一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置的制作方法

本技术涉及工件表面参数测量，具体为一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置。

背景技术：

1、在许多工程应用中，工件表面形貌与表面性能有着紧密的联系，表面特征支配着表面在许多工程方面的使用性能，表面形貌不仅对配合性零件的使用性能有很大的影响，而且对许多非配合、非接触性零件的使用性能也同样有着重要的影响。这些工件表面特征包括磨损、密封、配合、反射、涂敷、导热、导电、支撑等。

2、从工件表面测量技术的发展可以看出，目前最通用的测量仪器是接触式测量仪器，具有较好的测量范围和测量分辨率，能够综合测量表面的形状误差、表面波纹度和表面粗糙度，可以满足大部分工程表面的测量要求。但是接触式测量法的特性决定了接触式测量仪器无法满足光学材料、半导体材料和某些软金属材料加工的超光滑表面的测量要求。

3、接触式测量法的这些缺点限制其在超精密表面测量中的应用，非接触测量方法受到重视。非接触测量方法基本可以分为两类：轮廓扫描测量法和干涉测量法。干涉测量法需要补偿零校正，补偿法检验被测复杂曲面的主要困难在于设计和制造补偿透镜，由于针对不同的被测工件，均需要制作与之相对应的补偿器件，这样不仅降低了测量效率，还提高了仪器的测量成本。此外，当被测曲面曲率比较大时，由于被测波面变化斜率太大与参考面干涉后，将导致产生的干涉条纹过于密集而发生分析上的困难，也限制了该方法的应用范围。

4、因此，以光谱扫描为典型代表的轮廓扫描测量法近些年被广泛应用。但通过实践发现该测量方法的装置仍然存在以下一些缺陷：1.传统测量仪与测量装置是固定匹配的，无法适用工件尺度变化幅度大的场合，另外，在长时间使用过程中测量仪尖端可能会被损坏，无法及时进行更换。2.由于自由曲面工件的形状各异，弯曲幅度不同，现有技术的夹持工具无法很好地适用各种曲面的工件，夹持效果不佳。3.传统测量仪响应速度慢、测量精度较低，无法适用工件表面特征复杂的参数采集。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，解决了现有技术中自由曲面工件夹持不合理、不能适用不同幅度工件以及不能精准采集复杂工件表面参数的问题。

2、为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：包括多自由度位变机构、工件夹持机构、旋转承台、调节机构、光谱光学测杆、支撑架、控制箱；

3、支撑架由底板以及垂直安装在底板两端的两块竖板构成，底板上具有多个固定孔；位变机构包括垂直升降机构、水平移动机构以及360°旋转电机，水平移动机构两端分别固定在两块竖板的顶端，垂直升降机构安装在水平移动机构上，360°旋转电机安装在垂直升降机构底端；360°旋转电机转子与调节机构固定，光学测杆与调节机构旋转连接；控制箱固定在底板上表面中央，旋转承台与控制箱旋转连接；

4、夹持机构由传动装置和镜像放置的两个弧形夹具组成，传动装置固定在旋转承台上，其中，弧形夹具与传动装置可拆卸连接。

5、进一步地，光学测杆由光学测头和转接杆组成，光学测头和转接杆可拆卸式连接，转接杆与调节机构可拆卸式连接。

6、进一步地，转接杆中布置有传输信号的光纤组，光纤组一端与光学测头连接，另一端与数据采集单元连接；数据采集单元的数据接口包含光纤、以太网和串口以及数模转化模块。

7、进一步地，光学测头为单点式光学测头或线阵式光学测头。

8、进一步地，控制箱内部安装有plc控制器，plc控制器分别与上位机、数据采集单元以及命令执行机构通讯连接。

9、进一步地，调节机构由调节电机、“c”型固定件以及旋转柄构成，“c”型固定件与360°旋转电机转子固定，调节电机固定在“c”型固定件一侧，其转子贯穿“c”型固定件两侧，并将旋转柄固定在“c”型固定件内部中间。

10、进一步地，旋转承台包括转台、转台电机，转台电机安装在控制箱中央，其转子贯穿控制箱上方与转台固定；控制箱上表面四个角落分别嵌入式安装有四颗滚珠，且转台底面与之匹配开设有一圈环形的滑轨。

11、进一步地，转台上表面开设有滑槽，传动装置包括夹持电机、反向双螺纹螺杆以及两条限位条，夹持电机转子与反向双螺纹螺杆一端固定，反向双螺纹螺杆贯穿两条限位条，两端分别与限位条螺纹套接，限位条位于滑槽内。

12、进一步地，限位条两端的上表面分别设置有两个销钉，且弧形夹具底面对应开设有销孔。

13、进一步地，水平移动机构包括第二电机、第二螺杆、限位杆以及移动板，第二电机固定在其中一竖板外侧，其转子与第二螺杆一端固定连接，限位杆固定在两块竖板顶端，并与第二螺杆平行，移动板被第二螺杆和限位杆分别贯穿，且与第二螺杆螺纹连接；垂直升降机构包括第一电机、固定筒、第一螺杆、升降筒；移动板中央具有贯穿孔，固定筒对齐贯穿孔固定在移动板上，第一电机固定在固定筒顶端，其转子贯穿固定筒顶端与第一螺杆一端固定连接，第一螺杆另一端与升降筒螺纹连接；升降筒顶端具有限位翼，固定筒内部与之匹配开设有竖向卡槽；360°旋转电机安装在升降筒底端。

