一种机械零部件轮廓测量装置
阅读说明：本技术 一种机械零部件轮廓测量装置 (Contour measuring device for mechanical parts ) 是由 李琦 向阳 董萌 张合 闫帅 于 2019-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种机械零部件轮廓测量装置,涉及工业测量技术领域。该装置包括物方远心系统和像方远心系统；物方远心系统为前固定组,像方远心系统包括：变倍组,补偿组和后固定组。该装置通过移动变倍组与补偿组,同时双组联动,在单位工作距离内,保持物像方放大倍率不变。物方远心系统自身可消除物方由于调焦不准确带来的误差,像方远心系统可以消除像方调焦不准引入的测量误差。综合物像方远心作用,配以背光源照射,可实时将在线加工的不同尺寸(30-90mm)的零件轮廓图像通过影像系统采集到计算机中,与加工图纸比对,可直观、清晰的完成产品表面轮廓的检测及修正,全面提高工人的加工效率,保证测量精度。(The invention discloses a device for measuring the contour of a mechanical part, and relates to the technical field of industrial measurement. The device comprises an object space telecentric system and an image space telecentric system; object space telecentric system is preceding fixed group, and image space telecentric system includes: a zoom group, a compensation group and a post-fixation group. The device keeps the magnification of an object image space unchanged within a unit working distance by moving the zoom group and the compensation group and simultaneously linking the two groups. The object space telecentric system can eliminate errors caused by inaccurate focusing of the object space, and the image space telecentric system can eliminate measurement errors caused by inaccurate focusing of the image space. The image space telecentric effect is combined with the backlight source for irradiation, so that the contour images of the parts with different sizes (30-90mm) processed on line can be collected into a computer in real time through an image system and compared with a processing drawing, the detection and correction of the surface contour of the product can be visually and clearly completed, the processing efficiency of workers is comprehensively improved, and the measurement precision is ensured.)
技术领域
本发明涉及工业测量技术领域，特别是涉及一种机械零部件轮廓测量装置。
背景技术
国内刀具，齿轮等加工企业众多，轮廓仪在生产加工中被广泛应用。传统的轮廓仪主要采用投影镜头成像的方式进行观察，检测仪器灵敏度不高，针对于不同尺寸的轴、齿轮、刀具、花键、垫片等零件，每台轮廓仪所配镜头均为定倍率镜头，且受视场限制，在不同物距下，放大倍率不固定，比对误差较大。所以，现有设备存在误差较大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械零部件轮廓测量装置，解决了现有设备误差较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种机械零部件轮廓测量装置，包括：物方远心系统、孔径光阑和像方远心系统；
