合像测量深小孔类孔径的非接触测量方法技术领域
本发明涉及一种高深宽比小孔内径的检测方法，尤其是机械加工中测量φ0.1mm
～φ25mm内孔的非接触测量快速测量方法。
背景技术
长度测量是几何量测量中的一项重要内容，孔径测量又是长度测量中的关键技术
和难点之一。随着科学技术的发展和尖端产品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔越来
越广泛地应用于汽车、电子、光纤通讯和流体控制等领域，这些应用对微小孔的加工也提出
了更高的要求。例如精密仪器上的轴孔、量针等，不仅要求孔径大小准确，而且要求孔壁光
滑。有关内外径的高精度测量都是关键的技术问题，内外径测量和检定校准问题，量值传递
和溯源问题也是越来越重要。结构简单、量程较大和精度较高的检测方法，实现孔内径的在
线检测，这对于深孔加工过程中的质量控制和提高装配效率具有重要的意义。对这一尺寸
的控制将直接影响仪器或加工件的装配质量甚至性能，因此，在对小尺寸孔类零件提出精
密加工要求的同时,也是对其检测精度提出了更高的要求。在高深宽比小孔检测的过程中,
由于其检测操作不便,效率低,检测的难度较大。孔类零件和轴类零件相比,即便公差等级
相同,前者的检测也要更加困难一些。由于很难保证在小孔表面和小孔径深处的尺寸相同,
特别是对于高深宽比且孔内又是断续的内表面的这类特殊孔。由于很难保证在小孔表面和
小孔径深处的尺寸相同，特别是对于高深宽比且孔内又是断续的内表面的这类特殊孔。在
人工测量方法中无法判断出测得的值是否是作用于截面的直径。除此之外，精密类零件为
满足高精度的配合问隙，其内工作表面的粗糙度也要求很高，即便是平常被人们认为测量
精度很高的传感器，也可能因为测量力的存在造成测量误差并有可能划伤零件内孔壁。因
此，深小孔类精密零件的高精度、高效、经济的测量就成为一个较难实现的问题。目前作为
内径尺寸测量，主要是通过高精度测长机、高精度三坐标测量机进行测量。高精度测长机是
接触式比较测量，而且Φ12mm以下孔径的精密的测量，通常采用电眼测量，测针测量，测针
测量要探测到工件内部，测针有一定的体积而且有一定的测量力。高精度三坐标也是接触
式间接测量的方式进行测量，因此，高精度测长机、高精度三坐标测量机进行小孔测量都属
于接触测量，均会产生接触变形，产生测量误差。接触式测量方法的操作误差较大，对深孔
的测量不便；非接触法大多只能测量通孔，且受到小孔端面形貌的影响较大，不能获得小孔
任意截面的信息；激光扫描CCD成像方法国内还没有产品化，造价相对较高，不便于大批量
的投入使用。现有技术小孔综合检测方法是由光学分度头、光学检验器等附件配合组成的。
一般情况下,由于没有专用仪器和其它更好的测量方法,只能靠工艺来保证小孔尺寸,或者
用针插法来测量孔径,但这都不太准确、可靠。对于孔深达4mm的微小孔，由于所测量的微小
孔孔径较小，可控光源无法准确地深入孔内，故无法用光干涉原理的方法测量。若采用直接
接触式测量方法，虽然探头直径比微小孔内径小，但与其连接的后续部分太大，使得探头无
法深入微小孔内部进行直接测量。
发明内容
本发明目的是针对现有技术测量方法存在的不足之处，提供了一种结构简单、测
量效率高，以高精度光栅尺为长度标准，利用合像瞄准技术，进行绝对测量的非接触式测量
方法，以解决一直困扰长度测量的Φ0.1mm～Φ25mm以下的小孔精密测量难题的小孔测量
方法。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种合像测量深小孔类孔径的非接触测
量方法，具有如下技术特征：首先是找直径最大处，CCD远心镜头1通过底座5弓形臂正对被
测工件2，瞄准深小孔，将合像光束“伸入”被测孔内表面进行测量，在影像感应器9上刻有一
个种基准圆15，同时在影像感应器9上产生一个种基准圆15与被测工件2的圆弧边缘影像13
相交的长度不一致的两个交点，其中，种基准圆上交点16、种基准圆下交点17，通过计算机
找正基准圆上交点16与基准圆下交点11差值≤1μm，即基准圆上交点16与基准圆下交点11
的差值≤1μm时找到了被测工件2直径最大处；然后，消除垂直度误差，由于被测工件2端面
与微调工作台8存在不垂直误差,当被测工件2孔壁测量面靠近镜头光轴12时，部分光束因
被测工件2中心与光轴12不重合及被测工件2端面与微调工作台8存在不垂直度，光线被被