14、本实用新型提供了一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置。具备以下有益效果：

15、1.本实用新型，光学测头和转接杆可拆卸式连接，转接杆与调节机构可拆卸式连接，可拆卸连接的方式包括螺纹连接或卡扣式连接。该技术方案可以在光学测头损坏的情况下进行及时更换，另外，当不同工件大小或同一工件不同区域形状差异比较大的情况下，可以通过及时更换不同长度的转接杆，来实现工件表面参数精准测量。

16、2.本实用新型，弧形夹具与传动装置可拆卸连接，传动装置包括两条限位条，限位条两端的上表面分别设置有两个销钉，且弧形夹具底面对应开设有销孔。当面对不同弧度曲面的工件时，可以采用及时更换与之匹配的弧形夹具来实现很好地夹持，以避免夹持不稳影响测量精度和效率。

17、3.本实用新型中，光学测杆由光学测头和转接杆组成，转接杆中布置有传输信号的光纤组，光纤组一端与光学测头连接，另一端与数据采集单元连接，数据采集单元包含光纤、以太网、串口、数模转化模块等。该技术方案利用光谱扫描和光纤传输数据，极大地提高了采样精度和信号传输速度。

18、4.本实用新型中，通过位变机构、调节机构、旋转承台，可以对自由曲面工件的表面进行全方位无死角测量，同时，整个测量都是通过plc控制器、上位机、数据采集单元以及各种电机执行机构自动完成，提高了测量效率和精度。

技术特征：

1.一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，包括多自由度位变机构(1)、工件夹持机构(2)、旋转承台(3)、调节机构(4)、光谱光学测杆(5)、支撑架(6)、控制箱(7)；

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，光学测杆(5)由光学测头(51)和转接杆(52)组成，光学测头(51)和转接杆(52)可拆卸式连接，转接杆(52)与调节机构(4)可拆卸式连接。

3.根据权利要求2所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，转接杆(52)中布置有传输信号的光纤组，光纤组一端与光学测头(51)连接，另一端与数据采集单元连接；数据采集单元的数据接口包含光纤和串口以及数模转化模块。

4.根据权利要求2或3所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，光学测头(51)为单点式光学测头或线阵式光学测头。

5.根据权利要求3所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，控制箱(7)内部安装有plc控制器，plc控制器分别与上位机、数据采集单元以及命令执行机构通讯连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，调节机构(4)由调节电机(41)、“c”型固定件(42)以及旋转柄(43)构成，“c”型固定件(42)与360°旋转电机(13)转子固定，调节电机(41)固定在“c”型固定件(42)一侧，其转子贯穿“c”型固定件(42)两侧，并将旋转柄(43)固定在“c”型固定件(42)内部中间。

7.根据权利要求1所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，旋转承台(3)包括转台(31)、转台电机(32)，转台电机(32)安装在控制箱(7)中央，其转子贯穿控制箱(7)上方与转台(31)固定；控制箱(7)上表面四个角落分别嵌入式安装有四颗滚珠(71)，且转台(31)底面与之匹配开设有一圈环形的滑轨。

8.根据权利要求7所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，转台(31)上表面开设有滑槽(311)，传动装置(21)包括夹持电机(211)、反向双螺纹螺杆(212)以及两条限位条(213)，夹持电机(211)转子与反向双螺纹螺杆(212)一端固定，反向双螺纹螺杆(212)贯穿两条限位条(213)，两端分别与限位条(213)螺纹套接，限位条(213)位于滑槽(311)内。

9.根据权利要求8所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，限位条(213)两端的上表面分别设置有两个销钉(2131)，且弧形夹具(22)底面对应开设有销孔。

10.根据权利要求1所述的一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，其特征在于，水平移动机构(12)包括第二电机(121)、第二螺杆(122)、限位杆(123)以及移动板(124)，第二电机(121)固定在其中一竖板(62)外侧，其转子与第二螺杆(122)一端固定连接，限位杆(123)固定在两块竖板(62)顶端，并与第二螺杆(122)平行，移动板(124)被第二螺杆(122)和限位杆(123)分别贯穿，且与第二螺杆(122)螺纹连接；垂直升降机构(11)包括第一电机(111)、固定筒(112)、第一螺杆(113)、升降筒(114)；

技术总结
本技术公开了一种自由曲面三维形貌光扫描测量装置，包括位变机构、夹持机构、旋转承台、调节机构、光学测杆、支撑架、控制箱。首先，可以通过位变机构、旋转承台以及调节机构对工件位置的改变实现工件表面全方位的测量；其次，夹持机构包括传动装置和弧形夹具，传动机构包括有限位条以及上表面设置的销钉，且弧形夹具底面对应开设有销孔，通过该方案既可以对弧形夹具进行限位，又方便对弧形夹具进行拆装更换，以满足不同弧度曲面的工件参数测量；另外，光学测杆采用光学测头进行光谱扫描测量，并通过光纤进行数据传输，有利于提高测量精度和测量效率，同时避免了传统测头容易损坏的缺陷；最后，采用上位机自动连续测量，缩短了测量时间。

技术研发人员：许航,徐建,陈炳洪
受保护的技术使用者：成都市计量检定测试院
技术研发日：20230707
技术公布日：2024/1/5