[发明专利]一种孔的光学成像和扫描装置

说明书

本发明描述了一种孔的光学成像和扫描装置，一种在由复合物或金属材料制成的基板上机加工、钻孔或以其他方式形成的孔的光学成像和扫描的方法和设备。该方法利用光学仪器成像和扫描孔，并结合图像处理器，图像处理器配置(例如，编程)为对图像数据进行后处理，以生成一个完整的平面化图像，而没有锥形光学畸变。该光学仪器包括具有共焦照明的光学显微镜和轴向定位以产生具有锥形畸变的全360度子图像的锥形镜。在后处理步骤中，使用计算机可执行代码形式的数学变换将原始锥形子图像转换为平面子图像。平面化子图像可以缝合在一起以形成孔的完整的平面化图像。

技术领域

本发明一般涉及用于检查工件或结构中机加工的孔的方法和装置，尤其涉及用于检查设计用于容纳紧固件的孔的方法和装置。

背景技术

轻质复合材料(如纤维增强的塑料材料)在针对商用和军用飞机以及其他航空航天飞行器的航空航天工业以及其他工业中的应用越来越广泛。使用这些复合材料的结构可以使用多层片或多层材料构成，这些材料可以被层压在一起以形成高强度结构。将多层材料紧固在一起的至少一种方法是夹紧这些层，钻孔，然后将某种类型的紧固件插入这些孔中，从而将这些层固定在一起。

在制造领域中，经常进行测量和检查，以确保制造的零件符合设计规范。这包括检查孔，如钻孔，以确保孔具有期望的形状和配置，如直径和对齐在工程公差内。确保生产零件符合设计规范是保持严格的生产标准的例如航空航天制造业等行业特别关注的问题。

为了确保钻孔符合其设计规范，通常做法是由质量控制或质量保证检查员检查每个孔，或使用统计技术分析采样的孔数。可通过将孔径探头(如基于电容的探头、气压孔探头、激光孔探头或球形探头)手动插入到孔中进行检查，以检验其是符合设计规范还是与设计规范有偏差。由于标准显微镜沿光学轴线(与孔的Z轴相同)的视场非常窄，一种对复合材料或金属孔进行光学成像的技术只能以相对于孔中心线(以下称为“Z轴”)的偏移角获取浅层图像。这样的光学成像也不能在一个焦平面上产生孔的完整的360度平面图像。

提供一种能够沿着结构中的孔内侧的Z轴扫描以评估孔的状况的装置是有利的。

发明内容

下面详细公开的主题涉及在由复合材料或金属材料制成的基底中机加工、钻孔或以其他方式形成的孔的光学成像和扫描的方法和设备。本文描述的方法利用光学仪器成像和扫描孔并结合图像处理器，图像处理器配置(例如，编程)为对图像数据进行后处理以生成一个完整的平面化图像，而不产生锥形光学失真。根据一些实施例，光学仪器包括具有共焦照明的光学显微镜和轴向定位为产生具有锥形失真的全360度子图像的锥形镜。在后处理步骤中，使用具有计算机可执行代码形式的数学变换将原始圆锥子图像转换为平面子图像。子图像的平面化是使用图像位的简单数学变换来完成的。平面化的子图像可以缝合在一起以形成孔的完整平面化图像。

通过设计，显微镜使用透镜和/或镜子将光聚焦到图像传感器上，例如光电元件的焦平面阵列，其将入射光转换为表示图像的像素数据的电信号(以下称为“光电探测器阵列”)。如本文所使用的，术语“光电探测器”是指能够响应于光子入射在装置的表面上而发射电子的装置。该设备包括安装在移动台上的90度“锥形镜”，移动台在与孔的Z轴平行的方向上可移动，同时锥体的轴线与所述孔的Z轴同轴。然而，应当理解，也可以使用截头的锥形镜(即“截头锥形镜(frusto-conical mirror)”)。反射面为锥形或截头锥形的镜子在此将被称为“锥形镜”。

下面详细公开的主题进一步涉及用于检查待紧固的结构中的孔的自动高速方法和用于执行该检查方法的计算机控制设备。根据各种实施例，该设备包括安装在扫描桥上的多运动检查头、机械臂的末端或机器人履带式车辆。多运动检查头包括上述光学仪器和机动化的多行程探针放置头，其可操作以沿X、Y和Z轴移动光学仪器以实现多个顺序的运动。光学仪器被附连到心轴，该心轴可旋转地耦连到X轴(或Y轴)行程以绕Z轴旋转。使用带有反馈控制的智能伺服或步进电机将光学仪器移动到位，然后连续扫描每个孔的内部。根据一个实施例，该设备包括各种方向性机动行程，其按顺序排列并被控制以用于检查成排孔的所需的特定运动。