用于数控机床在位测量的非接触三维光学测头及测量方法

摘要

本发明公开了一种用于数控机床在位测量的非接触三维光学测头及测量方法，其特征是由影像测量系统和聚焦定位系统构成非接触三维光学测头；首先采用像散法对影像测量系统进行聚焦判断，确定测量平面，同时实现非接触三维光学测头的Z轴方向定位，获得工件表面特征点的Z轴方向定位值；然后采用影像投影测量中的表面测量法对工件位于测量平面上的基本几何元素进行二维影像测量，得到工件表面特征点的二维平面坐标值；再将二维平面坐标值结合Z轴方向定位值获得工件表面特征点的三维空间坐标值。本发明可以高效地对数控机床加工工件的几何尺寸进行高精度的在位测量，有效缩短产品的制造周期、保障产品质量。

说明书

技术领域

本发明涉及用于数控机床的非接触三维光学测头及其测量方法。

背景技术

随着先进制造技术的飞速发展，给精密测量技术提出了越来越多新的挑战。数控技术是先进制造技术的基础核心，数控加工过程的质量控制是精密测量领域迫切急需要解决的问题之一，直接影响着产品质量和生产效率。传统的手工测量和离线测量虽然目前还有着广泛的应用，但不能适应现代制造业发展的需求。

数控机床在位测量技术将加工和测量集成在一起，实现加工过程中的自动测量。测量不再仅仅只是在最终对产品合格与否进行判断，而是要将测量贯穿产品制造的整个过程，使得制造过程成为具有反馈的闭环系统，符合制造自动化技术向计算机集成制造系统(CMIS)阶段发展的趋势，才能有效地保证产品质量、提高生产效率和降低生产成本。

目前，数控机床在位测量系统主要使用的是触发式测头，类似于传统三坐标测量机的工作模式，由于需要使用触发式测头来对工件进行三维尺寸测量，不可避免地引入接触式测量方法存在的不足，如测量过程中探针需要与被测工件表面发生触碰，发生机械力交互作用，测量力会引入系统误差和随机误差，并且会损伤工件的表面，由于需要多次触碰和升降测头，会对测量效率造成影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种用于数控机床在位测量的非接触三维光学测头及其测量方法，以期高效地对数控机床加工工件的几何尺寸进行高精度的在位测量，有效地缩短产品的制造周期和保障产品的生产质量。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明用于数控机床在位测量的非接触三维光学测头的结构特点是由影像测量系统和聚焦定位系统构成；

所述影像测量系统是在沿着第一竖直光轴线的方向上，在一密闭筒体中，从下而上依次设置为被测工件、LED显微镜环形光源、显微物镜、立方体分光镜、第一线偏振镜、镜筒透镜和工业CCD相机；在所述立方体分光镜所在位置的第一水平光轴线上设置第二线偏振镜；

所述聚焦定位系统是在一方形壳体中，以反射镜与第二线偏振镜同设在第一水平光轴线上，在所述反射镜和第二线偏振镜之间设置准直透镜；在所述反射镜所在位置的第二竖直光轴线上，自反射镜起依次设置分光镜、柱面像散透镜和四象限探测器；在所述分光镜所在位置的第二水平光轴线上，自分光镜起依次设置光栅和半导体激光器。

本发明非接触三维光学测头的测量方法的特点是：

首先采用像散法对所述非接触三维光学测头中的影像测量系统进行聚焦判断，确定测量平面，同时实现非接触三维光学测头的Z轴方向定位，获得工件表面特征点的Z轴方向定位值；

然后采用影像投影测量中的表面测量法对工件位于测量平面上的基本几何元素进行二维影像测量，得到工件表面特征点的二维平面坐标值；再将所述二维平面坐标值结合Z轴方向定位值获得工件表面特征点的三维空间坐标值。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明为非接触光学测量方法，相对于手工测量，其速度快、精度高，能进行自动化集成，将工作人员从繁重的检测任务中解放出来。

2、本发明可实现在位测量，相对于离线测量节省了工件拆卸、搬运、装夹定位所要花费的人力、物力和时间，减少了数控机床待机时间，提高了设备利用率，同时避免了多次装夹所引入的二次定位误差，提高了加工精度，此外还节约了购置、使用和维护三坐标测量机等贵重仪器设备所需投入的巨大成本，从而降低了产品的生产成本，使企业竞争力得以提升。

