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1、(10)申请公布号 CN 102062586 A(43)申请公布日 2011.05.18CN102062586A*CN102062586A*(21)申请号 201010552548.9(22)申请日 2010.11.19G01B 11/22(2006.01)G01B 11/12(2006.01)(71)申请人华中科技大学地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人赵斌 熊志勇(74)专利代理机构华中科技大学专利中心 42201代理人朱仁玲(54) 发明名称一种内孔激光测量装置(57) 摘要本发明公开了一种内孔激光测量装置，包括激光器（1）、下梯形棱镜（3）、孔径光阑（4。
2、）、透镜（5）、上梯形棱镜（6）和CCD（7），其中，所述下梯形棱镜（3）位于上梯形棱镜（6）下方，两梯形棱镜关于该透镜（5）呈对称布置；所述孔径光阑（4）和透镜（5）设置在所述下梯形棱镜（3）和上梯形棱镜（6）之间，且所述孔径光阑（4）沿光路设置在所述透镜（5）前方；所述CCD（7）设置于上梯形棱镜（6）上方，用于接收从上梯形棱镜（6）出射的光信号。该装置大大减小测量所需的物理空间，测量速度快、精度高、安装调试方便，受外界干扰小，能有效补偿装配所带来的误差。 (51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页CN 1。
3、02062595 A 1/1页21.一种内孔激光测量装置，包括激光器(1)、下梯形棱镜(3)、孔径光阑(4)、透镜(5)、上梯形棱镜(6)和CCD(7)，其中，所述下梯形棱镜(3)位于上梯形棱镜(6)下方，两梯形棱镜关于该透镜(5)呈对称布置；所述孔径光阑(4)和透镜(5)设置在所述下梯形棱镜(3)和上梯形棱镜(6)之间，且所述孔径光阑(4)沿光路设置在所述透镜(5)前方；所述CCD(7)设置于上梯形棱镜(6)上方，用于接收从上梯形棱镜(6)出射的光信号；测量孔深时，激光器(1)发出的测量激光投射到待测孔(2)的内底面，产生一个圆形光斑，经内底面发生漫反射后进入下梯形棱镜(3)，并使光线在该下。
4、梯形棱镜(3)内发生全反射，从下梯形棱镜(3)出射的光线依次经孔径光阑(4)和透镜(5)进行汇聚，再进入所述上梯形棱镜(6)进行全反射，出射光成像于CCD(7)的靶面上，上述成像图像经处理后得出采集到的光斑重心，再根据标定的零位即可求出光斑重心偏移量x，再利用所述重心偏移量x与被测孔深度变化h的对应函数关系，即可得到孔深数据H。2.根据权利要求1所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，所述的激光器(1)、透镜(5)和CCD(7)的位置方向满足三角测量的关系即轴线的延长线交于一点。3.根据权利要求1或2所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，上下两梯形棱镜(3，6)的长度应使得光线进入各梯形棱镜。
5、后进行偶数次全反射。4.根据权利要求1-3之一所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，上下两梯形棱镜的侧边与激光器出射光线平行，各梯形棱镜的夹角大于等于其全反射角。5.根据权利要求1所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，在测量孔径时，该装置还包括一个直角棱镜(8)，所述激光器(1)发出的测量激光先通过该直角棱镜(8)改变方向后投射到孔壁表面产生圆形光斑，再经过漫反射后进入下梯形棱镜(3)，而最后得到孔径时，利用的是所述重心偏移量x与被测孔径变化h的对应函数关系，从而得到孔径数据H。6.根据权利要求5所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，上下两梯形棱镜(3，6)的长度应使得光线进入各梯形棱镜。
