[發明專利]一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置與方法

在審

• 申請號: 201910614693.6
• 申請日: 2019-07-09
• 公開（公告）號: CN112212793A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 張新寶;陳家閏
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/08
• 分類號: G01B11/08;G01B11/12
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;張彩錦

1.一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置，其特征在于，包括環形激光發生器組件、光學成像組件、n面棱錐反射鏡(8)和機架(7)，其中，所述環形激光發生器組件、光學成像組件和n面棱錐反射鏡(8)依次安裝在圓柱狀的所述機架(7)內部，且均與所述機架(7)同軸；所述環形激光發生器組件包括依次同軸安裝的激光發生器(1)、聚焦透鏡(3)和圓錐反射鏡(4)；所述光學成像組件包括依次同軸安裝的光學圖像傳感器(5)和光學透鏡組(12)；所述n面棱錐反射鏡(8)由n個平面鏡組成，其中n≥1，此n個平面鏡圍繞所述機架(7)軸線分布且與所述機架(7)軸線形成的夾角相等；所述機架(7)在安裝所述圓錐反射鏡(4)和n面棱錐反射鏡(8)處開有通光口；測量時，該測量裝置同軸固定在待測工件(10)內孔中，所述激光發生器(1)發出的光束經聚焦透鏡(3)匯聚后，通過圓錐反射鏡(4)反射形成環形光束(11)，并在待測工件(10)內壁形成環狀光斑L1，該環狀光斑L1在n面棱錐反射鏡(8)中形成n個環狀光斑的虛像L2，此n個環狀光斑的虛像L2由光學透鏡組(12)成像，所形成的圖像由光學圖像傳感器(5)獲取。

2.如權利要求1所述的多弧段光學成像內孔直徑測量裝置，其特征在于，通過調整所述圓錐反射鏡(4)的錐角以及n個平面鏡與所述機架(7)軸線形成的夾角，使光學圖像傳感器(5)只獲取所述環狀光斑的虛像L2的局部圖像。

3.如權利要求1所述的多弧段光學成像內孔直徑測量裝置，其特征在于，通過調整所述圓錐反射鏡(4)的錐角以及n個平面鏡與所述機架(7)軸線形成的夾角，使所述環形光束(11)在n面棱錐反射鏡(8)中形成的環形光束的虛像(14)與所述機架(7)軸線垂直。

4.如權利要求1-3任一項所述的多弧段光學成像內孔直徑測量裝置，其特征在于，所述光學圖像傳感器(5)上還連接有數據采集處理單元(15)。

5.一種多弧段光學成像內孔直徑測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1將如權利要求1-4任一項所述的測量裝置固定在待測工件(10)內孔中，并使其與待測工件(10)內孔同軸；

S2激光發生器(1)發出的光束經聚焦透鏡(3)匯聚后，通過圓錐反射鏡(4)反射到待測工件(10)內壁形成環狀光斑L1，該環狀光斑L1在n面棱錐反射鏡(8)中形成n個環狀光斑的虛像L2，此n個環狀光斑的虛像L2由光學透鏡組(12)成像為n個橢圓弧段，并被光學圖像傳感器(5)獲取；

S3以n面棱錐反射鏡(8)頂點為原點建立測量裝置坐標系，并將光學圖像傳感器(5)獲取到的橢圓弧段圖像轉化到測量裝置坐標系中，從而計算出圖像中橢圓弧段對應橢圓的短軸長度b_i(i＝1,2,…,n)，進而得到待測工件(10)的內孔直徑D。

6.如權利要求5所述的多弧段光學成像內孔直徑測量方法，其特征在于，所述S3中計算待測工件(10)的內孔直徑D具體包括如下步驟：

(1)由光學圖像傳感器(5)獲取到的圖像中橢圓弧段對應橢圓的短軸長度b_i，計算環狀光斑的虛像L2在垂直于機架(7)軸線的平面投影形成的橢圓的短軸長度B_i：

并有：其中，v為光學透鏡組(12)到光學圖像傳感器(5)獲取圖像的距離，u為環狀光斑的虛像L2上的點到光學透鏡組(12)的最遠距離，f為光學透鏡組(12)的焦距；

(2)由環狀光斑的虛像L2在垂直于機架(7)軸線的平面投影形成的橢圓的短軸長度B_i，計算待測工件(10)的內孔直徑D：

并有：β＝2α-π；其中，β為環狀光斑的虛像L2與機架(7)軸線的夾角，α為n面棱錐反射鏡(8)中平面鏡與機架(7)軸線的夾角；

進而得到待測工件(10)的內孔直徑D：