专利名称：高精度非接触三维面型测量装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种高精度非接触三维面型测量装置。具体涉及对物体表面的精细结构 进行非接触快速高精度动态测量的系统。本发明还涉及一种表面三维面型高精度非接触微 观测量方法。
背景技术：
在生产和科研实践中，常需要对许多物体的表面面型进行测量，即测量表面的微观 结构。在许多情况下，得知表面的三维结构，尤其是精细的三维结构尤为难得和重要。现 有技术中有以下测量表面面型的方法
1. 图像技术测量
最为常见的面型测量方法是对物体表面进行拍摄，从垂直于被测表面的方向获取被 测物图像。但显而易见，无论拍摄仪器的精度有多高，所得到的图像仅为物体表面的二维 结构信息，第三维信息只能通过光照的明暗来推测。在较为光滑的表面，即凹凸不明显的 表面，很难得到正确的面型数据。
2. 接触式测量
为同时获取表面第三维，即高度的测量数据，现有技术中有人采用接触式测量方法，
即用探测头直接探测表面的高度，结合二维测量的数据，得到三维结构信息。但此方法存 在一些问题
一是不能测量精细和复杂表面。因为测量头是机械装置，无法对精细表面进行微观 面型测量，只能通过较大间距的测量后通过特征面的拟合来获得面型信息，这样得到的是 误差很大的数据，将使测量结果变得毫无意义；
二是只能测量硬质表面。因为软质表面在测量探头触到后会发生变形，得到不正确
的表面信息；
三是难以测量不能直接接触的物质。许多待测物是有毒有害物质，如放射性物质，
腐蚀性化学物质等，不能直接接触，需要将被测物与测量者及测量仪分隔，以保证安全。 3.非接触激光测量法
激光测量法克服了上两种测量方法的不足，可以非接触测量得到物体的结构信息。
+但现有技术的测量方法是被动测量，被动测量是在测量装置中安装光栅测量系统，由 测量头(测量传感器)触发光栅测量系统获取测量数据。这种装置结构复杂，成本高、仪 器安装麻烦、且在测量过程中容易引起测量的二次误差。
如德国FAR0公司的激光测量仪，如扫描测量臂(FARO Scanner Arm)、跟踪测量臂(FARO Track Arm)、激光跟踪仪(Laser Tracker)等均可以进行非接触式测量，进行三维表面 形状比较、2D横断分析和轮廓检测。用于检测机器上的部件尺寸。(参见www. faro.com)。 该测量装置是进行距离测量，即测量从传感器到被测物间的距离。主要用于测量较大型结 构件的几何尺寸、位置关系等，但不是用于测量精细表面的三维面型。
此外，已有测量装置的测量方式是通过测量传感器运动而间接获得被测物信息的方 式，因此测量过程中会产生较大阿贝误差。
发明内容
本发明的目的是研制一种高精度非接触三维面型测量装置，可对物体表面的精细结构 进行非接触的主动式测量。
本发明提供的高精度非接触三维面型测量装置包括基座、工作台面、龙门支架、x向
运动单元、Y向运动单元、Z向运动单元、Z向安装架、激光测量传感器和控制计算机， 其特征是X向运动单元固定在基座上，龙门支架固定于基座上，Y向运动单元设置于 龙门支架上方，Z向运动单元通过Z向安装架设置于Y向运动单元上，激光测量传感器 固定于Z向运动单元上，工作台面设置于所述X向运动单元上。
所述基座和龙门支架的优选材料是天然石材或人造石材，如经精密磨削加工后的大理 石或人造石，因其为整个系统精度保证的基础，需要有较高稳定性；
为保证测量精度，优选的工作台面是高精度台面，其平面度小于2微米。如采用钢材 料经热处理，且表面经刮研处理；
所述运动单元是控制传感器或被测物往复直线运动的部件，可以具有完成此目的的不 同结构。在本发明一个实施例中，所述X向和Y向运动单元包括有运动平台、丝杆、驱动 电机和直线导轨，电机带动丝杆旋转，驱动运动平台运动，直线导轨可以保证运动的直线 度。Z向运动单元的结构与X向和Y向运动单元相同，但在运动平台上安装有激光测量传 感器。
