；