CN106123799A - 用于钻孔测量的反射成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于钻孔测量的反射成像设备(1)，该反射成像设备(1)包括：激光导引装置(2)；用于将光学图像转换成图像信息以及处理该图像信息以获得钻孔测量结果的成像单元(7)；包括第一锥形表面(3)和第二表面的反射组件(12)，该第二表面包括截头锥形表面(4)，其中第一表面(3)相对于激光导引装置(2)布置为将锥形束(9)反射到要被测量的钻孔(6)的截面上，以及其中，截头锥形表面(4)的最小直径大于第一表面(3)的最大直径，以接收锥形束反射(10)并且朝成像单元(7)反射锥形束反射(10)；以及其中，成像单元(7)被布置成从截头锥形表面反射(11)接收光学图像以获得钻孔测量结果。

Description

用于钻孔测量的反射成像设备

技术领域

本发明涉及一种反射成像设备，所述反射成像设备包括用于执行钻孔(drill)测量的光学装置、成像装置以及处理装置。这些装置使得设备能够从要被测量的钻孔获得光学信息，以及根据该光学信息，获得可处理的信息以最终计算钻孔的至少一个测量结果。本发明还涉及包括反射成像设备的反射成像系统。

本发明的一个目的是提供一种反射成像设备，其能够借助于可以被引入到要测量的任何种类的钻孔或孔中的简化且紧凑型的设备来获得钻孔的完整截面的信息。

本发明的另一目的是提供一种反射成像设备，其能够防止为提供表面测量而接触要测量的表面的需要。

本发明的又一目的是提供一种反射成像系统，其能够沿测量轴扫描钻孔的整个长度，以用于提供要测量的钻孔的完整轮廓特征。此外，本发明的再一目的是提供一种用于生成适于执行可视化检查的、所测量的钻孔的图像的装置。

背景技术

工业上在用于组装产品的部件中使用钻孔。这样的钻孔可以是可变大小的，并且可以在各种材料上进行。飞机制造业是在由各种金属(例如铝、钛)以及合成材料(例如复合材料)形成的各种部件中使用各种大小的钻孔的主要示例产业。

为了确保安全的产品组装，检查钻孔以验证满足由适航指令(airworthiness directives)建立的钻孔当前规范。上述规范限定钻孔必须符合的几何特性。

传统地，已通过用手将其插入测量钻孔直径的套管来确定钻孔大小。像大部分手动处理一样，由于测量取决于操作者的理解和套管条件这两者，因此该处理缺乏可靠性。此外，当必须对由较小间隙分离的大量钻孔确定大小时，或者当钻孔处于难以接近的产品中时，手动确定大小变得非常困难。

此外，特别是在需要对大量的可变大小的钻孔确定大小时，手动确定大小是缓慢而昂贵的任务，而上述可变大小的钻孔已经在多种材料上进行了。钻孔运行状况取决于材料而改变。因此，在飞机制造业，必须特别地针对铝、钛以及复合材料进行钻孔确定大小，上述铝、钛以及复合材料构成该部门中使用的最常见的材料。此外，复合材料涉及更多的困难，这是因为由于可以通过改变纤维材料、布局、堆叠、树脂材料或固化时间而获得的很多种材料，导致复合材料应该被处理为材料族。

现在，已经通过使用光学技术减少了这些限制中的大部分限制。该技术已经显著地提高了钻孔测量精度。

该光学技术的一个示例是专利申请US 2014/0368834 A1。该申请描述了能够测量对象的内螺纹表面的至少一个物理特性的光学螺纹分析器(optical thread profiler)。该装置执行激光三角测量。然而，所描述的装置要求与要被测量的对象进行物理接触，这使测量任务复杂并且降低了测量任务的速度。此外，该装置为了得到钻孔的一个物理特性要求进行许多运动和测量。

