专利名称：一种深孔类零件影像测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种深孔类零件影像测量装置。
背景技术：
深孔类零件的加工困难，好的检测方法成为保证其加工质量的重要手段。目前 常见的有触针类传感器件的接触式测量方法，但是该类方法有一定的局限性。传感测头 有一定的体积，对于直径比较小的深孔无法伸入；另外传感测头的长度尺寸不够长，对 深度较深的孔无法达到底部；还有就是有的深孔内表面是曲面，测头到达的位置比较随 机，无法实现精确测量。影像测量作为目前发展较快的技术，其基本工作原理是将被测 量工件的轮廓或者表面成像到电荷耦合器件(CCD)上，通过计算机将图像显示到显示器 屏幕上，并通过对应的软件测得工件的信息。目前，在机械零件精密测量领域，影像测 量仪应用非常广泛。但是对于深孔类零件，常见的影像测量仪由于其光源的照射角度的 限制，其表面光无法进入到深孔内部，深孔内部的特征无法被电荷耦合器件采集到，无 法实现测量。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种深孔类零件影像测量装置，本实用新型能实现 对深孔类零件深孔的观察与精密测量。为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是一种深孔类零件影像测量装置，包括大理石基准精密平台、大理石精密基准立 柱；三维精密工作台、同轴光源、平晶、单筒显微镜头、电荷耦合器件和Z向位置调整 机构；其中大理石基准精密平台和垂直安装在大理石基准精密平台上的大理石精密基准 立柱构成机台，大理石基准精密平台上还安装有三维精密工作台和支架，支架上安装有 同轴光源，位于同轴光源之上的支架上还安装有平晶；大理石精密基准立柱上安装有Z 向位置调整机构，Z向位置调整机构通过镜头固定支架与单筒显微镜头固连，单筒显微镜 头上安装有电荷耦合器件(CCD)。所述的大理石精密基准立柱上安装有转接板，转接板上安装有垫块。所述的Z向位置调整机构由手轮、丝杠螺母副、精密直线导轨、直线轴承滑 块、载物连接块、可调镜头支架、Z向手动夹紧装置和Z向位置检测装置组成；其中丝杠 螺母副上安装有手轮，载物连接块通过螺钉与直线轴承滑块固连，直线轴承滑块与精密 直线导轨活动连接，且载物连接块上安装有可调镜头支架，可调镜头支架上固定安装有 单筒显微镜头；丝杠螺母副与转接板之间安装有Z向手动夹紧装置；载物连接块与垫块 之间安装有Z向位置检测装置。所述的可调镜头支架包括第二本体和第二铜套，其中第二本体通过第二沉头螺 钉与载物连接块固连；第二本体上设置有第二圆孔和第二调整槽，第二圆孔和第二调整 槽连通；第二圆孔与第二铜套的外圆面间隙配合安装；第二调整槽上安装有第二锁紧螺钉，第二铜套的内圆面与单筒显微镜头间隙配合安装；通过旋动第二锁紧螺钉，带动第 二本体弹性变形，使第二调整槽受力也弹性变形，从而导致第二铜套收缩，使单筒显微 镜头2就被夹持在可调镜头支架12上。第二本体上还安装有第二去应力孔，第二本体上 设置有第一螺孔、第二螺孔、第三螺孔和第四螺孔。所述的Z向手动夹紧装置包括第一本体和第一铜套；其中第一本体通过第一沉 头螺钉固定安装在转接板上；第一本体上设置有第一圆孔和第一调整槽，第一圆孔与第 一调整槽连通；第一圆孔与第一铜套的外圆面间隙配合安装，第一铜套的内圆面与丝杠 螺母副上的滚珠丝杠轴间隙配合安装；第一调整槽上安装有第一锁紧螺钉；通过旋动第 一锁紧螺钉，带动第一本体弹性变形，使第一调整槽受力也弹性变形，从而导致第一铜 套收缩，而卡紧滚珠丝杠轴。第一本体上还安装有第一去应力孔。