[發明專利]一種非接觸式坐標測量機

有效

• 申請號: 201810135836.0
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108344383B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 黃啟泰;管敏
• 申請（專利權）人: 蘇州大學;蘇州斑馬光學技術有限公司
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 無錫市匯誠永信專利代理事務所(普通合伙) 32260
• 代理人: 張歡勇

本發明公開了一種非接觸式坐標測量機，解決使用現有非接觸坐標測量機測量時需將被測點法線方向對準探頭從而導致定位精度降低的問題；在泰曼—格林干涉光路基礎上引入球殼透鏡成功搭建出干涉式光學探頭，測量時，通過調整光學探頭聚焦在被測件上某一點，測量光束被球殼透鏡內表面反射回到光學系統中，測量光束經分束器反射進入CCD圖像傳感器上與參考光束形成干涉條紋，由位置計量裝置記錄此時三維運動機構的位置信息；調整三維運動機構依次記錄聚焦透鏡的像方焦點聚焦在被測件上其他點的位置信息，通過數據處理可以獲得被測件的面形形貌；簡化了三維運動機構，減小了機械定位誤差，可測量高陡度元件。

技術領域

本發明屬于光學檢測技術領域，具體涉及一種三維輪廓測量機。

背景技術

三維面形測量最常用的方法是三坐標測量。三坐標測量技術具有通用性強、自動化程度高、測量精度高等眾多優點，在機械、電子等領域得到廣泛應用。目前，根據三坐標測量機測頭的形式，可將三坐標測量機分為接觸式三坐標測量機和非接觸式三坐標測量機。非接觸式三坐標測量機目前主要有激光點測量和線激光掃描測量兩種形式。對于接觸式三坐標測量機和非接觸式激光點測量三坐標測量機而言，測量過程需要頻繁的加速、減速，造成了測量速度較慢，此外由于測頭直接與被測件表面接觸容易劃傷被測件。非接觸式的線激光掃描測量在測量時加減速過程較少，可以大幅度的提高測量速度，但是由于線激光測量頭的自身誤差大于3μm，測時需要調整被測點法線方向對準激光測頭，三維運動機構復雜，使得其測量精度大幅度下降，因此測定的精度并不高。

發明內容

本發明解決的技術問題是：解決現使用現有非接觸式坐標測量機測量時需將被測點法線方向對準探頭從而導致定位精度降低的問題。

一種非接觸式坐標測量機，包括機架、光學探頭、三維運動機構、顯示系統和控制系統，所述光學探頭設于所述三維運動機構上，所述三維運動機構設于所述機架上，所述機架與所述控制系統相連，所述控制系統與所述顯示系統相連接，其中所述的三維運動機構由三個相互垂直平移機構組成，其中一個平移機構豎直方向設置，三維運動機構上設置有位置計量裝置，用于記錄位置變化量；

其特征在于：所述的光學探頭由干涉光路組成，所述干涉光路包括光源、準直透鏡、分束器、成像透鏡、聚焦透鏡、平面反射鏡、球殼透鏡、CCD圖像傳感器；以光源所在一側為物方，所述光源發出的光被準直透鏡準直后入射到分束器上，經分束器反射的光作為參考光束，參考光被垂直放置的平面反射鏡反射后原路返回，再次通過分束器被成像透鏡聚焦于CCD圖像傳感器上；其中CCD圖像傳感器與顯示系統連接，實時將干涉圖像傳輸至顯示系統；

透射過分束器的光作為測量光束，測量光束經過聚焦透鏡后聚焦于聚焦透鏡的像方焦點處；所述的球殼透鏡內表面設置有半透半反膜，且球殼透鏡放置在聚焦透鏡與聚焦透鏡的像方焦點之間，球殼透鏡的球心與聚焦透鏡的像方焦點重合。

基于上述技術方案，本發明還提供一種非接觸式三維面形測量方法，測量時，通過調整三維運動機構使聚焦透鏡的像方焦點聚焦在被測件上某一點，測量光束被球殼透鏡內表面反射回到光學系統中，測量光束經分束器反射進入CCD圖像傳感器上與參考光束形成干涉條紋，由位置計量裝置記錄此時三維運動機構的位置信息；調整三維運動機構依次記錄聚焦透鏡的像方焦點聚焦在被測件上其他點的位置信息，通過數據處理可以獲得被測件的面形形貌。

測量工件時，在三維運動機構的驅動下，光學探頭上聚焦透鏡的像方焦點軌跡沿著理想光學元件曲線運動，通過豎直方向(Z軸)的平動軸上下掃描，若焦點位置偏離被測點，通過干涉條紋判斷聚焦位置與被測點的相對位置，將Z軸向上或向下移動，直至干涉條紋為理想的零級條紋，由位置計量裝置記錄此測量點的位置信息，依次在被測面上進行面形掃描，然后對點源數據進行面形擬合，通過擬合后的面形與工件面形的比較，分析確定其面形誤差。