[发明专利]一种多弧段光学成像内孔直径测量装置与方法

说明书

本发明属于几何量精密测量领域，并具体公开了一种多弧段光学成像内孔直径测量装置与方法，其包括环形激光发生器组件、光学成像组件、n面棱锥反射镜和机架，其中环形激光发生器组件、光学成像组件和n面棱锥反射镜依次同轴安装在圆柱状的机架内部，环形激光发生器组件包括依次同轴安装的激光发生器、聚焦透镜和圆锥反射镜，光学成像组件包括依次同轴安装的光学图像传感器和光学透镜组，机架在圆锥反射镜和n面棱锥反射镜处开有通光口；测量时，通过圆锥反射镜和n面棱锥反射镜形成反射光路，并由光学成像组件对激光在待测工件内孔形成的环状光斑成像进而计算待测工件内孔直径；装置测量精度高，稳定性好，操作简便，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于几何量精密测量领域，更具体地，涉及一种多弧段光学成像内孔直径测量装置与方法。

背景技术

空心管结构作为一种常用的结构应用于社会的各行各业，从军事方面的火炮，到工业生产的液压油缸、抽油泵，以及日常生活中的运输管等，内孔类零件已经被广泛应用。由于环境、加工和使用等原因，常需要测量内孔的直径，但在实际测量过程中，大多数测量原理为接触测量，其测量过程不可避免会损伤内孔零件和引起测头磨损，导致内孔零件内径发生改变和零件性能下降，影响其使用安全性，尤其是火炮身管，当内径发生改变时，其射击准确性发生改变，对实际使用产生很大影响。

针对上述问题，产生了非接触测量技术及光电测量装置，其中有CCD和COMS(均为图像传感器)关联的光电成像测量技术，例如：在文献“光电式火炮身管窥膛检测系统[J].飞行器测控学报,2000,19(3)”中使用步进电机驱动外接测杆，通过对步进电机的控制，带动测杆前端CCD相机的位移与旋转，实现对炮管内膛的精确检测，但该装置运动结构复杂，不能对内孔类零件进行直径测量；在文献“火炮身管内表面综合测量系统研究[J].北京理工大学学报,2003,23(6):694-698”中把环形激光和CCD相机相结合，通过采集内孔截面上的环形激光图像，进行数据分析，得到膛线尺寸，但该装置采用圆锥镜进行全视周反射成像，由于切向尺寸缩比大，实际成像比例偏小，切向测量分辨率低，会出现测量结果误差较大、重复性较差的现象。

综上所述，内孔类零件测量装置搭配CCD、COMS成像技术的机器视觉定性、定量检测系统测量结果的准确性、重复性有待提高，因此，需研究一种高精度、便携式、可靠性高的内孔直径测量装置及对应方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多弧段光学成像内孔直径测量装置与方法，其目的在于，将环形激光发生器组件、光学成像组件和n面棱锥反射镜依次同轴安装，形成折叠反射光路，并由光学成像组件对激光在待测工件内孔形成的环状光斑成像，获得多段椭圆弧，进而计算出待测工件的内孔直径，其测量精度高，操作简便，具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种多弧段光学成像内孔直径测量装置，包括环形激光发生器组件、光学成像组件、n面棱锥反射镜和机架，其中，所述环形激光发生器组件、光学成像组件和n面棱锥反射镜依次安装在圆柱状的所述机架内部，且均与所述机架同轴；所述环形激光发生器组件包括依次同轴安装的激光发生器、聚焦透镜和圆锥反射镜；所述光学成像组件包括依次同轴安装的光学图像传感器和光学透镜组；所述n面棱锥反射镜由n个平面镜组成，其中n≥1，此n个平面镜围绕所述机架轴线分布且与所述机架轴线形成的夹角相等；所述机架在安装所述圆锥反射镜和n面棱锥反射镜处开有通光口；测量时，该测量装置同轴固定在待测工件内孔中，所述激光发生器发出的光束经聚焦透镜汇聚后，通过圆锥反射镜反射形成环形光束，并在待测工件内壁形成环状光斑L1，该环状光斑L1在n面棱锥反射镜中形成n个环状光斑的虚像L2，此n个环状光斑的虚像L2由光学透镜组成像，所形成的图像由光学图像传感器获取。

作为进一步优选的，通过调整所述圆锥反射镜的锥角以及n个平面镜与所述机架轴线形成的夹角，使光学图像传感器只获取所述环状光斑的虚像L2的局部图像。