所述物方远心系统包括前胶合镜组和后胶合镜组；所述像方远心系统包括变倍组，补偿组和后固定组；
从物方到像方依次为所述前胶合镜组、所述后胶合镜组、所述孔径光阑、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组；
所述物方远心系统的出瞳位置与像方远心系统的入瞳位置重合。
可选的，所述前胶合镜组包括第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜为负光焦度的正弯月透镜，所述第一透镜的凸面朝向所述物方；
所述第二透镜为正光焦度的双凸透镜；
所述第一透镜的凹面与所述第二透镜的一个凸面胶合。
可选的，所述后胶合镜组包括第三透镜和第四透镜；
所述第三透镜为负光焦度的正弯月透镜，所述第三透镜的凸面朝向所述物方；
所述第四透镜为正光焦度的双凸透镜；
所述第三透镜的凹面与所述第四透镜的一个凸面胶合。
可选的，所述变倍组包括第五透镜和第六透镜；
所述第五透镜为正光焦度的负弯月透镜，所述第五透镜的凹面朝向所述物方；
所述第六透镜为负光焦度的负弯月透镜，所述第六透镜的凹面朝向所述物方；
所述第五透镜的凸面与所述第六透镜的凹面胶合。
可选的，所述补偿组包括第七透镜和第八透镜；
所述第七透镜为正光焦度的双凸透镜；
所述第八透镜为负光焦度的负弯月透镜，所述第八透镜的凹面朝向所述物方；
所述第七透镜的一个凸面与所述第八透镜的凹面胶合。
可选的，所述后固定组包括第九透镜和第十透镜；
所述第九透镜为正光焦度的正弯月透镜，所述第九透镜的凹面朝向所述物方；
所述第十透镜为负光焦度的正弯月透镜，所述第十透镜的凸面朝向所述物方；
所述第九透镜的一个凸面与所述第十透镜的凸面胶合。
可选的，还包括：多个隔圈；
所述隔圈分别设置在所述前胶合镜组和所述后胶合镜组之间，所述后胶合镜组和所述孔径光阑之间。
可选的，还包括：前固定组镜筒、运动镜筒和后固定组镜筒；
所述前胶合镜组和所述后胶合镜组固定在所述前固定组镜筒中；
所述变倍组和所述补偿组与所述运动镜筒滑动连接；
所述后固定组固定在所述后固定组镜筒中；
所述前固定组镜筒和所述运动镜筒通过螺纹连接；
所述运动镜筒和所述后固定组镜筒通过螺纹连接。
可选的，还包括：第一电机和第二电机；
所述变倍组通过销钉固定在所述第一电机上；所述第一电机用于带动所述变倍组做规定运动；
所述补偿组通过销钉固定在所述第二电机上；所述第二电机用于带动所述补偿组做规定运动。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种机械零部件轮廓测量装置。该装置包括物方远心系统和像方远心系统；物方远心系统为前固定组，像方远心系统包括：变倍组，补偿组和后固定组。该装置通过移动变倍组与补偿组，同时双组联动，在单位工作距离内，保持物像方放大倍率不变。物方远心系统自身可消除物方由于调焦不准确带来的误差，像方远心系统可以消除像方调焦不准引入的测量误差。综合物像方远心作用，配以背光源照射，可实时将在线加工的不同尺寸(30-90mm)的零件轮廓图像通过影像系统采集到计算机中，与加工图纸比对，可直观、清晰的完成产品表面轮廓的检测及修正，全面提高工人的加工效率，保证测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的结构图；
图2为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的光路图；
图3为本发明实施例变倍组与补偿组的变化结构图；
图4为本发明实施例变倍组的规定曲线图；
图5为本发明实施例补偿组的规定曲线图；
图6为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的3倍变焦图。
其中，1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、孔径光阑；6、第五透镜；7、第六透镜；8、第七透镜；9、第八透镜；10、第九透镜；11、第十透镜；12、变倍组；13、补偿组；14、后固定组；15、变倍组曲线；16、补偿组曲线；17、像方焦点；18、像方高度；19、物方高度；20、前胶合镜组；21、后胶合镜组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的结构图；图2为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的光路图。