3、本发明非接触三维光学测头相对于触发式测头的数控机床在位测量系统，其不需要与被测工件表面发生触碰，避免了因测量力而引入的系统误差和随机误差，不会损伤工件的表面，此外，由于测量过程中不需要多次触碰和升降测头，将大大地缩短测量时间，有效地提高测量效率。

4、本发明基于像散原理，采用硬件方法实现聚焦判断，相对软件方法进行聚焦判断，有着速度较快的优点，另外，本发明的聚焦定位系统主要取自于DVD光学读数头，故相对其他的硬件方法，成本更低，结构更紧凑。

图面说明

图1为本发明数控机床在位测量系统总体结构框图。

图2为本发明非接触三维光学测头结构示意图。

图3为本发明视觉在位测量软件总体结构框图。

图4为本发明视觉在位测量软件流程图。

图中标号：1影像测量系统、2聚焦定位系统、3密闭筒体、4方形壳体、5工件、6为LED显微镜环形光源、7显微物镜、8立方体分光镜、9第一线偏振镜、10镜筒透镜、11工业CCD相机、12第二线偏振镜、13准直透镜、14反射镜、15分光镜、16柱面像散透镜、17四象限探测器、18光栅、19半导体激光器。

具体实施方式

本实施例中采用大连机床集团的立式数控铣床XD30A，以及FANUC 0i Mate数控系统。

参见图1，本实施例中的数控机床在位测量系统由立式数控铣床、非接触三维光学测头、工控机和视觉在位测量软件组成。非接触三维光学测头安装在机床主体的Z轴上，定义非接触三维光学测头Z轴方向坐标值为立式数控铣床的Z轴坐标值，伺服系统输入端与数控系统连接，伺服系统输出端与立式数控铣床的电机连接，数控系统通过伺服系统驱动电机转动，数控系统与非接触三维光学测头连接，工控机分别与数控系统和非接触三维光学测头连接。

本实施例中，非接触三维光学测头由影像测量系统1和聚焦定位系统2两部分所组成；

影像测量系统1是在沿着第一竖直光轴线的方向上，在一密闭筒体3中，从下而上依次设置LED显微镜环形光源6、显微物镜7、立方体分光镜8、第一线偏振镜9、镜筒透镜10和工业CCD相机11；在立方体分光镜8所在位置的第一水平光轴线上设置第二线偏振镜12；

聚焦定位系统2是在一方形壳体4中，以反射镜14与第二线偏振镜12同设在第一水平光轴线上，在反射镜14和第二线偏振镜12之间设置准直透镜13；在反射镜14所在位置的第二竖直光轴线上，自反射镜14起依次设置分光镜15、柱面像散透镜16和四象限探测器17；在分光镜15所在位置的第二水平光轴线上，自分光镜15起依次设置光栅18和半导体激光器19。

聚焦定位系统主要取自于DVD光学读数头，对半导体激光器19加电，发射约为0.5毫瓦的红色激光束，经光栅18衍射后形成测量光束，再经分光镜15、反射镜14和准直透镜13，将激光束变成准直光束入射影像测量系统1。

在影像测量系统中，准直光束经第二线偏振镜12、立方体分光镜8和显微物镜7后，在工件5上形成测量的聚焦光学焦点，其反射的光束沿原光路再经过显微物镜7和立方体分光镜8后一部分射向第一线偏振镜9，一部分射向第二线偏振镜12。由于第一线偏振镜9和第二线偏振镜12的偏振化方向相互垂直，射向第一线偏振镜9的光束被遮蔽，射向第二线偏振镜12的光束则回射聚焦定位系统2，然后，再依次经过准直透镜13、反射镜14和分光镜15后穿越柱面像散透镜16投射到四象限探测器17。

采取明场照明的方式，使影像测量系统全视场内获得明亮均匀的照明，光线经显微物镜7和立方体分光镜8后一部分继续沿第一竖直光轴线经第一线偏振镜9和镜筒透镜10投射到工业CCD相机11，一部分则被转折90°沿第一水平光轴线射出，部分射入聚焦定位系统2，但由于聚焦定位系统2的入射孔径很小，且非接触三维光学测头是密闭的，故能射入聚焦定位系统2的普通光线数目很少，相对于激光束，普通光线对聚焦定位系统2的影响可忽略不计。