所述的Z向位置检测装置包括光栅尺主尺，光学读数头，第一支架，第二支 架，第三支架；其中载物连接块通过第六紧固螺钉与第三支架固连，第三支架通过第五 紧固螺钉与光学读数头固连，光学读数头安装在光栅尺主尺的导轨上，光栅尺主尺分别 通过第一紧固螺钉和第三紧固螺钉与第一支架和第二支架固连；且第一支架和第二支架 又分别通过第二紧固螺钉第四紧固螺钉与垫块固连。所述的第一支架上安装有第一调整螺钉和第二调整螺钉；第二支架上安装有第 三调整螺钉和第四调整螺钉；第三支架上安装有第五调整螺钉。所述的三维精密工作台包括X-Y 二维工作台和安装在X-Y 二维工作台上的斜面 导轨副。本发明的有益效果为对于直径大于0.15mm、深度40mm以内的零件深孔，能 够实现观察与精确测量；另外零件的外轮廓尺寸也能够实现精密测量。本实用新型专利采用0.7X-4.5X单筒变倍显微镜头作为成像的核心元件之一，可 调式镜头固定支架降低了镜头安装调整难度和工件的加工要求，通过有效的装夹方法可 以保证装置的基准平面与镜头光轴的垂直度。Z向位置调整机构的主要传动部件为丝杠螺母副，其不带自锁功能，受轴向力的 作用会发生位移，通常情况下采用配重来平衡轴向力。本实用新型采用Z向手动夹紧装 置，可以有效防止Z向位置调整机构受镜头重力的作用发生Z方向的非自主位移。(本 实用新型中所指的X，Y，Z就是指三维上的三个坐标位置，X:以深孔类零件影像测量 装置主视图为基准的前后方向，Y:以深孔类零件影像测量装置的主视图为基准的左右 方向，Z:以深孔类零件影像测量装置的主视图为基准的上下方向。本实用新型的表面光照明采用同轴光源，表面光通过螺纹固定于大理石基准平 面上，下方放置三维精密移动工作台，光源和工作台之间无任何连接关系。本装置开发的同轴光源有很好的平行性和较高的亮度，其核心部件为半透半反 镜头，从侧面发出的光经过半透半反镜，一部分沿着原光路方向折射，一部分与原光路 方向成90度夹角反射到工件的上方；经过工件反射后再次通过半透半反镜，光线部分反 射到侧面，部分射向镜头，由于同轴光的平心性较好，所以，对于小而深孔能够直射到 底部，并且由于亮度较高，CCD能够获得足以成像的反射光，所以能够比较清晰的获得 深孔内表面的形貌特征。显微镜在放大倍率较大的情况下，其工作距离较�。曳糯� 倍率越大，视野范围越�。接欣诠鄄煨《畹目祝欢以诜糯蟊堵式洗蟮那榭鱿拢渚吧钤叫。接欣谟糜跋穹ú饬靠咨�。但是由于放大倍率越大，镜头的工作距离越 低，而同轴光是具有一定的高度的，工件安放在同轴光下方的三维工作台上，为了能够 采用高倍观测，本装置在同轴光上方安放了平晶。平晶能够将工件的像的位置提高，所 以将镜头与工件的距离拉近，方便采用高倍率观测。
图1是本实用新型的主视图；图2是本实用新型调镜头支架的放大左视图；图3是图2的A-A剖视图；图4是本实用新型Z向手动夹紧装置的放大图；图5是图4的B-B剖视图；图6是本实用新型Z向位置检测装置的放大图。
具体实施方式
实施例1如图1-6所示，本实施例的一种深孔类零件影像测量装置，包括大理石基准精 密平台6、大理石精密基准立柱8;三维精密工作台5、同轴光源4、平晶3、单筒显微镜 头2、电荷耦合器件(CCD) 1和Z向位置调整机构；其中大理石基准精密平台6和垂直安 装在大理石基准精密平台6上的大理石精密基准立柱8构成机台，大理石基准精密平台6 上还安装有三维精密工作台5和支架14，支架14上安装有同轴光源4，位于同轴光源4之 上的支架14上还安装有平晶3;大理石精密基准立柱8上安装有Z向位置调整机构，Z向 位置调整机构与单筒显微镜头2固连，单筒显微镜头2上安装有电荷耦合器件(CCD) 1。 