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光电内窥参数检测装置

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  1 引  言

  工业上存在许多孔类零件内窥检测的问题,如对细长管孔内径及缺陷检测、内螺纹单项参数测量、深孔内壁凹槽尺寸测量等。由于受内孔结构尺寸限制,通用的检测仪器无法深入其内部进行,即使配上专用测头使其能胜任某一参数的测量,也存在测量环节多,使用操作不便等问题。

  本文为此专门设计了一种用于对孔类零件进行参数内窥测量的系统,通过一套特殊的内窥探测及成像光路,将有关被测信息成像到计算机屏幕上,再通过图像测量及计算机辅助手段完成测量的全过程。该装置已能对内螺纹单项参数、内孔及孔壁凹槽、内孔圆柱度进行测量。取得了较为满意的实际测试效果。

  2 测量依据的原理及方法

  光学内窥非接触测量的首要任务是设法将不便直接测量的内孔几何特征成像到便于测量的界面上,我们采用一线光源以一定角度平行于内孔轴线方向投影到内孔表面,然后在法向通过光学系统获取光截轮廓,光截轮廓中包含被测参数信息,如内螺纹螺距及牙型角、凹槽宽度及深度等。

  为测量中径,将测头对内孔一侧瞄准,然而沿中径方向反向移动测头,直到对另一侧(180°方向)轮廓瞄准,则被测内孔中径为D=a+d,其中d为测头移动距离,a为常数(由定标确定)。再将光截轮廓经光学系统成像到CCD光敏面上,由图像卡采集到计算机,通过图像处理提取特征轮廓,在计算机辅助下通过人机交互方式进行参数测量。上述测量方法可用图1所示框图进一步说明。

  3 光学系统设计

  基于上述思想,设计了图2所示特殊的内窥测量光学系统,它由光截光带发生器,折反棱镜组,成像物镜,CCD摄像机等几部分组成。各部分简述如下:

  3.1 光截光线的产生

  它由半导体激光二极管(LD)及柱面透镜组成,依靠柱面透镜将LD发出的椭圆高斯光束汇聚成细光带。LD发出的激光波长λ=780nm,发光面尺寸1×10μm,发散角θ⊥=27°,θ∥=11°,将LD安放得使其发出的椭圆高斯光束的长轴方向与柱面透镜的柱面平行,并将LD放置在柱面透镜前2f距离处,则理想情况下汇聚所得的细光带宽度为10μm。

  3.2 折反棱镜组设计

  鉴于被测对象结构上的特殊性,需要一种特殊的折反棱镜将光线沿轴线方向投影到与内孔轴线平行的内壁上,再在法面方向将光截轮廓经该折反棱镜后成像到CCD光敏面上。

  我们设计的折反棱镜组如图3所示,图中将产生细线光带的柱面透镜与该折反棱镜组胶合在一起。经柱面透镜汇聚的光束在左右两棱镜45°反射面上被分成两部分,分别经左右两棱镜的折射面后出射,并汇聚成两细线。

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