本发明应用于数控机床在位测量是先采用像散法对影像测量系统1进行聚焦判断，再采用影像测量法对工件进行二维尺寸测量。具体实施为：

显微物镜7使用Mitutoyo公司的10倍远场校正长工作距离物镜，其与镜筒透镜10配合组成具有较长工作距离的显微镜头，显微镜头和工业CCD相机11组合成一个影像测量系统，采用影像投影测量中的表面测量的方式对工件5进行二维尺寸测量。影像测量系统的成像区域与测量分辨率成反比例关系，为达到较高的测量精度，显微镜头的视场很小，故每次只能拍摄到工件5的局部图像，因此对工件5位于测量平面的几何元素进行测量时，通常需在几何元素的几个不同位置处拍摄图像，然后结合立式数控铣床在X和Y轴方向的位移值，通过拟合计算的方法得到几何元素的参数。

本实施例中的聚焦定位系统2之所以直接取自于DVD光学读数头，是因为DVD光学读数头在制作时，为了使其能正确地读取高密度容量的资料轨迹，采用了高精度镜片定位结构和校正半导体激光椭圆光束为圆形光束的变光焦度准直透镜，并且设置了功率控制电路，其出射的激光具有极优良的高稳定功率、高平行性，且保持长距离仍是圆形的准直光束，能很好地符合本实施例的需求。

本实施例中的四象限探测器17的四个电压信号输出端为A、B、C和D，光束投射到四象限探测器17，各象限接收的光强分别为Q_A、Q_B、Q_C和Q_D，转换成电压信号输出，并将聚焦误差信号定义为FES＝[(Q_A+Q_C)-(Q_B+Q_D)]/(Q_A+Q_B+Q_C+Q_D)。根据光学像散原理，以工件5的被测表面为反射面，当反射面位于显微物镜7的焦点位置时，四象限探测器17上的成像光点为圆形，则FES＝0；当反射面处于离焦位置时，四象限探测器17上的成像光点形状为椭圆形，则FES≠0。其中，在工作区域内，Q＝Q_A+Q_B+Q_C+Q_D保持不变，且最大，若FES＞0，成像光点形状为横向椭圆形，则表示反射面未到达焦点位置；若FES＜0，成像光点形状为纵向椭圆形，则表示反射面已越过焦点位置。由于四象限探测器输出的是微弱电压信号，因此需在各电压信号输出端A、B、C和D设置信号放大电路，其中，采用两级放大以提高信号的稳定性，且设置了积分保持电路以提高输出信号的信噪比，还在各芯片的供电端都接一个滤波电容以提高电源的抗干扰性。使用NI PCI-6221数据采集卡将经信号放大电路处理后的各电压信号U_A、U_B、U_C和U_D采集到工控机中，然后，根据聚焦误差信号的定义，通过计算可求得FES的值U_FES＝[(U_A+U_C)-(U_B+U_D)]/(U_A+U_B+U_C+U_D)。

本实施例定义U＝U_A+U_B+U_C+U_D，聚焦位置U_FES＝δ，针对不同材质的反射面，四象限探测器17接收到的总光强Q会有所不同，即U会发生改变，但工作区域内的U相对于其它位置始终是最大的，且波动很小，基本保持不变。理论上，当δ＝0时，反射面位于显微物镜7的的焦平面，影像测量系统1聚焦，但由于DVD光学读数头是以它的全息非球面透镜为物镜进行系统结构参数设计的，以及光学系统中存在衍射效应，故实际中的δ未必为零，存在一定的偏差，因此需要对其进行校正。本实施例通过实验的方法来确定δ的实际值δ₀，以工业CCD相机11成像最锐利的位置作为聚焦定位系统2的零位，此位置的U_FES即为δ₀。另外，由于聚焦定位系统2同时起着Z轴方向定位的作用，两个不同聚焦位置的非接触三维光学测头Z轴方向坐标值的差值即为这两个测量平面间的距离，实现在Z轴方向对工件进行高度测量，因此需根据Z轴方向测量精度的要求，通过实验确定聚焦窗口的值，表示为δ₀±ε，在此范围内，工业CCD相机11能够清晰地成像。

调节影像测量系统1聚焦的具体实施步骤为：

1、确定工作区域。保持工件5的位置不变，首先，通过驱动立式数控铣床的Z轴方向电机，带动非接触三维光学测头从距工件5较近的位置开始沿Z轴正向低速均匀运动，当U在一段范围内波动很小，且相对最大时，即为所要确定的工作区域，然后，调节测头的位置，使其回至工作区域。