所述的大理石精密基准立柱8上安装有转接板17，转接板17上安装有垫块16。所述的 Z向位置调整机构由手轮10、丝杠螺母副13、精密直线导轨11、直线轴承滑块15、载物 连接块7、可调镜头支架12、Z向手动夹紧装置9和Z向位置检测装置组成；其中丝杠螺 母副13上安装有手轮10，载物连接块7通过螺钉与直线轴承滑块15和丝杠螺母副13中 的螺母相连，直线轴承滑块15安装在精密直线导轨11上；载物连接块7上安装有可调镜 头支架12，可调镜头支架12上固定安装有单筒显微镜头2;丝杠螺母副13与大理石精密 基准立柱8之间安装有Z向手动夹紧装置；载物连接块7与垫块16之间安装有Z向位置 检测装置。所述的可调镜头支架12包括第二本体41和第二铜套42，其中第二本体41通 过第二沉头螺钉43与载物连接块7固连；第二本体41上设置有第二圆孔44和第二调整 槽45，第二圆孔44和第二调整槽45连通；第二圆孔44与第二铜套42的外圆面间隙配 合安装；第二调整槽45上安装有第二锁紧螺钉46，第二铜套42的内圆面与单筒显微镜 头2间隙配合安装。第二本体41上还安装有第二去应力孔47，第二本体41上设置有第 一螺孔50、第二螺孔51、第三螺孔52和第四螺孔53。整个装置中，定位基准面为大理 石基准精密平台6，单筒显微镜头2的光轴需要与大理石基准精密平台6垂直，安放待测 工件的三维精密工作台5要与大理石基准精密平台6平行，这样可以保证镜头采集的图像 为工件真实的投影或者是正对的表面图像，保证检测的精度。目前常见的单筒显微镜头 2夹持装置通常为整体加工式，主要靠加工精度保证镜头垂直度采像要求，一方面加工精度难以保证，另外安装时的变形等因素影响其精度，尽管也可以通过垫间隙调整片的方 式来改进，但是安装调试复杂。所以采用本实施例的装置后，通过旋紧第二锁紧螺钉46 上的锁紧螺母，第二本体41产生弹性变形，使得第二铜套42也产生弹性变形，单筒显微 镜头2就被夹持在可调镜头支架12上，单筒显微镜头2与第二铜套42直接接触，第二铜 套42为软装材料，可以有效保护镜头的表面不被刮伤；然后安装沉头螺钉43与连接在Z 向位置调整机构上的载物连接块7连接。第一螺孔50、第二螺孔51、第三螺孔52和第 四螺孔53是用于微调单筒显微镜头的安放位置。具体调节方法如下，将两个百分表的表头固定在高度游标卡尺的移动端，高度 游标卡尺的底座安放在大理石平台6的基座上，百分表测头分别接触互垂直的两方向的 远心镜头的外表面，通过高度游标卡尺的位置调整机构上下移动百分表，根据百分表读 数，可以获得镜头中心线对工作台面的垂直程度信息。根据百分表的读数，通过调节第 一螺孔50、第二螺孔51、第三螺孔52和第四螺孔53上四个螺钉的锁紧力，可以调整镜 头光轴沿着X或Y轴旋转，从而调整与大理石精密基准面的垂直度。所述的Z向手动夹紧装置包括第一本体19和第一铜套20 ；其中第一本体19通 过第一沉头螺钉25固定安装在转接板24上；第一本体19上设置有第一圆孔21和第一调 整槽22，第一圆孔21与第一调整槽22连通；第一圆孔21与第一铜套20的外圆面间隙 配合安装，第一铜套20的内圆面与丝杠螺母副18上的滚珠丝杠轴27间隙配合安装；第 一调整槽22上安装有第一锁紧螺钉23 ；通过旋动第一锁紧螺钉23，带动第一本体19弹 性变形，使第一调整槽22受力产生弹性变形，从而导致第一铜套20收缩，而卡紧滚珠丝 杠轴27。第一本体19上还安装有第一去应力孔26。所述的Z向位置检测装置包括光栅尺主尺18，光学读数头28，第一支架29，第 二支架30，第三支架31 ；其中载物连接块7通过第六紧固螺钉54与第三支架31固连。 