[实用新型]光学系统定位工件曲面表面法线方向装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及工程测量技术领域，具体地说涉及一种光学系统定位工件曲面表面法线方向装置。该装置可以广泛应用到需要对曲面表面法线进行定位的场合，尤其适合对小曲率半径曲面的表面法线进行定位。

背景技术

在很多工程测量领域中，都需要对测量点的表面法线方向进行精确定位，随着对测量数据要求及测量设备精度的不断提高，被测量点的尺寸越来越小，对测量点的表面法线方向定位越来越困难。比如说在工业测量中的X射线残余应力检测。

在X射线残余应力检测中，因为测量点要严格处于X射线光源和探测器的旋转中心，X射线初始入射方向要严格垂直于被测点平面，即与被测点的法线方向严格一致。

在汽车行业中，以往由于受到X射线光源尺寸及强度的限制，光斑尺寸很难小于Ф1mm，同时采用平行光路，X射线入射线与被测点法线方向的存在一定的偏差尚可接受，对被测点法线方向的定位精度要求不高。现在随着加工技术的进步，光斑可以达到ФO.5mm或更小，同时采用了聚焦光路，X射线初始入射方向与被测点法线方向稍有偏差，就会引起很大的误差。同时汽车工件的尺寸越来越小，形状也越来越复杂，要求被测量点的残余应力指标也越来越高，，因此对法线方向的定位精度要求非常高。

过去对工件曲面表面法线方向的定位，采用如图1所示的方法，反射镜a是中间有平面反射镜片的平行玻璃块，将反射镜a放在工件上，只有当工件上的反射镜a与校准杆c垂直时，即校准杆与工件被测点法线方向重合时，从校准杆上端的与c成45度角的反射镜b上可以看到反射镜a的完整反射像。通过反复调整被测工件的角度，直至在b中看到a的完整反射像，即可完成测量点法线方向的定位。

但在测量曲率半径较小的工件，很难使反射镜a与工件表面重合，当然也无法准确完成测量点法线方向的定位。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供一种光学系统定位工件曲面表面法线方向装置，该实用新型采用光学系统定位工件曲面表面法线方向的方法，通过对照射到工件表面测量点上的光斑的分析，实现对工件曲面表面法线方向的定位。该系统可以广泛应用到需要对曲面的表面法线进行定位的测量场合。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

一种光学系统定位工件曲面表面法线方向装置，包括固定板和设置于固定板上的连接板，所述连接板上设置有可以在连接板上转动的固定座，所述连接板的下端设置有X光学光源和点激光光源，所述固定座的两端设置有斜置的且可以自由调节的光斑采集放大镜，所述光斑采集放大镜由前端的高度校准光源、中部的光学放大镜头和后端的CCD摄像头组成，所述的光斑采集放大镜通过对照射到工件表面测量点上的光斑的分析，实现对工件曲面表面法线方向的定位。可以广泛应用到需要对曲面的表面法线进行定位的测量场合。尤其适合对小曲率半径曲面的表面法线进行定位。

作为对上述技术方案的改进，所述X光学光源为线激光光源。

作为对上述技术方案的改进，所述高度校准光源为线光源。

本装置

1、采用点激光光源和线激光光源双光源系统和双光斑采集放大系统。

2、点激光光源光线和X射线入射线平行，线激光光源光线方向在点激光光源和X射线光源连线上。

3.光斑采集放大装置由CCD接收器和光学放大镜头组成。双光斑采集放大装置布置在与线激光光源光线垂直的平面内。

4、采用图像采集计算分析系统对光斑的极值进行分析。

法线位置判别方法:

首先将工件固定在工作台上，并且保证与工作台垂直的方向上有小R角表面法线存在。打开线性激光光源，调整工作台高度和水平面内的两个坐标，使摄像头能够采集到在小R角表面形成的激光光斑。

比较通过图像采集分析系统得到的数据，如果激光线位于通过小R角最高点的垂直平面内则两个摄像头所采集到的光线形状应该对称，调整水平面内两个方向的坐标，即可达到这一结果。关闭线性激光光源，打开点光源，调整水平面内的两个坐标，记录采集到的特征量处于极值时的位置。此时点光源照射到工件小R角表面的位置即为法线方向。

其原理是：

1、点光源光斑

当固定位置的点光源照射到球面(柱面)上时，只有当入射光线与球面(柱面)上被照射点的法线方向重合时，被照射点上的光斑尺寸具有极小值，形状也是对称的圆(椭圆)。当入射光线与被照射点的法线方向不重合时，该点上的光斑尺寸就会增大，形状也会扭曲，入射光线与法线方向偏离越大，光斑的的尺寸就越大，形状也越扭曲。