[发明专利]基于光谱共焦及三角法原理的白光测头

说明书

技术领域

本发明涉及一种白光测头系统和方法。更具体地，涉及一种基于光谱共焦原理和三角法原理进行位移测量的白光测头系统和方法。

背景技术

随着我国的航空、航天、汽车和造船等高技术产业飞速发展，对产品的零部件外形及尺寸的精度，特别是“空间复杂曲面零件”的工艺水平及精度要求越来越高，如，飞机发动机的叶片、螺旋叶片、轮机叶片、复杂刀具等。能否对复杂曲面零件进行高效率、高精度的检测，将直接关系到产品的质量和使用寿命。

能对复杂曲面零件进行高效率、高精度测量的技术手段业内一般称作“坐标测量机测头”。测头通常分为接触式测头与非接触式测头两类。前者主要是机械式测头，后者主要是光学测头。

非接触式测头，即光学测头，采用光学方法进行测量。具有如下优点：1)无伤检测：因是非接触测量，所以没有测量力，可测量柔软和易变形件、脆性和易损件，特别适合那些不允许接触的场合；(2)可远距离测量：即，可远离被测工件对曲面进行扫描测量；(3)测量效率高：不像接触测头那样需要探测、退回、移动等进行逐点测量，可高速扫描测量；(4)测量精度高：因光斑可做得很小，进而可探测一般机械测头难以探测的部位，并无需测头半径补偿。

光学测头以三角测量法应用最为广泛。三角测量法主要基于光学三角法测量原理，具体说来，就是利用光源、像点和物点之间的三角关系来求得物点的距离。传统的三角法光学测头所用光源主要是激光光源，因为激光具有亮度高、探测信噪比高的优点。但激光测头进行三角测量时，照射到物体表面的激光会呈现颗粒状的结构，这种颗粒状的结构称为“散斑”。由于散斑效应的存在，确定像点的质心位置变得异常困难，导致三角法测量误差很大，测量光洁度高的物体表面时更为明显。如果用白光作为三角法测量的光源，在物体表面反射后，不会出现散斑效应，得到的是分布均匀且对称的光点，这样就能大大提高三角法的测量精度。

光学三角法目前的测量精度为十几微米，为了更精细的测量位移，需要采用新型位移测量技术。

光谱共焦技术是基于共焦原理并结合光谱信息进行微位移测量的一种新技术。该系统光源为白光源，通过透镜组发生光谱色散，不同波长的单色光聚焦到不同的轴向位置，被被测物体表面反射并被透镜组聚焦到针孔，针孔后的光谱仪得到一个光谱峰，光谱峰的峰值位置对应聚焦于被测物体表面的波长，可以换算为距离值。

光谱共焦系统在物体表面形成的是一系列单色光形成的光斑，如果精心设计光学系统，可以让该光斑的尺寸减小到几十微米，从而可以为三角法测量提供满足要求的白光点光源。

光谱共焦技术的测量精度与测量范围有关，小的测量范围可以得到更高的精度，比如，测量范围为几十微米的光谱共焦位移传感器测量精度可以达到0.01微米。

三角法和光谱共焦技术相结合可以同时兼顾大量程和高精度。比如，三角法量程为10厘米时，三角法测量精度可达到十几微米；光谱共焦技术测量范围为几十微米时，测量精度可以达到＜0.1微米，两种方法测量数据融合就可以达到测量范围10厘米，测量精度0.1微米的指标，这样，相对测量精度就可以达到1/10⁵。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头，实现大量程、高精度位移测量。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头系统，其由光谱共焦测量模块、三角法测量模块、数据处理模块及运动控制模块组成；

其中，

光谱共焦测量模块由白光光源、Y型光纤、光谱共焦透镜组、光谱测量模块组成，白光光源耦合到Y型光纤中，Y型光纤出射的白光经光谱共焦透镜组成像到工件上，被工件表面反射的光再经光谱共焦透镜组聚焦进Y型光纤，并经Y型光纤传导到光谱测量模块中，光谱测量模块完成回光的光谱测量，并把测量结果发送给数据处理模块；

三角测量模块由成像透镜组和面阵CCD组成，成像透镜组实现把光谱共焦测量模块投影在被测工件表面的白光点成像到面阵CCD上，面阵CCD实现白光像点探测并传送到数据处理模块；

数据处理模块包括光谱数据处理模块、图像数据处理模块和数据融合模块。其中所述光谱数据处理模块处理光谱共焦测量模块输出的光谱数据，得到光谱峰值；图像数据处理模块处理三角测量模块中的面阵CCD采集输出的图像数据，提取白光像点中心；数据融合模块根据光谱数据处理模块输出的光谱峰值计算位移量，并根据图像数据处理模块输出的白光像点中心坐标计算位移量，再把两种不同精度的位移量进行融合，实现大量程、高精度位移测量；