因此，已经发现在航空工业中需要一种新设备，其能够减少为了获得钻孔测量结果所需要的时间并且实现使钻孔测量任务简化。

发明内容

本发明通过提供一种反射成像设备来克服上述缺点，该反射成像设备通过设置能够测量不同大小的钻孔的通用设备来简化钻孔测量。此外，设备能够减少用于获得钻孔测量结果所需的时间。

本发明的一方面涉及一种用于钻孔测量的反射成像设备，包括激光导引装置、成像单元以及反射组件。激光导引装置适于导引激光束。成像单元包括被配置成将光学图像光电转换成图像信息的成像元件和被配置成根据图像信息获得至少一个钻孔测量结果的图像处理装置。反射组件包括第一锥形表面和第二表面，第二表面布置在第一表面的下方并且包括截头锥形表面，其中，这两个表面关于测量轴同轴地对准。第一表面相对于激光导引装置被布置为将锥形束反射到要被测量的钻孔的环形截面上。截头锥形表面的最小直径大于第一表面的最大直径，以接收锥形束反射并且朝成像单元反射该锥形束反射。成像单元被布置成从截头锥形表面反射接收光学图像，以用于生成钻孔图像信息并且最终获得至少一个钻孔测量结果。

为反射组件的第一表面设置锥形配置，并且将所述第一锥形表面设置为与激光导引装置对准，以使得根据从激光导引装置接收的激光束生成锥形束，本发明实现了照亮要被测量的钻孔的整个截面。以此方式，设备提供了用于在不需要轴向移动设备的情况下一次性测量整个截面的装置。因此，本发明以简单、有效和准确的方式减少了通常用于测量钻孔的截面所需的时间。

此外，反射组件提供了被布置在第一表面的下方并且关于测量轴同轴地对准的第二表面，以提供用于捕获锥形束反射的装置。这些锥形束反射携带钻孔光学信息。第二表面包括截头锥形表面，该截头锥形表面被配置成接收锥形束反射并且朝成像单元反射锥形束反射。鉴于此，截头锥形表面的最小直径大于第一表面的最大直径。

以此方式，根据本发明的反射组件提供了用于照亮要被测量的钻孔的装置以及用于捕获光学信息的装置两者。

此外，设备包括被布置成接收截头锥形表面反射的成像单元。这些反射形成光学图像并且携带钻孔光学信息。成像单元的成像元件将光学图像(光学信息)光电转换成可处理的电数据(图像信息)。图像处理装置对图像信息进行处理以获得至少一个钻孔测量结果。

另外，将成像单元设置成与激光导引装置以及与反射组件的第一表面和第二表面对准，本发明提供了适于在要测量的任何类型的钻孔、孔或洞中被引入的紧凑型设备。

此外，考虑到反射成像设备避免了为进行测量需要物理接触，设备能够简化和加快测量任务。

本发明的另一方面涉及反射成像系统，该反射成像系统包括：根据本发明的反射成像设备，用于向激光导引装置提供激光束的激光源，以及适于沿测量轴移动反射成像设备的扫描系统。以此方式，本发明实现了通过沿测量轴简单地移动反射成像设备来测量钻孔长度。因此，系统能够提供被测量的钻孔的完整轮廓。

附图说明

为了更好地理解本发明，提供下面的附图用于说明性并且非限制性的目的，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的反射成像设备的纵向剖视图。

图2示出了从激光束自激光导引装置输出开始直到钻孔光学信息被朝成像单元引导为止激光束所遵循的光路的详细视图。

图3示出了在使用本发明的反射成像设备时的钻孔的最小可测量半径和最大可测量半径。

图4示出了具有不同截面的钻孔的图像。在虚线中，图片表示最小可测量截面和最大可测量截面。

图5示出了由反射组件配置和激光束在离开激光导引装置时所遵循的光路来限定的角参数和径向参数的详细视图。

具体实施方式

图1示出了反射成像设备1，该反射成像设备1包括：用于导引来自激光源5的激光束24的激光导引装置2；布置在激光导引装置2下方以用于接收激光束24的反射组件12；以及布置在激光导引装置2上方以用于接收由反射组件12的一部分提供的光学信息的成像单元7。如所示出的，成像单元7、激光导引装置2以及反射组件12沿公共测量轴13对准。测量轴13与反射成像设备纵轴相匹配。