所述控制计算机与X、 Y、 Z向运动单元及激光测量传感器连接，控制各向运动单元移 动，进而控制激光测量传感器与被测物的测量距离，同时读取和处理所述激光测量传感器 获取的扫描数据，并以图形方式显示。
作为本发明的进一步改进，在所述Z向安装架未安装Z向运动单元的一侧，设置有配 重块，使Z向安装架两侧重量平衡，减小Z向运动单元单边安装传感器重力不平衡造成的 扰动而带来的测量误差。所述配重块的材料形状不限，优选的形状为长方体，材料为金属 或石材，大小和重量以满足Z向安装架两侧重量平衡为限。
可根据测量要求的不同需要选择不同测量精度的激光测量传感器，当需要进行高精度 测量时，应选用高精度传感器，如测量精度为0.01微米或测量精度更高的激光三角测量 传感器，采用激光三角测量法进行非接触测量。
非接触式激光三角测量法原理。
激光器的轴线、成像物镜的光轴以及CCD线阵，三者位于同一个平面内。激光光源 作为测量的指示光源，将一个理想的点光斑投射在被测表面上。该光斑将随其投射点位置 的深度坐标变化而沿着激光器的轴向作同样距离的位移。点光斑同时又通过物镜成像在 CCD线阵上，且成像位置与光斑的深度位置有唯一的对应关系。测出CCD线阵上所成实 像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光斑此刻的深度坐标，从而得到被测表 面该点处的深度参数。通过对若干采样点的测量，得到被测表面形貌的一组数据。利用显 微物镜对焦深及其敏感的特点，在对象共焦层面产生清晰的图像并投射到图像传感器上； 而其余区域的图像则是模糊的。这种基本的光学三角法测量属于逐点测量。参见附图3。
本装置采用主动测量的方式，即测量传感器直接获取测量值。测量时，被测物安放在 工作台面上，被测物运动，而测量传感器不动，以提高测量的精度。
测量过程是:在测量准备阶段，固定有激光测量传感器的Z向运动单元上下垂直运动， 控制传感器与工作台面间的不同高度，调整传感器到与被测物的合理高度，保证在其量程 范围内；在测量的过程中，Z向运动单元不运动，X向运动单元带动工作台面，控制被测物在设定的长度范围内相对X向往复运动，同时Y向运动单元按照设定的测量间距(如 10-20微米)，控制传感器的相对Y向往复运动。
本装置通过设置可以自动按照行——列的顺序进行扫描测量，得到被测区域内均匀间 隔的点阵。可以根据需要任意设置每个采样点间的间距，如10微米或20微米等。
所得的扫描数据为每个采样点坐标位置的高度值，扫描结束后即可进行数据处理，数 据处理结束会生成扫描数据的新数据文件。 +获取的数据为按设定扫描范围和扫描间距分布的数据矩阵。将海量数据进行处理，即 以图形的方式显示，便于观察和分析。如将数据分为256级的图像，即将每点的灰度值用 相应软件描述成灰度图象。也可采用imageware软件将数据形成三维立体图。
通过以上测量计算可以将被测物表面的微观结构数字化，由此获得被测物表面的微观 三维面型。由于测得的数据是每个采样点坐标位置的高度值，通过曲面拟合算法进行三维 重构，进而获得各项参数，如皮革纹理形状和深度、半球形件的外形尺寸、球度、表面气 泡的形状，还可以分析出气泡的容积、两个相互贴合的表面的贴合度等。
本发明的优点如下
1、 非接触测量方法，可以测量软质表面和不能直接接触的有毒有害物质表面的微观 三维面型、尺寸、狭缝、表面状态等，保证了测量操作人员的安全；
2、 为主动测量系统，被测物运动，而非测量头运动；直接由传感器测量Z向相对高 度。传统的测量是通过接触式测头接触被测点后，触发测量光栅获取相对位置值。装置中 不需要安装复杂的光栅测量系统，成本低、系统结构简单。同时主动测量不会造成测量的 二次误差，测量精度高。
3、 釆用被测物一维运动的方式，改变了传统的测量系统中釆用测量单元三维运动的 方式，最大限度地减小了测量过程中的阿贝误差。
4、 基座采用石材，稳定性好，有利于减少测量误差。
+ 5、采用配重的方法，减小了 Z向运动单元绕支架的偏转造成的测量误差。