2、聚焦定位。在工作区域内，依据U_FES的值调节非接触三维光学测头的位置，若U_FES＞δ₀+ε，则表示反射面离显微物镜7距离过远，未到达焦点位置，需驱动电机使测头沿Z轴负向微移动，使显微物镜7接近工件5；若U_FES＜δ₀-ε，则表示反射面离显微物镜7距离过近，已越过焦点位置，需驱动电机使测头沿Z轴正向微移动，使显微物镜7远离工件5，直至U_FES∈[δ₀-ε，δ₀+ε]，认为影像测量系统1聚焦。

利用影像测量系统1对工件进行二维尺寸测量，聚焦定位系统2在Z轴方向对工件进行高度测量，从而组合实现非接触三维光学测头对工件5的三维尺寸测量。

如图3所示，视觉在位测量软件设有零件特征提取与识别模块，测量路径规划模块，NC代码生成模块，模拟仿真模块，数据处理模块和验证比对模块。各模块的主要功能如下：

1、零件特征提取与识别模块用于在零件CAD模型中建立测量坐标系，提取零件特征信息，并对其进行识别，将零件的几何信息和加工工艺信息存入数据库，供其他模块调用。

2、测量路径规划模块用于规划测量路径，将测量过程视为旅行商问题(TSP)，目标测量位置视为所要访问的城市，通过对旅行商问题的求解，生成一条优化的测量路径。

3、NC代码生成模块用于生成能被数控系统识别的沿测量路径自动对工件进行测量的NC代码。

4、模拟仿真模块用于对测量过程进行模拟仿真，检验自动测量NC代码的下确性，避免测量过程中测头与工件发生干涉。

5、数据处理模块用于对采集到的测量图像进行处理，结合测量时非接触三维光学测头的Z轴方向坐标值，通过计算得到测量结果。

6、验证比对模块用于检验工件的几何尺寸和公差是否合格，提供测量报告。

如图4所示，本实施例中的视觉在位测量软件的工作流程为：首先，导入零件CAD模型，根据工件的实际装夹位置，在测量平面上选取测量原点，建立测量坐标系，采用图形交互的方式，对零件特征信息进行提取与识别，得到零件的几何信息和加工工艺信息。然后，根据目标测量位置的坐标值对测量路径进行规划，生成一条从测量原点开始，结束后返回测量原点的优化的测量路径。接着，选择所使用的数控系统的型号，生成相应的能被其识别的沿测量路径自动对工件进行测量的NC代码。然后，根据自动测量NC代码对测量过程进行模拟仿真，将校验后的NC代码通过RS232总线传输给数控系统。测量时，通过1394B高速数字图像采集卡将测量图像采集存储到工控机中，测量完成后，结合非接触三维光学测头的Z轴方向坐标值，通过运算处理得到测量结果。最后，将测量值与零件CAD模型中的理论值进行比对，提供测量报告。

本实施例的工作流程具体为：

首先，在工件加工坐标系中，驱动数控铣床的Z轴方向电机转动，调节非接触三维光学测头的位置，利用聚焦定位系统2对影像测量系统1进行聚焦判断，确定测量平面，即在Z轴方向对非接触三维光学测头进行定位。然后，采用图形交互式的方式，在视觉在位测量软件中基于零件CAD模型生成自动测量NC代码，再通过RS232总线将NC代码传送给数控系统。采用LED显微镜环形光源6对影像测量系统1进行明场照明，使其全视场内获得明亮均匀的照明，当非接触三维光学测头位于目标测量位置时，数控系统发送脉冲信号触发工业CCD相机11拍摄图像，再通过1394总线将图像传送给工控机。测量前，需根据生成自动测量NC代码时选取的测量原点，调节数控铣床工作台的位置使影像测量系统1的光轴与测量平面的交点为测量原点，设定测量坐标系。测量时，在测量坐标系中，根据NC代码驱动X和Y轴方向电机转动，带动工件5在测量平面内运动，相当于驱动非接触三维光学测头沿测量路径对工件5进行自动测量。测量完成后，在视觉在位测量软件中进行运算处理操作，得到测量值，最后，进行验证比对操作，获得测量报告。