测工件2的边缘遮盖，而另一部分光线被孔壁测量面10反射，反射影像18和边缘影像13通过
计算机三维位置调整控制软件分别控制微调工作台8上的三维伺服电机，将反射的影像18
和未反射的边缘影像13逐渐调整向光轴12靠近，直到基准圆中心线距离22、距离23均等于0
时，边缘影像13与反射影像18在光轴12处相切合成为一个被测尺寸的边缘合像点20，计算
机控制软件将边缘合像点20作为此时瞄准的一个长度基准点，并根据在基准点位置时精密
光栅尺位置尺寸，得到被测工件2的孔径一个边点的尺寸。同理，被测工件2移动到另一侧
时，孔径另一个边点的尺寸也由此方法得到，通过计算得到两点尺寸，因而得到被测工件2
的尺寸。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
结构简单。本发明采用Y轴移动伺服电机3，水平调整伺服电机4，仪器底座5，X轴移
动伺服电机6，X轴向移动工作台7，微调工作台8和CCD远心镜头组成像测量深小孔类孔径的
非接触测量方法，相比于现有技术高精度三坐标测量机、高精度测长机结构简单。工件的安
装、测量变得非常直观、易于操作，仪器以直接测量方式工作，测量时不需要用标准件比对。
采用合像瞄准方法结合CCD远心镜头1对图像采集，通过计算机软件控制，调整微调工作台8
及各伺服电机，即可调整工件的X、Y方向的倾斜及工件的水平方向移动，提高了瞄准精度及
测量效率，结构简单。实现低成本高回报、操作较简便的检测方法。
测量效率高。本发明采用CCD远心镜头1通过底座5弓形臂正对被测工件2，瞄准深
小孔，将合像光束“伸入”被测孔内表面进行测量，利用合像瞄准技术进行绝对测量的非接
触测量的小孔，采用CCD远心镜头1配合Y轴移动伺服电机3，水平调整伺服电机4，微调工作
台8，通过计算机控制CCD远心镜头1、水平调整伺服电机4、X轴移动伺服电机6、X轴向移动工
作台7及微调工作台8找正零件得出测量结果，运用CCD远心镜头1像方远心光路，将孔径光
阑放置在光学系统的物方焦平面上，像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无
限远的像方远心光路,可以消除像方调焦不准引入的测量误差。通过观测被测截面成像的
几何关系和调整工作台，保证了被测件处于正确的测量位置上。相比于现有技术接触式测
头，光学测头不用找拐点，既减少了测量次数，提高了测量精度。测量内径的端点定位方式,
采用合像瞄准。合像的像点20相当于接触式测头的探针，可以“伸到”被测孔内进行测量。将
“像点”作为触头与被测面接触，不会产生测量力，更不会损害工件的被测面，可以在测量0
～25mm的尺寸时不会产生接触变形，因而提高了测量精度。
测量精度高。本发明采用高精度光栅尺，测量范围是0～25mm，分度刻度为
0.0005mm，重复精度≤1μm，CCD远心镜头种基准圆15下基准圆下交点11上基准圆上交点16
分别形成相对于被测工件2的圆弧边缘影像13，当被测工件2孔壁测量面靠近镜头光轴12
时，部分光束因为被测工件2中心与镜头光轴12不重合及测工件2端面与微调工作台8不垂
直，光线因而被被测工件2的边缘遮盖，而另一部分光线被孔壁测量面10反射，反射影像18
和边缘影像13通过计算机三维位置调整控制软件分别控制微调工作台8上的三维伺服电
机，将反射的影像18逐渐调整向边缘影像13移动，靠近至边缘影像13，直到反射影像18与边
缘影像13在光轴12处相切合成为一个被测尺寸的边缘合像点20，计算机控制软件将边缘合
像点20作为此时瞄准的一个长度基准点，并根据记录采集到的边缘像点20基准点位置尺
寸，得到被测工件2的孔径一个边点的尺寸。同理，被测工件2移动到另一侧时，孔径另一个
边点的尺寸也由此方法得到，通过计算得到两点尺寸，因而得到被测工件2的尺寸，融合了
光纤非接触与接触式探头二者的优点,非接触式检测高深宽比小孔内径,并对系统的误差
进行了分析,
附图说明
图1是本发明合像测量深小孔类孔径的非接触测量装置构造示意图。
图2是未找到被测工件2直径最大处时示意图。
图3是图1的CCD远心镜头种基准圆合像瞄准被测工件2孔后存在垂直度误差时，反
射影像18与边缘影像13距离光轴12的示意图。
图4是图1的CCD远心镜头种基准圆合像瞄准被测工件2后垂直已经消除光路示意
图。
图5是图1的CCD远心镜头瞄准被测工件2后如何消除垂直度误差光路示意图。
