一种工件内部结构的轮廓测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种工件内部结构的轮廓测量装置及测量方法。

背景技术

随着各领域对精密加工工件的需求不断增加，对工件内部轮廓的加工和测量水平也提出了越来越高的要求。三维内轮廓测量是轮廓测量中的难点。目前工件的三维内轮廓可采用三坐标机、环形光切法、激光三角扫描法等进行测量。三坐标机测量需将工件剖开，属于破坏性测量。环形光切和激光三角扫描法是非破坏性的非接触光学测量，但由于遮挡、量程、角度适应性等问题，工件内部轮廓有较大起伏时（内部复杂轮廓）难以测量，主要适用于内部没有结构或内部有简单小结构的工件。

发明内容

本发明的目的是提供一种工件内部结构的轮廓测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现了无接触测量，实现了内凹型工件的内表面整体三维轮廓高效率测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种工件内部结构的轮廓测量装置，包括：

测量光源，所述测量光源能够发出测量光束；

聚光元件，所述聚光元件位于所述测量光源发出测量光束的一侧，且能够会聚测量光束；所述聚光元件的位置能够沿光轴方向调整；

反射元件，所述反射元件位于所述测量光源发出测量光束的一侧，所述反射元件为锥面反射镜，所述反射元件与所述聚光元件同轴设置，所述反射元件能够将聚焦后的测量光束反射并生成环形光束，环形光束能够入射到被测工件的内表面上；

成像元件，所述成像元件能够将所述被测工件反射、散射的光束成像为光切图像。

优选地，所述测量光源为超连续谱激光器。

优选地，所述测量光源与所述聚光元件之间设置有光束整形组件，所述光束整形组件包括透镜组和匀化片，以对所述测量光源发出的测量光束进行光束整形。

优选地，所述聚光元件为会聚透镜，所述聚光元件的口径大于所述光束整形组件输出的均匀光束的口径，所述聚光元件的F数大于0.5。

优选地，所述聚光元件连接有第一运动机构，所述第一运动机构能够带动所述聚光元件沿光轴方向往复运动。

优选地，所述反射元件的锥面具有高反射膜层，且所述反射元件的底面直径大于所述聚光元件的口径；所述反射元件的锥面与底面之间的夹角为45°。

优选地，所述成像元件采用超广角成像系统，所述成像元件包括电荷耦合器件和镜头。

优选地，所述的工件内部结构的轮廓测量装置，还包括支撑机构和第二运动机构，所述支撑机构为筒状，所述测量光源、所述聚光元件、所述反射元件以及所述成像元件均设置于所述支撑机构内，所述支撑机构具有镂空部，以用于光束的传播；所述第二运动机构与所述支撑机构相连，所述第二运动机构能够带动所述支撑机构沿所述聚光元件的光轴方向往复运动。

优选地，所述的工件内部结构的轮廓测量装置，还包括控制器，所述测量光源以及所述成像元件均与所述控制器通讯连接。

与此同时，本发明还提供一种工件内部结构的轮廓测量方法，利用上述的工件内部结构的轮廓测量装置，包括如下步骤：

步骤一、标定所述聚光元件位置与环形光束聚焦位置之间的换算关系

所述测量光源发出的光束，被所述聚光元件聚焦，射入所述反射元件后生成环形光束，环形光束入射到所述被测工件的内表面，反射光和散射光被所述成像元件成像为带有所述被测工件内轮廓信息的光切图像；控制所述聚光元件沿光轴移动，环形光束的聚焦位置随之变化，所述成像元件得到的光切图像的环宽也随之变化；

采用内轮廓已知的环规，调整所述聚光元件的位置，使环形光束聚焦于所述环规的内表面，此时所述聚光元件的位置对应环形光束聚焦处的所述环规的半径；

步骤二、测量所述被测工件的截面的轮廓

将所述工件内部结构的轮廓测量装置送入所述被测工件的内部，并使工件内部结构的轮廓测量装置停留在所述被测工件的中心轴上的某个位置，所述成像元件获取所述被测工件的这个位置的光切图像，通过调整所述聚光元件的位置，使光切图像上光束宽度最小，并记录下光切图像各部位宽度最小时的聚光元件的位置，并根据步骤一换算成轮廓数据；