图1是高精度非接触三维面型测量装置一种实施方式的总体示意图，图中1是基座， 2是X向运动单元，3是工作台面，4是龙门支架，5是Z向安装架5， 6是Y向运动单元， 7是配重块，8是激光三角法测量传感器，9是Z向运动单元； 图2是一种Z向运动单元示意图，图中IO是运动单元驱动电机，ll是运动平台，12 是运动单元安装基座，13是高精度直线导轨，14是丝杆；
图3是三角测量法原理图。图中15是激光光源，16是聚焦透镜，17是成像物镜，18 是CCD线，19是被测表面；
图4是测量过程中控制计算机扫描参数设置对话框；
图5是微细软质材料——牛皮测量得到的面型三维立体图； 图6是硬质材料——硬币测量得到的微观面型三维立体具体实施例方式
实施例1带有配重块的高精度非接触三维面型测量装置
从图l可以看出
龙门支架4固定在基座1上，与基座l垂直；X向运动单元2也安装在基座l上；工
作台面3安装在X向运动单元2上。X向运动单元2在动态测量过程中带动被测物作X向 往复运动；
Y向运动单元6固定在龙门支架4上方；
Z向安装架5安装在Y向运动单元6上，Z向运动单元9安装在Z向安装架5上，激 光三角法测量传感器8固定在Z向运动单元9上；
;配重块7是钢材料，长方体形状，安装在Z向安装架5上，用于保证Z向安装架5两 边的重量，减小由于激光三角法测量传感器8和Z向运动单元9单边安装时重力不平衡造 成的扰动。
控制计算机与X、 Y、 Z向运动单元及激光测量传感器连接,控制各向运动单元移动， 同时控制激光测量传感器与被测物的测量距离,读取和处理所述激光测量传感器获取的扫 描数据，并以图形方式显示。
控制计算机软件界面设置有如下部分
运动控制部分按钮，可调整扫描头至指定位置；
扫描参数设置，供输入相应的扫描参数
快速定位，系统在被测范围内作"之"字形快速采样运动 +存储设备，可实时保存扫描数据；
数据处理，有"载入数据"和"输出图像"按钮。
实施例2 —种Z向运动单元实施方式
图2是Z向运动单元示意图。运动平台ll上安装传感器，由运动平台ll带着传感器
运动。运动单元安装基座12用于固定在其他部件上，运动平台11在高精度直线导轨13 支撑上作直线往复运动，高精度直线导轨13可以保证运动平台11运动的直线度。丝杆14 可在运动单元驱动电机10的带动下旋转，丝杆14与运动平台11构成蜗轮蜗杆部件可驱 动运动平台11运动。
实施例3硬质材料——硬币面型测量
1、 测量准备
1) 将待测1元硬币放置在实施例1所述测量装置的作业平台上，正面朝上。
2) 调整扫描头至指定位置，设置扫描的幅面大小，在控制计算机控制软件中设置相 应参数(乂=20000微米，幅面Y-20000微米，间距=20微米)。
3) 启动快速定位功能，即系统在被测范围内作"之"字形快速采样运动，分析系统 可能越界的地方。
4)调整测量传感器与被测物的相对位置，获取"之"字形扫描区域的相对高度数据值， 为0.011 mm—0.013 mm，如果超出了传感器的测量范围，则会在获取的数据中出现"——" 的数据，即不可见数据，通过分析这些数据的分布，如获取的最小值为0.005mm，可见数 据的最大值为O.lOlmm，根据测头的测量范围如4mm，是指测量为正负2mm内有效，Z项 运动单元应向上运动，保证最小值和最大值在正负2mm的中间位置分布。
针对存在的越界区域，自动调整测头的相对位置，保证被测物和测头在允许的范围内。 的满足测量量程。
2、 测量
1)扫描图样
a、 通过"运动控制"部分按钮调整扫描头至指定位置；
b、 如图4所示，点击"开始扫描"按钮，开始扫描。输入想要保存的文件名。扫描数 据文件保存类型为DAT格式，点击"保存"后，扫描开始。
系统在扫描结束后能自动关闭扫描处理，不须用户介入。
c、 扫描过程
首先定位好开始测量点，从设定的扫描起始位置开始，首先由X向运动单元运动，带 动工作台面和被测物一起匀速运动，在运动的过程当中，测量头按照均匀间隔获取硬币正 面的对应位置的相对高度值，并实时将数据保存在存储设备中，当X向运动到所设定的长 度(20000微米)范围后停止，此时X向运动单元反向运动回原始位置，同时Y向运动单