参见图1及图2，该机械零部件轮廓测量装置，包括：物方远心系统、孔径光阑5和像方远心系统。物方远心系统的出瞳位置与像方远心系统的入瞳位置重合。
物方远心系统为前固定组，物方远心系统包括前胶合镜组20和后胶合镜组21。
前胶合镜组20为正光焦度透镜组，前胶合镜组20包括第一透镜1和第二透镜2。后胶合镜组21为正光焦度透镜组，后胶合镜组21包括第三透镜3和第四透镜4。
第一透镜1为负光焦度的正弯月透镜，第一透镜1的凸面朝向物方。
第二透镜2为正光焦度的双凸透镜。
第一透镜1的凹面与第二透镜2的一个凸面胶合。
第三透镜3为负光焦度的正弯月透镜，第三透镜3的凸面朝向物方。
第四透镜4为正光焦度的双凸透镜。
第三透镜3的凹面与第四透镜4的一个凸面胶合。
前胶合镜组20和后胶合镜组21在结构上为双高斯结构。本发明物方远心系统的前胶合镜组20和后胶合镜组21两组胶合透镜采用对称式双高斯折射结构，有利于校正色差，提高成像质量。
第一透镜1和第三透镜3选用低色散系数的冕牌玻璃，第一透镜1的阿贝数为70.13，第三透镜3的阿贝数为64.11，第一透镜1和第三透镜3的色散系数与阿贝数成反比，色散系数越小，成像越清晰。第二透镜2和第四透镜4选用高折射率的火石玻璃，第二透镜2的折射率为1.80，第四透镜4的折射率为1.78。本发明采用低色散系数的冕牌玻璃，色散系数越小，成像越清晰。物方远心系统沿光轴方向顺次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4，有利于校正像散及场区，而且第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4均为一正一负光焦度透镜，有利于校正轴外点高级像差。
像方远心系统包括变倍组12，补偿组13和后固定组14。
变倍组12为正光焦度透镜组，变倍组12包括第五透镜6和第六透镜7。
第五透镜6为正光焦度的负弯月透镜，第五透镜6的凹面朝向物方。
第六透镜7为负光焦度的负弯月透镜，第六透镜7的凹面朝向物方。
第五透镜6的凸面与第六透镜7的凹面胶合。
变倍组12沿光轴方向顺次为第五透镜6、第六透镜7，有利于分散光焦度负担，校正球差。
补偿组13为正光焦度透镜组，补偿组13包括第七透镜8和第八透镜9。
第七透镜8为正光焦度的双凸透镜。
第八透镜9为负光焦度的负弯月透镜，第八透镜9的凹面朝向物方。
第七透镜8的一个凸面与第八透镜9的凹面胶合。
补偿组13沿光轴方向顺次为第七透镜8、第八透镜9，有利于分散光焦度负担，校正球差。
后固定组14为正光焦度透镜组，后固定组14包括第九透镜10和第十透镜11。
第九透镜10为正光焦度的正弯月透镜，第九透镜10的凹面朝向物方。
第十透镜11为负光焦度的正弯月透镜，第十透镜11的凸面朝向物方。
第九透镜10的一个凸面与第十透镜11的凸面胶合。后固定组14沿光轴方向顺次为第九透镜10、第十透镜11。
第八透镜9与第九透镜10之间的距离为1.5mm-10.5mm。
从物方到像方依次为前胶合镜组20、后胶合镜组21、孔径光阑5、变倍组12、补偿组13、后固定组14。每一镜组的表面均为球面或者平面。本发明采用的镜片表面类型均为球面或者平面，没有引入非球面，从而减少了加工及装调难度，降低成本。
机械零部件轮廓测量装置还包括：多个隔圈。
隔圈分别设置在前胶合镜组20和后胶合镜组21之间，后胶合镜组21和孔径光阑5之间。具体为：隔圈设置在第二透镜2和第三透镜3之间，第二透镜2和第三透镜3之间的距离为20±0.02mm。隔圈设置在第四透镜4和孔径光阑5之间，靠近第四透镜4的隔圈内镜为18mm，孔径光阑5的内径为2mm，隔圈的距离为68mm。
机械零部件轮廓测量装置还包括：前固定组镜筒、运动镜筒和后固定组镜筒。前固定组镜筒的长度为60mm，运动镜筒的长度为59mm，后固定组镜筒到像方的距离为20mm。
前固定组镜筒和运动镜筒通过螺纹连接。运动镜筒和后固定组镜筒通过螺纹连接。
前胶合镜组20和后胶合镜组21固定在前固定组镜筒中。
变倍组12和补偿组13与运动镜筒滑动连接。变倍组12位于运动镜筒靠近物方的一端，补偿组13位于运动镜筒靠近像方的一端。变倍组12的第五透镜6和第六透镜7的直径，以及补偿组13的第七透镜8和第八透镜9的直径，均为10mm或运动镜筒直径的一半。