步骤三、测量所述被测工件的内部整体轮廓

沿所述被测工件的中心轴方向，控制所述工件内部结构的轮廓测量装置，按照预设步长运动，测量得到所述被测工件不同截面的轮廓，将各截面轮廓按照运动步长间隔拼接，得到所述被测工件的内部整体轮廓。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的工件内部结构的轮廓测量装置，包括测量光源、聚光元件、反射元件和成像元件，测量光源能够发出测量光束；聚光元件位于测量光源发出测量光束的一侧，且能够会聚测量光束；聚光元件的位置能够沿光轴方向调整；反射元件位于测量光源发出测量光束的一侧，反射元件为锥面反射镜，反射元件与聚光元件同轴设置，反射元件能够将聚焦后的测量光束反射并生成环形光束，环形光束能够入射到被测工件的内表面上；成像元件能够将被测工件反射、散射的光束成像为光切图像。

本发明的工件内部结构的轮廓测量装置，采用锥面反射镜将入射的带角度光束转化为入射到被测工件内侧面的环形光束，由成像元件采集环形光束被被测工件反射后的光切图像，通过控制反射元件前的聚光元件沿光轴方向运动，记录下光切图像上环形光束每个位置聚焦时聚光元件的位置，通过聚光元件位置计算得到被测工件此处截面的轮廓，并控制整个工件内部结构的轮廓测量装置，沿被测工件中心轴运动，获取被测工件内侧面每个截面的轮廓，按运动的间距将各截面轮廓拼接为完整的被测工件内轮廓。本发明有效地解决了工件内部复杂结构轮廓的测量难题，实现了工件内表面三维轮廓完整、高精度、非接触测量。

与此同时，本发明还提供一种工件内部结构的轮廓测量方法，利用上述的工件内部结构的轮廓测量装置，非接触式测量方式，极大地提高了工件内部结构的轮廓测量工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的工件内部结构的轮廓测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的工件内部结构的轮廓测量装置的支撑机构的结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的工件内部结构的轮廓测量方法的聚焦位置的示意图；

图4为本发明实施例所公开的工件内部结构的轮廓测量方法的光切图像不同位置环宽变化的示意图；

图5为本发明实施例所公开的工件内部结构的轮廓测量方法的步骤三的示意图。

其中，1为被测工件，2为测量光源，3为光束整形组件，4为第一运动机构，5为聚光元件，6为反射元件，7为成像元件，8为支撑机构，9为第二运动机构，10为控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种工件内部结构的轮廓测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现了无接触测量，实现了内凹型工件的内表面整体三维轮廓高效率测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种工件内部结构的轮廓测量装置，包括测量光源2、聚光元件5、反射元件6和成像元件7，测量光源2能够发出测量光束；聚光元件5位于测量光源2发出测量光束的一侧，且能够会聚测量光束；聚光元件5的位置能够沿光轴方向调整；反射元件6位于测量光源2发出测量光束的一侧，反射元件6为锥面反射镜，反射元件6与聚光元件5同轴设置，反射元件6能够将聚焦后的测量光束反射并生成环形光束，环形光束能够入射到被测工件1的内表面上；成像元件7能够将被测工件1反射、散射的光束成像为光切图像。

本发明的工件内部结构的轮廓测量装置，采用锥面反射镜将入射的带角度光束转化为入射到被测工件1内侧面的环形光束，由成像元件7采集环形光束被被测工件1反射后的光切图像，通过控制反射元件6前的聚光元件5沿光轴方向运动，记录下光切图像上环形光束每个位置聚焦时聚光元件5的位置，通过聚光元件5位置计算得到被测工件1此处截面的轮廓，并控制整个工件内部结构的轮廓测量装置，沿被测工件1中心轴运动，获取被测工件1内侧面每个截面的轮廓，按运动的间距将各截面轮廓拼接为完整的被测工件1内轮廓。本发明有效地解决了工件内部复杂结构轮廓的测量难题，实现了工件内表面三维轮廓完整、高精度、非接触测量。

在本具体实施方式中，测量光源2为激光器，在实际应用中，可采用超连续谱激光器，提高光束稳定性，为后续测量提供有力保障。

为了进一步提高测量光束质量，测量光源2与聚光元件5之间设置有光束整形组件3，光束整形组件3包括透镜组和匀化片，将激光器发出的高斯光束直径增大，准直并且将光强匀化为均匀分布的平顶光。

还需要说明的是，聚光元件5为会聚透镜，聚光元件5的口径大于光束整形组件3输出的均匀光束的口径，聚光元件5的F数大于0.5，确保光束的有效传播，提高装置的工作可靠性。