元按照设定的20微米Y向测量间距运动一个测量距离，然后X向运动单元再次正向运动， 往复。
在测量的过程中，Z向运动单元不运动。
测得的每个采样点坐标位置的高度值为按设定扫描范围和扫描间距分布的数据矩阵，
其分布如下
<image>image see original document page 9</image>此处采用的处理方法是将数据以灰度的形式描述为灰度图象。灰度图象是指将数据分
为256级的图像，先分析出海量数据中的最大值和最小值，记为^4ax和^自。对应每点的 灰度值即是
256*|(^,广
<formula>formula see original document page 9</formula>
将每点的灰度值用相应软件描述成灰度图像。
点击扫描控制软件界面"载入数据"按钮，数据载入结束后，通过点击"确定"按钮 可以看到灰度色阶的相应位置，并可以将输入的值保存到文件中。如果想输出二值图像， 则'将最大最小值输入为一样，按"确定"按钮即可。 4、输出图像
在完成载入数据处理后点击"输出图像"按钮，见图5。
实施例4微细软质材料——牛皮面型测量
测量方法和过程同实施例3，但Y向运动单元设定的测量间距是10微米。测量结果 输出图像见图6。
权利要求
1.一种高精度非接触三维面型测量装置，包括基座(1)，工作台面(3)，龙门支架(4)，X向运动单元(2)，Y向运动单元(6)，Z向运动单元(9)，Z向安装架(5)，激光测量传感器(8)和控制计算机，其特征是X向运动单元(2)固定在基座(1)上，龙门支架(4)固定在基座(1)上，Y向运动单元(6)设置于龙门支架(4)上方，Z向运动单元(9)通过Z向安装架(5)设置于Y向运动单元(6)上，激光测量传感器(8)固定于Z向运动单元(9)上，工作台面(3)设置于X向运动单元(2)上。
2. 根据权利要求1所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述基座(l)和龙门支架 (4)的材料是天然石材或人造石材。
3. 根据权利要求1所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述工作台面(3)的平面 度小于2微米。
4.根据权利要求1所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述运动单元包括有运 动平台(11)、丝杆(14)、驱动电机(10)和直线导轨(13)。
5. 根据权利要求4所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述运动单元的直线度 在2 / 10000以上。
6. 根据权利要求1所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述激光测量传感器(8) 是激光三角测量传感器。
7. 根据权利要求1 6中任一权利要求所述的高精度非接触三维面型测量装置，在Z 向安装架(5)未安装Z向运动单元(9)的一侧，设置有配重块(7)。
8.根据权利要求7所述的高精度非接触三维面型测量装置，所述配重块(7)的形状为 长方体。
9.用根据权利要求1所述的高精度非接触三维面型测量装置对物体表面的精细结构 进行非接触测量的方法。
全文摘要
本发明涉及一种高精度非接触三维面型测量装置。该装置包括激光测量传感器、X向、Y向和Z向运动单元等。本发明提供了高精度非接触测量装置和测量方法，可对硬质材料、软质材料和镜面材料的表面面型等进行高精度快速动态无损伤测量，获得面型、尺寸、表面状态等数据。
文档编号G01B11/03GK101105389SQ200710099770
公开日2008年1月16日 申请日期2007年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者姜春福, 慈林林, 斌 杨, 杨银刚, 葛根焰, 亮 黄 申请人:中国人民解放军第二炮兵装备研究院第四研究所