一種光幕式軸類零件測量儀測頭裝置及其測量方法與流程

本發明涉及軸類零件直徑測量領域，具體為一種光幕式軸類零件測量儀測頭裝置。

背景技術：

在機械工業中，軸類零件是組裝合成機械機器的常見典型零件之一，對軸類零件關鍵尺寸的精密測量對保證軸類零件的加工、裝配質量起著非常重要的作用。

接觸式測量是較為傳統的測量方法，通過與零件表面直接接觸測量得出直徑尺寸，但由于對工件進行直接接觸會造成工件表面的劃傷進而影響尺寸精度。基于掃描法的非接觸式測量需要高穩定性的微型電機和掃描棱鏡，成本較高，難以在工業生產中大范圍使用。基于衍射法的非接觸式測量隨著工件直徑的增大測量精度降低，因此只能測量較小直徑工件。基于影像法的非接觸式測量相對于衍射法測徑范圍更廣，能夠檢測軸徑更大的零件軸，相對于掃描法測徑的裝置結構更為簡單，成本更低。

而現有的基于影像法的光幕式軸類零件測量儀的具有單個線陣ccd傳感器的測頭裝置主要受限于單個線陣ccd傳感器的有效工作長度和平行光源長度。如圖1所示，采用單個線陣ccd傳感器的測頭裝置，光源1照射在待測軸類零件2上，被其遮擋產生光斑的上下邊緣由線陣ccd傳感器3采集，線陣ccd傳感器3將采集的信號傳遞給計算機4，找出線陣ccd傳感器上被遮擋的光敏原件個數就能求出待測軸類零件直徑，由于單個線陣ccd傳感器本身長度有限，從而無法測量直徑較大的軸類零件。如圖2所示，采用兩個線陣ccd傳感器3的測頭裝置，可以測量直徑較大的軸類零件，但是由于每個線陣ccd傳感器3自身存在一定長度，其所能測量的最小尺寸大于兩個線陣ccd傳感器的安裝距離。

技術實現要素：

針對現有技術中對軸類零件測量范圍受限的缺陷，本發明提供一種光幕式軸類零件測量儀測頭裝置，其結構簡單、成本低，對軸類零件直徑測量精度高且測量范圍廣。

本發明通過以下技術方案實現：

一種光幕式軸類零件測量儀的測頭裝置，其關鍵在于：包括具有兩根支撐桿的u型基架和沿光線方向依次設置的平行光源、位于同一豎直方向上的兩個平面鏡組、位于同一豎直方向上的兩個線陣ccd傳感器；所述平面鏡組由兩個平行且鏡面相對設置的平面鏡組成，其中所述平面鏡與光線之間的夾角為45度；平行光源產生低發散角的平行光，被待測量軸類零件遮擋并且經過兩個平面鏡組光路改造后產生光斑的上下邊緣由兩個線陣ccd傳感器采集；

所述兩個平面鏡組、兩個線陣ccd傳感器沿u型基架上一根支撐桿的精密絲桿導軌相向滑動和鎖定，其中平行光源的照射方向與線陣ccd傳感器的導軌面垂直，線陣ccd傳感器的光軸與線陣ccd傳感器的導軌面垂直。

通過上述技術方案可知，平行光源對待測軸類零件進行照射，被零件直徑部分遮擋后的光斑分別照入上、下兩個平面鏡組，其光路被上下兩個平面鏡組改造后，光斑的上下邊緣由兩個線陣ccd傳感器采集。線陣ccd傳感器采集到的信號傳遞給計算機，計算當前狀態下待測軸類零件的上下邊緣位置以及工件直徑。在測量過程中，根據實際零件直徑大小，調整兩個線陣ccd傳感器的位置。相比于傳統測頭裝置，克服了單個線陣ccd傳感器自身長度有限不能測量較大軸類零件直徑的問題，同時也克服了兩個線陣ccd傳感器測量軸類零件直徑的最小尺寸大于兩個線陣ccd傳感器的安裝距離的問題，測量范圍更廣，通用性更強。

進一步的，沿所述平行光源的光線方向設有用于放大平行光源光線的第一放大鏡片組，該第一放大鏡片組位于平行光源和待測量軸類零件之間。有效縮小光源元件尺寸，減小測頭裝置體積，提高測量精度。

進一步的，所述對應的平面鏡組和線陣ccd傳感器之間分別設有第二放大鏡片組，該第二放大鏡片組用于放大經平面鏡組改造后的光線。對光路進行放大處理，提高測頭裝置的分辨率，提高測量精度。

進一步的，所述第二放大鏡片組和線陣ccd傳感器之間設置有濾光片。

進一步的，所述第一放大鏡組和第二放大鏡組均由兩塊平行的平凸透鏡組成，所述兩塊平凸透鏡的平面相對，球面相背。

進一步的，所述測頭裝置還包括用于固定平行光源和第一放大鏡片組的光源架以及兩個用于固定平面鏡組、第二放大鏡片組和線陣ccd傳感器的ccd傳感器架；所述光源架和兩個ccd傳感器架分別套設在u型基架的不同支撐桿上并且沿支撐桿的精密絲桿導軌相向滑動和鎖定。