6、后进行奇数次全反射。7.根据权利要求5或6所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，所述的激光器(1)、透镜(5)和CCD(7)的位置方向满足三角测量的关系即轴线的延长线交于一点。8.根据权利要求5-7之一所述的一种内孔激光测量装置，其特征在于，上下两梯形棱镜(3，6)的侧边与激光器出射光线平行，各梯形棱镜的夹角大于等于其全反射角。权 利 要 求 书CN 102062586 ACN 102062595 A 1/4页3一种内孔激光测量装置技术领域0001 本发明属于线性尺寸测量技术领域，具体涉及一种内孔检测装置，用于内孔检测等领域的孔深和孔径的测量。背景技术0002 孔加工是金属切削加工中最重要的。
7、工序之一，约占所有金属切削加工工序的33。随着机械工业、航空工业、以及国防工业的不断发展，孔轴零件的加工以及配合成为机械加工过程中的一个重要的环节。而孔零件加工难度大，加工成本高，是机械产品中缸、套、管类零件加工中的关键工序，其加工水平是随着检测水平的提高而提高的。在对小尺寸孔或轴类零件提出精密或超精密加工的同时，也对其检测精度提出了更高的要求。0003 内孔的检测技术根据测量时探头与被测孔是否接触，孔深和孔径的测量方法可以分为接触法测量和非接触法测量。孔深的测量方法主要是接触式机械的测量方法，如卡尺和各种通过改装的类似卡尺的器械进行测量。这种接触式的机械测量方法具有易损伤零件表面、测量速度慢。
8、、不方便等缺点。而孔径的测量方法则要丰富的多，接触式测量方法最具代表性的是卡尺和坐标机测量的方法，非接触测量方法有气动方法、电动方法以及光学方法等。此外，当前出现了兼具接触法与非接触法特点的测孔技术-光纤式小孔测量方法。相比接触式的测量方法，非接触式的测量方法具有无损伤、安全、方便等优点，特别在工业自动化的今天，非接触测量方法已成为主流的测量方法。0004 气动和电动的测量方法由于测量精度低，逐渐满足不了工业测量的要求；机器视觉的方法可以以较高精度测出小孔外部的孔径，但是机器视觉方法为主动测量的光学方法，没有额外的光源，对小孔内部的参数无能为力；光纤式小孔测量方法是通过接受反射光的光强来测量孔。
9、径的，这种测量方法受待测内壁的表面粗糙度、洁净度等因素的影响较大，其次由于小孔孔径较小，受到物理空间的限制，传感器测头的安装调试也会受到很大的限制。发明内容0005 本发明的目的是提供一种内孔激光测量装置，该装置能够对孔深进行精确测量。同时，也能实施对孔径的测量。孔深测量方法相对机械式测量方法具有非接触测量、测量速度快、安装调试方便的优点；孔径测量方法具有测量速度快、精度高、能够测量小孔任何位置孔径方向的几何参数且不受表面粗糙度的影响，受到表面清洁度的影响也较小。0006 实现本发明的目的所采用的具体技术方案为：0007 一种内孔激光测量装置，包括激光器、下梯形棱镜、孔径光阑、透镜、上梯形棱镜。
10、和CCD，其中，所述下梯形棱镜位于上梯形棱镜下方，两梯形棱镜关于该透镜呈对称布置；所述孔径光阑和透镜设置在所述下梯形棱镜和上梯形棱镜之间，且所述孔径光阑沿光路设置在所述透镜前方；所述CCD设置于上梯形棱镜上方，用于接收从上梯形棱镜出射的光信号；0008 测量孔深时，激光器发出的测量激光投射到待测孔的内底面，产生一个圆形光斑，说 明 书CN 102062586 ACN 102062595 A 2/4页4经过内底面发生漫反射后进入下梯形棱镜，并使光线在该下梯形棱镜内发生全反射，从下梯形棱镜出射的光线依次经孔径光阑和透镜进行汇聚，再进入所述上梯形棱镜进行全反射，出射光成像于CCD7的靶面上，上述成像。
11、图像经处理后计算出采集到的光斑重心，再根据标定的零位即可求出光斑重心偏移量x，再利用所述重心偏移量x与被测孔深度变化h的对应函数关系，即可得到孔深数据H。0009 作为本发明的进一步改进，所述的激光器、透镜和CCD的位置方向满足三角测量的关系即轴线的延长线交于一点。0010 作为本发明的进一步改进，上下两梯形棱镜的长度应使得光线进入该两梯形棱镜后进行偶数次全反射。0011 作为本发明的进一步改进，上下两梯形棱镜的侧边与激光器出射光线平行，各梯形棱镜的夹角大于等于其全反射角。0012 作为本发明的进一步改进，在测量孔径时，该装置还包括一个直角棱镜，所述激光器发出的测量激光先通过该直角棱镜改变方向。