第三支架31通过第五紧固螺钉36与光学读数头28固连，光学读数头28安装在光栅尺18 上，光栅尺主尺18分别通过第一紧固螺钉32和第三紧固螺钉34与第一支架29和第二支 架30固连；且第一支架29和第二支架30又分别通过第二紧固螺钉33和第四紧固螺钉35 与垫块16固连。所述的第一支架29上安装有第一调整螺钉37和第二调整螺钉38 ；第 二支架30上安装有第三调整螺钉39和第四调整螺钉40 ；第三支架31上安装有第五调整 螺钉41。第一调整螺钉37、第二调整螺钉38用于第一支架29的位置微调；第三调整螺 钉39、第四调整螺钉40用于第二支架30的微调，第五调整螺钉41用于第三支架31的 位置微调。光栅尺由光栅尺主尺18和光学读数头28组成，光栅尺主尺18作为Z向位置 检测装置的重要元件，对位置检测的精确性具有很重要的意义。位置检测装置的检测误 差主要来自光学读数头28与Z向位置调整机构的不平行度，六方向自由度都能对其产生 影响，造成实际位移与实际检测结果不符，所以其安装调整非常重要，安装调整误差过 大，一方面影响精度，另一方面由于不平行性的影响，会造成光学读数头28与光栅尺主 尺18的过度摩擦，影响光栅尺的使用寿命。具体安装时，首先将第三支架31通过第六紧固螺钉54安装在载物连接块上，然 后用第五紧固螺钉36将第三支架31联接，将百分表的表座放在大理石基准平台6上，百 分表的测头与光学读数头28接触，通过Z向位置调整机构上下移动光学读数头28，根据百分表读数调整第五紧固螺钉36、第六紧固螺钉54的位置，然后用第五调整螺钉41进 行微调，直到读数满足要求。然后通过第一紧固螺钉32将第一支架29与光栅尺主尺18 连接，通过第二紧固螺钉33与垫块16连接；通过第三紧固螺钉34将第二支架30与光栅 尺主尺18连接，通过第四紧固螺钉35与垫块16连接，将百分表的表座放在载物连接块 7上，百分表的测头与光栅尺主尺18的两个垂直端面接触，移动Z向位置调整机构，观 察百分表读数后对第一紧固螺钉32、第二紧固螺钉33、第三紧固螺钉34、第四紧固螺钉 35的位置进行调节，完成后继续上一步的动作，根据百分表读数调节第一调整螺钉37、 第二调整螺钉38、第三调整螺钉39、第四调整螺钉40，直到百分表读数在规定的范围以 内。所述的三维精密工作台5包括X-Y 二维工作台48和安装在X-Y 二维工作台48 上的斜面导轨副49。测量深孔零件时，首先将工件安放在三维精密工作台5上，打开同轴光源4，此 时光垂直照射向工件，平行于同轴光源4镜头的光轴，光线照射到物体后，经过物体反 射后，通过同轴光源4的半透半反镜，然后通过平晶3后，射向单筒显微镜头2，将视野 范围内的物体的表面特征信息成像在电荷耦合器件1上，通过Z向位置调整机构可以上下 移动固定在其上面的单筒显微镜头2的上下位置，从而调整图像到最佳清晰位置。当倍 率较大时，人手直接调整工件以调整观测目标时比较困难，可以通过手动调整三维精密 工作台5上的X-Y 二维工作台48来移动工件朝X(以深孔类零件影像测量装置主视图为 基准的左右方向)或者Y(以深孔类零件影像测量装置的主视图为基准的前后方向)轴方 向移动，三维精密工作台的上层是斜面导轨副49，主要用于对焦时候的微调，移动工件 向做微幅移动，另外单筒显微镜头的下端也自带微调机构，用于精密对焦；三维精密工 作的X向和Y向都安装有位置检测装置，以记录工件的实际位移。平晶3使用的主要目 的是将像面位置提高，即将单筒显微镜头2的实际对焦的位置比工件的实际位置要高； 在高倍放大状态下，实际镜头的对焦的距离比工件距离镜头的距离要�。