所述光源架為矩形腔體結構，其從前到后依次開設有用于放置平行光源的圓形定位槽以及與第一放大鏡片組形狀相適配的第一弧形通槽，所述平行光源固定在圓形定位槽內，所述第一放大鏡片組固定在第一弧形通槽內。

所述ccd傳感器架為矩形腔體結構，其從前到后依次開設有與平面鏡組形狀相適配的45度通槽、與第二放大鏡片組形狀相適配的第二弧形通槽、與濾光片形狀相適配的矩形通槽、與線陣ccd傳感器形狀相適配的定位凹槽；所述平面鏡組固定在所述45度通槽內，第二放大鏡組固定在所述第二弧形通槽內，濾光片固定在所述矩形通槽內，線陣ccd傳感器固定在定位凹槽內。

由上述設計，通過采用插槽結構的方式來定位各元件，在安裝或更換元件的過程中可快速裝入或卸下，并且各元件之間互不影響。

本發明所述的測頭裝置測量軸類零件直徑的測量方法，包括如下步驟：

步驟一、用標準件標定零點，將直徑為x(mm)的標準件放入待測區域，平行光源產生的平行光被標準件遮擋后的光斑，分別照入上下兩個平面鏡組，經平面鏡組改造和第二放大鏡片組放大后光斑的上下邊緣由兩個線陣ccd傳感器采集，最終在線陣ccd傳感器上成像，其陰影分別被兩個線陣ccd傳感器接收并將信號傳遞給計算機，由計算機算出其所在上下邊緣像素點的位置，標定為零點a1、a2；

步驟二、將待測量軸類零件放入待測區域，其陰影部分會相對于標準件產生變化,計算機算出其上下邊緣的像素點位置a3、a4，則待測軸類零件的直徑為：x+[|a1-a3|+|a2-a4|]×k，其中k＝d/β，d為線陣ccd傳感器的光敏像元間距；β為第二放大鏡片組的放大倍數，β的理論值為第二放大鏡片組中平凸透鏡較大焦距與較小焦距的比值；

步驟三、對第二放大鏡片組的放大倍數β進行標定，由于ccd傳感器架加工及安裝誤差，使得第二放大鏡片組的放大倍數與理論值存誤差，需對β進行標定，先對直徑為x(mm)標準件進行檢測，得出上下邊緣兩個邊界點，記錄像素點位置x1、x2。再對直徑為x+1(mm)標準件進行檢測，記錄像素點位置為x3、x4。則第二放大鏡片組的放大倍數為：

步驟四、被標定后的第二放大鏡片組的放大倍數β返回步驟二，計算出待測量軸類零件的直徑。

本發明的有益效果：通過設置平面鏡組對光路進行改造，采用雙ccd線陣傳感器測量上下邊緣，擴大測量范圍；測頭裝置的各元件通過插槽方式定位，安裝快捷、方便且各元件互不影響，設置放大鏡片組放大光路，縮小光源元件尺寸，減小測頭裝置體積，提高測量精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1為現有技術中單個線陣ccd傳感器原理圖；

圖2為兩個線陣ccd傳感器原理圖；

圖3為實施例中本裝置的光路原理圖；

圖4為實施例中本裝置放大鏡片組的原理圖；

圖5為實施例中測頭裝置結構示意圖；

圖6為實施例中光源架結構示意圖；

圖7為實施例中ccd傳感器架結構示意圖；

附圖中：1-平行光源；2-待測量軸類零件；3-線陣ccd傳感器；4-計算機；5-第一放大鏡片組；6-第二放大鏡片組；7-平面鏡組；8-支撐桿；9-u形基架；10-絲桿導軌；11-光源架；111-圓形定位槽；112-第一弧形通槽；12-ccd傳感器架；121-45度通槽；122-第二弧形通槽；123-矩形通槽；124-定位凹槽；13-方形限位孔；14-螺紋孔。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細說明。

在本實施例中，術語“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造或操作，因此不能理解為對本發明的限制。

如圖3和圖5所示的一種光幕式軸類零件測量儀的測頭裝置，包括具有兩根支撐桿8的u型基架9和沿光線方向依次設置的平行光源1、位于同一豎直方向上的兩個平面鏡組7、位于同一豎直方向上的兩個線陣ccd傳感器3；所述平面鏡組7由兩個平行且鏡面相對設置的平面鏡組成，其中所述平面鏡與光線之間的夾角為45度；平行光源1產生低發散角的平行光，被待測量軸類零件2遮擋并且經過兩個平面鏡組7光路改造后產生光斑的上下邊緣由兩個線陣ccd傳感器3采集；

