[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

本發明屬于幾何量精密測量領域，并具體公開了一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置與方法，其包括環形激光發生器組件、光學成像組件、n面棱錐反射鏡和機架，其中環形激光發生器組件、光學成像組件和n面棱錐反射鏡依次同軸安裝在圓柱狀的機架內部，環形激光發生器組件包括依次同軸安裝的激光發生器、聚焦透鏡和圓錐反射鏡，光學成像組件包括依次同軸安裝的光學圖像傳感器和光學透鏡組，機架在圓錐反射鏡和n面棱錐反射鏡處開有通光口；測量時，通過圓錐反射鏡和n面棱錐反射鏡形成反射光路，并由光學成像組件對激光在待測工件內孔形成的環狀光斑成像進而計算待測工件內孔直徑；裝置測量精度高，穩定性好，操作簡便，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于幾何量精密測量領域，更具體地，涉及一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置與方法。

背景技術

空心管結構作為一種常用的結構應用于社會的各行各業，從軍事方面的火炮，到工業生產的液壓油缸、抽油泵，以及日常生活中的運輸管等，內孔類零件已經被廣泛應用。由于環境、加工和使用等原因，常需要測量內孔的直徑，但在實際測量過程中，大多數測量原理為接觸測量，其測量過程不可避免會損傷內孔零件和引起測頭磨損，導致內孔零件內徑發生改變和零件性能下降，影響其使用安全性，尤其是火炮身管，當內徑發生改變時，其射擊準確性發生改變，對實際使用產生很大影響。

針對上述問題，產生了非接觸測量技術及光電測量裝置，其中有CCD和COMS(均為圖像傳感器)關聯的光電成像測量技術，例如：在文獻“光電式火炮身管窺膛檢測系統[J].飛行器測控學報,2000,19(3)”中使用步進電機驅動外接測桿，通過對步進電機的控制，帶動測桿前端CCD相機的位移與旋轉，實現對炮管內膛的精確檢測，但該裝置運動結構復雜，不能對內孔類零件進行直徑測量；在文獻“火炮身管內表面綜合測量系統研究[J].北京理工大學學報,2003,23(6):694-698”中把環形激光和CCD相機相結合，通過采集內孔截面上的環形激光圖像，進行數據分析，得到膛線尺寸，但該裝置采用圓錐鏡進行全視周反射成像，由于切向尺寸縮比大，實際成像比例偏小，切向測量分辨率低，會出現測量結果誤差較大、重復性較差的現象。

綜上所述，內孔類零件測量裝置搭配CCD、COMS成像技術的機器視覺定性、定量檢測系統測量結果的準確性、重復性有待提高，因此，需研究一種高精度、便攜式、可靠性高的內孔直徑測量裝置及對應方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置與方法，其目的在于，將環形激光發生器組件、光學成像組件和n面棱錐反射鏡依次同軸安裝，形成折疊反射光路，并由光學成像組件對激光在待測工件內孔形成的環狀光斑成像，獲得多段橢圓弧，進而計算出待測工件的內孔直徑，其測量精度高，操作簡便，具有廣闊的應用前景。

為實現上述目的，按照本發明的一方面，提出了一種多弧段光學成像內孔直徑測量裝置，包括環形激光發生器組件、光學成像組件、n面棱錐反射鏡和機架，其中，所述環形激光發生器組件、光學成像組件和n面棱錐反射鏡依次安裝在圓柱狀的所述機架內部，且均與所述機架同軸；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、聚焦透鏡和圓錐反射鏡；所述光學成像組件包括依次同軸安裝的光學圖像傳感器和光學透鏡組；所述n面棱錐反射鏡由n個平面鏡組成，其中n≥1，此n個平面鏡圍繞所述機架軸線分布且與所述機架軸線形成的夾角相等；所述機架在安裝所述圓錐反射鏡和n面棱錐反射鏡處開有通光口；測量時，該測量裝置同軸固定在待測工件內孔中，所述激光發生器發出的光束經聚焦透鏡匯聚后，通過圓錐反射鏡反射形成環形光束，并在待測工件內壁形成環狀光斑L1，該環狀光斑L1在n面棱錐反射鏡中形成n個環狀光斑的虛像L2，此n個環狀光斑的虛像L2由光學透鏡組成像，所形成的圖像由光學圖像傳感器獲取。

作為進一步優選的，通過調整所述圓錐反射鏡的錐角以及n個平面鏡與所述機架軸線形成的夾角，使光學圖像傳感器只獲取所述環狀光斑的虛像L2的局部圖像。