图4为本发明实施例变倍组的规定曲线图，图4中横轴表示机械零部件轮廓测量装置的焦距，纵轴表示变倍组的移动距离，单位为：毫米(mm)。图5为本发明实施例补偿组的规定曲线图，图5中横轴表示机械零部件轮廓测量装置的焦距，纵轴表示补偿组的移动距离，单位为：毫米(mm)。参见图4及图5，运动镜筒的内壁上包括：变倍组轨道和补偿组轨道。变倍组轨道的轨迹为变倍组曲线15从运动镜筒靠近物方的一端起始，沿运动镜筒内壁旋转一圆周后，至运动镜筒的中间终止。补偿组轨道的轨迹为补偿组曲线16从运动镜筒靠近像方的一端起始，沿运动镜筒内壁旋转一圆周后，至运动镜筒的中间终止。变倍组轨道位于运动镜筒中间的一端和补偿组轨道位于运动镜筒中间的一端之间存在空隙。当变倍组12和补偿组13分别从运动镜筒的两端开始运动至运动镜筒的中间时，机械零部件轮廓测量装置的焦距变化为11～41mm。变倍组12按照变倍组曲线15在运动镜筒中进行线性移动，移动量为1-25mm。补偿组13按照补偿组曲线16在运动镜筒中进行非线性移动，移动量1-34mm，变倍组12与补偿组13在运动镜筒里做双组联动移动。
变倍组12按照变倍组曲线15运动，第二电机带动补偿组13按照补偿组曲线16运动，通过第一电机和第二电机带动变倍组12与补偿组13按照图4的规定曲线移动，变倍组12与补偿组13联动，达到连续变焦效果，满足在线检测不同尺寸零部件的要求。
图3为本发明实施例变倍组与补偿组的变化结构图，参见图3，其中(a)为变倍组12和补偿组13分别位于运动镜筒两端位置的结构图，(b)为变倍组12位于变倍组轨道中间位置和补偿组13位于补偿组轨道中间位置的结构图，(c)为变倍组12和补偿组13分别位于运动镜筒中间位置的结构图。本发明采用机械补偿法变焦结构，通过调节像方远心系统的变倍组12与补偿组13，变倍组12做线性运动，补偿组13做非线性运动，达到变焦效果。图3的(a)中的横向箭头表示变倍组12与补偿组13在运动镜筒中的调节范围。
后固定组14固定在后固定组镜筒中。
本实施例中光线从物方出射，依次经过前胶合镜组20、后胶合镜组21、孔径光阑5、变倍组12、补偿组13和后固定组14后，到达像方焦点17。
机械零部件轮廓测量装置还包括：第一电机和第二电机。
变倍组12通过销钉固定在第一电机上；第一电机用于带动变倍组12做规定运动，即第一电机带动变倍组12在变倍组轨道上沿变倍组曲线15做线性运动。
补偿组13通过销钉固定在第二电机上；第二电机用于带动补偿组13做规定运动，即第二电机带动补偿组13在补偿组轨道上沿补偿组曲线16做非线性运动。
市面上现有的轮廓仪系统存在以下问题：1、投影系统随着物距变化，放大倍率不固定，比对误差较大；2、针对于不同尺寸的机械零部件，需要选取不同倍率的双远心系统，降低工人加工效率；3、现有轮廓仪是大视场投影系统，视场大，物距不固定。所以现有的轮廓仪均无法满足实时在线检测不同尺寸的机械零部件的要求，以及无法对齿轮等机械件进行精确测量。
图6为本发明实施例机械零部件轮廓测量装置的3倍变焦图，参见图6，本实施例中的变焦为物像比，物像比为物方高度除以像方高度，本实施例中的像方高度18为固定值。图6中(a)为机械零部件轮廓测量装置的1倍变焦图，即变倍组12和补偿组13分别位于运动镜筒两端时，物方高度19为30mm；(b)为机械零部件轮廓测量装置的2倍变焦图，即变倍组12位于变倍组轨道中间位置，补偿组13位于补偿组轨道中间时，物方高度19为60mm；(c)为机械零部件轮廓测量装置的3倍变焦图，即变倍组12和补偿组13分别位于运动镜筒中间时，物方高度19为90mm。通过调节像方远心系统的变倍组12与补偿组13，使本发明的机械零部件轮廓测量装置达到3倍变焦。
本发明的机械零部件轮廓测量装置，与现有定焦双远心系统相比，采用定焦物方远心系统与变焦像方远心系统相结合的方式，利用物像方远心特点，通过第一电机和第二电机带动变倍组与补偿组移动，变倍组与补偿组联动，在单位工作距离内，保持物像方放大倍率不变，由于物方远心系统自身可消除物方由于调焦不准确带来的误差，像方远心系统可以消除像方调焦不准引入的测量误差，所以综合物像方远心作用，配以背光源照射，具有实时将在线加工的不同尺寸(30-90mm)的零件轮廓图像通过影像系统采集到计算机中，与加工图纸比对，可直观、清晰的完成产品表面轮廓的检测及修正，还可用于在线检测不同尺寸的零件轮廓尺寸。
本发明通过调节变倍组和补偿组达到变焦目的，改变物方视场，因为双远心系统物像方倍率在单位物距离下是恒定的，无调焦误差和读数误差，所以可以精确测量齿轮的大小，进而进行尺寸比对，比较并判断被测物件与给定尺寸之间的偏差，检测所加工的物件尺寸是否符合加工误差，即实际加工的物件与其设计尺寸之间的差异要求。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。