具体地，聚光元件5连接有第一运动机构4，第一运动机构4能够带动聚光元件5沿光轴方向往复运动，提高聚光元件5往复运动的精确度，进而保证装置的测量结果准确性。

在实际应用中，可在反射元件6的锥面设置高反射膜层，以增强反射元件6的反射功能，且反射元件6的底面直径大于聚光元件5的口径；反射元件6的锥面与底面之间的夹角为45°，在实际应用中，反射元件6还可以根据实际工况选择其他的工作参数，以满足不同的测量需求。

另外，成像元件7采用超广角成像系统，成像元件7包括电荷耦合器件（CCD）和镜头，提高成像质量，为测量分析提供便利。

为了提高测量便捷性，本发明的工件内部结构的轮廓测量装置，还包括支撑机构8和第二运动机构9，支撑机构8为中空的筒状结构，测量光源2、聚光元件5、反射元件6以及成像元件7均设置于支撑机构8的内腔中，支撑机构8具有镂空部，以用于光束的传播，确保光束的顺利传播，测量工作的正常进行；在实际应用中，还可以在支撑机构8的中部设置缺口，使之成为“半筒”结构，避免对光束造成遮挡，另外，可在镂空部和缺口处设置透光材质，保护支撑机构8内零部件；第二运动机构9与支撑机构8相连，第二运动机构9能够带动支撑机构8沿聚光元件5的光轴方向往复运动，提高测量工作效率。

为了进一步提高装置的自动化程度，本发明的工件内部结构的轮廓测量装置，还包括控制器10，测量光源2、成像元件7、第一运动机构4以及第二运动机构9均与控制器10通讯连接，为了方便光切图像的分析，还可以将控制器10与外部计算机相连，方便操作人员测量分析操作。

与此同时，本发明还提供一种工件内部结构的轮廓测量方法，利用上述的工件内部结构的轮廓测量装置，包括如下步骤：

步骤一、标定第一运动机构4上的聚光元件5位置与轴向环形光束聚焦位置间换算关系。

具体地，超连续谱激光器发出光斑为圆形的高斯激光光束，通过光束整形组件3进行扩束、准直和匀化，出射出光束直径增加、光强分布均匀的准直光束。该光束被聚光元件5聚焦，射入到反射元件6后生成了一束环形光束，环形光束入射到被测工件1内表面后，反射和散射光被成像元件7成像为带有内轮廓信息的光切图像。该环形光束在某个位置聚焦，若聚焦位置在被测工件1内表面上，则从光切图像上看环宽最窄。第一运动机构4控制聚光元件5沿光轴移动，该环形光束的聚焦位置随之变化，详见图3，图中t1、t2代表聚光元件5的位置，R1、R2表示环形光束的聚焦位置。

采用经计量、内轮廓已知的环规，通过第一运动机构4调整聚光元件5的位置，使环形光束聚焦于环规内表面，则此时第一运动机构4的位置对应环规该处的半径。聚光元件5的位置改变量与环形光束聚焦位置变化量可由多个不同口径的环规标定。

步骤二、测量被测工件1每个单截面的轮廓。

具体地，激光器、光束整形组件3、第一运动机构4、聚光元件5、反射元件6、成像元件7都固定于支撑机构8中（下称为“测量系统”），由第二运动机构9送入被测工件1内部。当测量系统停留在在被测工件1光轴上的某个位置，在计算机上读取成像系统获取的这个位置被测工件1截面的光切图像，通过第一运动机构4调整聚光元件5的位置，使光切图像上光束宽度最小，请参考图4。记录下使光切图像上各个位置上宽度最小时的聚光元件5的位置，根据步骤一结果换算成轮廓数据。

以管状结构的被测工件1为例，第一运动机构4控制聚光元件5沿光轴移动，该环形光束的聚焦位置随之变化，光切图像上环宽也跟着改变，参见图4，图4中的截面图均为管状被测工件1内部垂直于光轴的同一个截面图，图中t1、t2、t3均代表聚光元件5位置，d1表示聚光元件5位于t1位置时环形光束聚焦半径，刚好聚焦在管状结构的被测工件1内横线结构的位置，那么根据聚光元件5的位置与聚焦半径的对应标定结果，可以获得横线结构的高度。同理，聚光元件5在t2位置聚焦于圆环位置，此时的聚焦半径为d2，同样地，d3表示聚光元件5在t3位置时环形光束的聚焦半径。

步骤三、测量被测工件1内部整体轮廓。

具体地，第二运动机构9控制测量姿态沿被测工件1中心轴按照设定步长运动，每一步测量得到此处被测工件1截面的轮廓，详见图5，将各截面轮廓按照运动步长间隔拼接，即可得到被测工件1内部整体轮廓。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。