图中：1 CCD远心镜头，2被测工件，3 Y轴移动伺服电机，4水平调整伺服电机，5底
座，6 X轴移动伺服电机，7 X轴向移动工作台，8微调工作台，9影像感应器，10被测工件孔壁
面，11瞄准物镜，12镜头光轴，13被测工件2边缘影像，15种基准圆，16种基准圆上交点，17种
基准圆下交点，18反射影像，19 CC中投影镜头，20边缘合像点，21光源，22反射影像18最高
点到种基准圆中心线距离，23边缘影像13最高点到种基准圆中心线距离，24垂直的误差。
具体实施方式
参照图1-图4。在以下描述的一个实例中，一种合像测量深小孔类孔径的非接触测
量装置，包括：放置工件的微调工作台8及其固定微调工作台8的底座5和通过计算机控制的
CCD远心镜头1，CCD远心镜头1通过底座5弓形臂正对被测工件2。按直角坐标系，微调工作台
8、两个轴线互为垂直的Y轴移动伺服电机3和水平调整伺服电机4在水平方向它们的轴线相
交于坐标原点，坐标原点Z向轴线重合于CCD远心镜头1光轴，且水平调整伺服电机4受控于
计算机。在底座5的上端平面上设有沿X轴方向滑移的移动工作台7，底座5的侧平面上设有
控制移动工作台7沿X轴移动的X轴移动伺服电机6。
CCD远心镜头1通过底座5弓形臂正对被测工件2，瞄准深小孔，将合像光束“伸入”
被测孔内表面进行测量，合像光束产生一个种基准圆15，同时产生一个在种基准圆15的镜
头光轴12一侧与种基准圆相交的长度不一致的交点，其中，边缘影像13、种基准圆下基准圆
下交点11分别形成相对于被测工件2的圆弧边缘影像13，当被测工件2孔壁测量面靠近镜头
光轴12时，部分光束因为被测工件2中心与镜头光轴12不重合及测工件2端面与微调工作台
8不垂直，光线因而被被测工件2的边缘遮盖，而另一部分光线被孔壁测量面10反射，反射影
像18和边缘影像13通过计算机三维位置调整控制软件分别控制微调工作台8上的三维伺服
电机，将反射影像18逐渐调整向边缘影像13移动，靠近至边缘影像13，直到反射影像18与边
缘影像13圆弧图像在光轴12处相切合成为一个被测尺寸的边缘合像点20，计算机控制软件
将边缘合像点20作为此时瞄准的一个长度基准点，并根据记录采集到的边缘像点20基准点
位置尺寸，计算得到被测工件2的孔径一个边点的尺寸。同理，被测工件2移动到另一侧时，
孔径另一个边点的尺寸也由此方法得到，通过计算得到两点尺寸，因而得到被测工件2的尺
寸，在计算机显示屏上得到微小孔内表面的直观图像。
参阅图5。当被测工件2放置在微调工作台8上，非接触测量装置及计算机启动时，
CCD远心镜头1通过影像感应器9，观察到被测工件2孔壁反射图像的边缘影像13与反射影像
18，CCD远心镜头通过计算机控制软件找测工件2孔径的最大直径。当被测工件2的边缘影像
13与CCD远心镜头1的种基准圆弧15的种基准圆上交点16与反射影像18的种基准圆下交点
17前后不一致而不相等时，通过计算机采集影像感应器9基准圆上中的基准圆上交点16与
基准圆下交点17的长度尺寸，通过控制软件控制微调工作台8移动，直到边缘影像13与基准
圆弧15的基准圆上交点16与基准圆下交点17前后不一致的差值在设定的误差范围内时，通
过计算机控制X轴移动伺服电机6和移动工作台7的移动，找正基准圆上交点16与基准圆下
交点17差值≤1μm，当基准圆上交点16与基准圆下交点11的差值≤1μm时，即找到了被测工
件2直径最大处。
当找到了被测工件2直径最大处尺寸后，当被测工件2边缘最高点到达镜头光轴
12，边缘影像13最高点到种基准圆中心线距离23等于0，但是被测工件2端面与微调工作台8
不垂直，反射影像18最高点到种基准圆中心线距离22不等于0时，计算机又发出指令使微调
工作台8逐渐旋转，控制微调工作台8，带动被测工件2向镜头光轴12逐渐移动。反射影像18
最高点到种基准圆中心线的距离22逐渐向镜头光轴12移动，在影像感应器9中反射影像18
逐渐向光轴12移动，直至种基准圆中心线距离22等于0，反射影像18与边缘影像13合像为一
个点，反射影像18相切于边缘影像13，这时被测工件2端面不垂直度已经消除，计算机记录
采集此时的光栅尺位置尺寸，此时计算机软件发出信号，移动被测工件2到另一侧，用同样
方法瞄准被测零件的另一面，计算机也记录采集此时的光栅尺位置尺寸，测出两相切点位
置尺寸，计算得到被测工件2的尺寸。