所述兩個平面鏡組7、兩個線陣ccd傳感器3沿u型基架9上一根支撐桿8的精密絲桿導軌10相向滑動和鎖定，其中平行光源1的照射方向與線陣ccd傳感器3的導軌面垂直，線陣ccd傳感器3的光軸與線陣ccd傳感器的導軌面垂直。

沿所述平行光源1的光線方向設有用于放大平行光源光線的第一放大鏡片組5，該第一放大鏡片組5位于平行光源1和待測量軸類零件2之間。有效縮小光源1尺寸，減小測頭裝置體積，提高測量精度。

所述對應的平面鏡組7和線陣ccd傳感器3之間分別設有第二放大鏡片組6，該第二放大鏡片組6用于放大經平面鏡組7改造后的光線。對光路進行放大處理，提高測頭裝置的分辨率，提高測量精度。

所述第二放大鏡片組6和線陣ccd傳感器3之間還設置有濾光片(圖3未示出)。

如圖4所示，所述第一放大鏡組和第二放大鏡組均由兩塊平行的平凸透鏡組成，所述兩塊平凸透鏡的平面相對，球面向背。

參考圖3、圖5、圖6、圖7，所述光幕式軸類零件測量儀測頭裝置還包括用于固定平行光源1和第一放大鏡片組5的光源架11以及兩個用于固定平面鏡組7、第二放大鏡片組6和線陣ccd傳感器3的ccd傳感器架12；所述光源架11和兩個ccd傳感器架12分別套設在u型基架9的不同支撐桿8上并且沿支撐桿的精密絲桿導軌10相向滑動和鎖定。

所述光源架11為矩形腔體結構，其從前到后依次開設有用于放置平行光源1的圓形定位槽111以及與第一放大鏡片組5形狀相適配的第一弧形通槽112，所述平行光源1固定在圓形定位槽內111，所述第一放大鏡片組5固定在第一弧形通槽112內。

所述ccd傳感器架12為矩形腔體結構，其從前到后依次開設有與平面鏡組7形狀相適配的45度通槽121、與第二放大鏡片組形狀相適配的第二弧形通槽122、與濾光片形狀相適配的矩形通槽123、與線陣ccd傳感器形狀相適配的定位凹槽124；所述平面鏡組7固定在所述45度通槽121內，第二放大鏡組固定在所述第二弧形通槽122內，濾光片固定在所述矩形通槽123內，線陣ccd傳感器固定在定位凹槽124內。

所述光源架11和兩個ccd傳感器架12分別套設在u型基架9的不同支撐桿8上并且沿支撐桿的精密絲桿導軌10相向滑動和鎖定。具體地，在光源架11和線陣ccd傳感器的端部均一體延伸有固定部。如圖5，圖6，圖7所示，所述固定部上開設有方形限位孔13和螺紋孔14，所述方形限位孔13通過拎緊螺釘固定在支撐桿8上，螺紋孔14通過精密絲桿導軌上下移動。實際測量軸類零件直徑時，根據需要調整光源架11及線陣ccd傳感器架12的位置。

本實施例中所述的測頭裝置測量軸類零件直徑的測量方法，按如下步驟進行：

步驟一、用標準件標定零點，將直徑為x(mm)的標準件放入待測區域，平行光源1產生的平行光被標準件遮擋后的光斑，分別照入上下兩個平面鏡組7，經平面鏡組改造和第二放大鏡片組放大后光斑的上下邊緣由兩個線陣ccd傳感器3采集，最終在線陣ccd傳感器3上成像，其陰影分別被兩個線陣ccd傳感器3接收并將信號傳遞給計算機，由計算機算出其所在上下邊緣像素點的位置，標定為零點a1、a2；

步驟二、將待測量軸類零件放入待測區域，其陰影部分會相對于標準件產生變化,計算機算出其上下邊緣的像素點位置a3、a4(類似于坐標點)，則待測軸類零件的直徑為：x+[|a1-a3|+|a2-a4|]×k，其中k＝d/β，d為線陣ccd傳感器3的光敏像元間距；β為第二放大鏡片組6的放大倍數，β的理論值為第二放大鏡片組6中平凸透鏡較大焦距與較小焦距的比值；

步驟三、對第二放大鏡片組6的放大倍數β進行標定，由于ccd傳感器架12加工及安裝誤差，使得第二放大鏡片組6的放大倍數與理論值存誤差，需對β進行標定，先對直徑為x(mm)標準件進行檢測，得出上下邊緣兩個邊界點，記錄像素點位置x1、x2。再對直徑為x+1(mm)標準件進行檢測，記錄像素點位置為x3、x4。則第二放大鏡片組的放大倍數為：

步驟四、被標定后的第二放大鏡片組6的放大倍數β返回步驟二，計算出待測量軸類零件的直徑。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解；其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。