薹ǔ汕逦� 像，所以通过平晶3将像面位置提高，此时单筒显微镜头2能够通过Z向位置调整机构移 动对焦，成清晰图像，观测深孔内部的形貌特征。(本实用新型中所指的X，Y，Z就是 指三维上的三个坐标位置，X:以深孔类零件影像测量装置主视图为基准的前后方向， Y以深孔类零件影像测量装置的主视图为基准的左右方向，ζ:以深孔类零件影像测量 装置的主视图为基准的上下方向。)本装置的Z向位置调整机构主要通过旋转手轮10带动丝杠螺母副13内的滚珠丝 杠27旋转，滚珠丝杠27带动螺母做直线运动，丝杠螺母副13中的螺母和直线轴承滑块 15都与载物连接块7连接在一起，所以直线运动在沿着精密直线导轨11的导轨平面平行 的方向运动，保证位移精度，在调镜头的同时，由于ζ向位置调整机构的移动带动Z向位 置检测装置上的光栅尺18的读数头的移动，产生对应位移电信号通过电气控制箱体内的 位置检测电路，通过A/D转换，得到位移的数字信号，然后通过USB线传送到计算机， 视觉测量软件可以通过当量换算得到真实的位移信息。本装置的精密测高功能就是通过 位置检测和图像评价两种方式综合应用在实现的。首先移动Z向位置调整机构，将深孔 的上表面的某一位置聚焦成像到电荷耦合器件1上，此时计算机位置检测系统记录下镜 头在Z轴上的实际位置，然后三维精密工作台5调整工件的位置，直到工件深孔的内部表面特征获得清晰成像；调整单筒显微镜头2上下移动时，计算机再次记录下单筒显微镜 头2的实际位置，两次位置之差即为孔深，其他测高方法类似。
权利要求1.一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于包括大理石基准精密平台(6)、大 理石精密基准立柱(8)；三维精密工作台(5)、同轴光源(4)、平晶(3)、单筒显微镜头 (2)、电荷耦合器件(1)和Z向位置调整机构；其中大理石基准精密平台(6)和垂直安装 在大理石基准精密平台(6)上的大理石精密基准立柱(8)构成机台，大理石基准精密平台 (6)上还安装有三维精密工作台(5)和支架(14)，支架(14)上安装有同轴光源(4)，位于 同轴光源⑷之上的支架(14)上还安装有平晶(3)；大理石精密基准立柱⑶上安装有 Z向位置调整机构，Z向位置调整机构与单筒显微镜头(2)固连，单筒显微镜头(2)上安 装有电荷耦合器件(1)。
2.如权利要求1所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的大理石 精密基准立柱(8)上安装有转接板(17)，转接板(17)上安装有垫块(16)。
3.如权利要求1或2所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的Z向 位置调整机构由手轮(10)、丝杠螺母副(13)、精密直线导轨(11)、直线轴承滑块(15)、 载物连接块(7)、可调镜头支架(12)、Z向手动夹紧装置(9)和Z向位置检测装置组成； 其中丝杠螺母副(13)上安装有手轮(10)，载物连接块(7)上安装有直线轴承滑块(15)， 直线轴承滑块(15)与精密直线导轨(11)活动连接，且直线轴承滑块(15)与丝杠螺母副 (13)固定连接；载物连接块(7)上安装有可调镜头支架(12)，可调镜头支架(12)上固 定安装有单筒显微镜头(2)；丝杠螺母副(13)与转接板(17)之间安装有Z向手动夹紧装 置；载物连接块(7)与垫块(16)之间安装有Z向位置检测装置。