12、后投射到孔壁表面产生圆形光斑，再经过漫反射后进入下梯形棱镜，而最后计算孔径时，利用的是所述重心偏移量x与被测孔径变化h的对应函数关系，从而得到孔径数据H。0013 本发明提出的内孔激光测量装置利用梯形棱镜将光路约束在一个狭小的空间内，利用光学全反射原理，可以很好的解决在测量孔深和孔径的过程中遇到的物理空间受限的问题，且采用物像11的对称光路设计，受外界干扰小。具体而言，本发明具有以下优点：0014 1.采用梯形棱镜来约束光路，因此，受光路物理空间的限制大大减弱；0015 2.采用梯形棱镜来约束光路且利用光学全反射原理，因此，光能利用率大大提高；0016 3.采用激光三角测量法进行测量，结构简单。
13、，稳定性好，测量精度高。0017 4.采用对称的光路设计，有效减少外界的干扰，同时便于控制系统的装配误差。附图说明0018 图1是三角测量结构示意图；0019 图2是孔深测量装置的结构示意图；0020 图3是孔径测量装置的结构示意图；0021 图4是孔深测量装置的等效光路图；0022 图5是孔径测量装置的等效光路图；具体实施方式0023 下面结合附图和实例为本发明做进一步详细的说明：0024 本发明的内孔激光测量装置包括激光器1、下梯形棱镜3、孔径光阑4、透镜5、上梯形棱镜6和CCD7。0025 所述下梯形棱镜3位于上梯形棱镜6下方，所述孔径光阑4和透镜5设置在所述下梯形棱镜3和上梯形棱镜6之。
14、间，两梯形棱镜关于该透镜5呈对称布置，所述孔径光阑4在所述透镜5前方。所述CCD7设置于上梯形棱镜6上方，用于接收从上梯形棱镜6出射的光信号。所述激光器1位于CCD7左边。说 明 书CN 102062586 ACN 102062595 A 3/4页50026 测量孔深时，激光器1发出的光投射到待测孔2的内底面，产生一个圆形光斑。测量孔深的上下梯形棱镜3和6正对激光器1的一对平面平行，进光口平面与出光口平面平行。0027 而测量孔径时，该装置还包括一个直角棱镜8，激光器1发出的光先通过该直角棱镜改变方向后再投射到孔壁表面，产生圆形光斑。且此时上下梯形棱镜3和6正对激光器1的一对平面平行，进光口平。
15、面与出光口平面关于待测孔底面对称。0028 投射的光线经过内底面或孔壁表面发生漫反射后进入下梯形棱镜3，并使光线进入后发生全反射，经过该下梯形棱镜3后的光线经过孔径光阑4后，通过透镜5进行汇聚，再进入所述上梯形棱镜6发生全反射，出射光成像于CCD7的靶面上。其中，所述激光器1、透镜5、CCD7的位置方向满足三角测量的关系即轴线的延长线交于一点。上述成像图像传输到计算机9，经图像处理后计算出采集到的光斑重心，然后根据标定的零位即可求出光斑重心偏移量x，根据得到的重心偏移量x与被测孔深度(或孔径)变化h的对应函数关系，即可得到孔深(或孔径)数据H。0029 根据三角测量物像位置角度关系，具体的计算。
16、公式为：0030 0031 0032 Hh+h0033 H：孔深或孔径0034 h：标定的零位对应的孔深或孔径0035 d0：成像透镜光轴上的等效物距0036 d1：成像透镜光轴上的等效像距0037 ：透镜光轴与入射激光光轴的夹角0038 透镜光轴与CCD受光面夹角0039 x：光斑中心的变化量0040 h：孔深或孔径相对零位的变化量0041 为保证光线进入下梯形棱镜后发生全反射，激光器发出光线的光轴和进入下梯形棱镜的光线的夹角必需小于临界角，即，可根据发生全反射的条件及梯形棱镜的折射率求出。逐渐减小时，成象系统的放大倍率不断减小，分辨率不断下降，故不宜太小。由于光学对称关系，进入下梯形棱镜发。
17、生全反射的光线必然能进入上梯形棱镜发生全反射。0042 测量孔深的两梯形棱镜的长度应使得光线进入梯形棱镜经过偶数次全反射，测量孔径的两梯形棱镜的长度应使得光线进入梯形棱镜经过奇数次全反射。0043 两梯形棱镜的侧边应与激光器出射光线平行，梯形棱镜的夹角应大于等于其全反射角，各梯形棱镜的宽度应大于装置的量程，且梯形棱镜的安装位置应使得光线能够按照设计的光路到达CCD靶面上。CCD视场受到各梯形棱镜口径及孔径光阑的限制，按照限说 明 书CN 102062586 ACN 102062595 A 4/4页6制视场的梯形镜口或孔径光阑确定光阑的位置。说 明 书CN 102062586 ACN 102062595 A 1/5页7图1说 明 书 附 图CN 102062586 ACN 102062595 A 2/5页8图2说 明 书 附 图CN 102062586 ACN 102062595 A 3/5页9图3说 明 书 附 图CN 102062586 ACN 102062595 A 4/5页10图4说 明 书 附 图CN 102062586 A。