4.如权利要求3所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的可调镜 头支架(12)包括第二本体(41)和第二铜套(42)，其中第二本体(41)通过第二沉头螺钉 (43)与载物连接块(7)固连；第二本体(41)上设置有第二圆孔(44)和第二调整槽(45)， 第二圆孔(44)和第二调整槽(45)连通；第二圆孔(44)与第二铜套(42)的外圆面间隙 配合安装；第二调整槽(45)上安装有第二锁紧螺钉(46)，第二铜套(42)的内圆面与单 筒显微镜头(2)间隙配合安装；第二本体(41)上还安装有第二去应力孔(47)，第二本体 (41)上设置有第一螺孔(50)、第二螺孔(51)、第三螺孔(52)和第四螺孔(53)。
5.如权利要求3所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的Z向手 动夹紧装置包括第一本体(19)和第一铜套(20)；其中第一本体(19)通过第一沉头螺钉 (25)固定安装在转接板(24)上；第一本体(19)上设置有第一圆孔(21)和第一调整槽 (22)，第一圆孔(21)与第一调整槽(22)连通；第一圆孔(21)与第一铜套(20)的外圆面 间隙配合安装，第一铜套(20)的内圆面与丝杠螺母副(18)上的滚珠丝杠(27)间隙配合 安装；第一调整槽(22)上安装有第一锁紧螺钉(23)；第一本体(19)上还安装有第一去 应力孔(26)。
6.如权利要求3所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的Z向位置 检测装置包括光栅尺主尺(18)，光学读数头(28)，第一支架(29)，第二支架(30)，第三 支架(31)；其中载物连接块(7)通过第六紧固螺钉(54)与第三支架(31)固连，第三支 架(31)通过第五紧固螺钉(36)与光学读数头(28)固连，光学读数头(28)安装在光栅尺 主尺(18)上，光栅尺主尺(18)分别通过第一紧固螺钉(32)和第三紧固螺钉(34)与第一 支架(29)和第二支架(30)固连；且第一支架(29)和第二支架(30)又分别通过第二紧固 螺钉(33)和第四紧固螺钉(35)与垫块(16)固连。
7.如权利要求6所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的第一支 架(29)上安装有第一调整螺钉(37)和第二调整螺钉(38)；第二支架(30)上安装有第三 调整螺钉(39)和第四调整螺钉(400 ；第三支架(31)上安装有第五调整螺钉(41)。
8.如权利要求1所述的一种深孔类零件影像测量装置，其特征在于所述的三维精 密工作台(5)包括X-Y 二维工作台(48)和安装在X-Y 二维工作台(48)上的斜面导轨副 (49)。
专利摘要本实用新型公开一种深孔类零件影像测量装置，包括大理石基准精密平台、大理石精密基准立柱；三维精密工作台、同轴光源、平晶、单筒显微镜头、电荷耦合器件和Z向位置调整机构；其中大理石基准精密平台和垂直安装在大理石基准精密平台上的大理石精密基准立柱构成机台，大理石基准精密平台上还安装有三维精密工作台和支架，三维精密工作台之上的支架上安装有同轴光源，同轴光源之上的支架上还安装有平晶；大理石精密基准立柱上安装有Z向位置调整机构，Z向位置调整机构与单筒显微镜头固连，单筒显微镜头上安装有电荷耦合器件。本实用新型能实现对深孔类零件深孔的观察与精密测量。
文档编号G01B11/24GK201795778SQ201020210719
公开日2011年4月13日 申请日期2010年5月29日 优先权日2010年5月29日
发明者祝良荣, 邹华东 申请人:浙江工业职业技术学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