反射组件12包括第一锥形表面3，该第一锥形表面3被定位成接收由激光导引装置2导引的激光束24。反射组件12还包括第二表面，该第二表面包括接收钻孔光学信息并且朝成像单元7反射该钻孔光学信息的截头锥形表面4。表面3和表面4关于测量轴13同轴地对准。截头锥形表面4被布置在第一表面3的下方，并且截头锥形表面4比第一锥形表面3更宽，也就是说，截头锥形表面4的最小直径大于第一表面3的最大直径。

第一表面3的形状使得由激光导引装置2传导的激光束24被反射为锥形束9。所述锥形束射到要测量的钻孔6的完整的环形截面。

截头锥形形状使得首先能够收集至要被测量的钻孔6上的锥形束反射10，其次能够向上朝成像单元7反射所述锥形束反射。

成像单元7包括成像元件25，成像元件25用于将从截头锥形表面4反射接收的光学图像光电转换成图像信息。成像元件25是半导体元件，通常为CCD图像传感器或CMOS图像传感器，并且具有接收来自对象的光以及捕获对象的图像的成像功能。此外，成像单元7包括图像处理装置26，图像处理装置26用于处理图像信息以获得至少一个钻孔测量结果。

根据优选实施例，图像处理装置26还被配置成根据钻孔图像信息来计算钻孔6的直径。

根据另一优选实施例，图像处理装置26还被配置成根据钻孔图像信息来计算钻孔6的圆柱度(cylindricity)。用这种方式，反射成像设备1使得能够测量钻孔倾斜。

根据另一优选实施例，图像处理装置26还被配置成根据钻孔图像信息来计算钻孔6的椭圆度(ovalization)。用这种方式，本发明使得能够测量钻孔变形。

在优选实施例中，激光导引装置2包括用于导引来自激光源5的激光束24的光纤15以及用于包封光纤15的探针16。探针纵轴与测量轴13相匹配。

优选地，光纤15沿箍17安装，箍17的直径与光纤包层的直径相匹配。光纤箍17保持光纤15，并且有助于机械地对准和固定光纤。

如在图1中所示，探针16可以包括不同的部分。优选地，探针16包括由钢组成的第一部分18以及由半透明材料组成的第二部分19。半透明材料使得激光束能够穿过该材料。优选地，这样的半透明材料将是玻璃。

根据优选实施例，反射组件12具有由上部和下部形成的单个本体，其中，该上部包括锥形部分，该锥形部分具有锥形表面3，并且该下部具有截头锥形配置并具有截头锥形表面4。

在优选实施例中，如在图1中所示，第一锥形表面3装配在探针16的一个端部处。为了改进该装配，本体的上部可以包括在锥形部分下方的管状部分27，管状部分27与锥形部分齐平。此外，该管状部分27便利反射组件12至探针16的耦合以及解耦合。此外，该管状部分27可以与截头锥形表面4形成肩状突起，以接纳探针16的端部。

在相对端部，探针16耦合至成像单元7。成像单元7还可以包括多个透镜20，多个透镜20在来自外部的光到达成像元件25之前压缩来自外部的光。多个透镜20被组装在透镜架上，以使得多个透镜20各自的中心位于同一轴、即测量轴13上。

优选地，如在图1中所示，透镜架在其基部包括夹板21，夹板21用于接合探针16以及支承处于待检查的钻孔的外部的成像单元7。

如在图1和图2中所示，激光导引装置2还可以包括位于光纤15的输出、以用于对由光纤15导引的激光束24进行准直的透镜14。优选地，透镜14是适于受限空间(confined space)的自聚焦透镜(GRIN lens)。

图2示出了自聚焦透镜14的效果。透镜14在激光束24离开光纤15时对激光束24进行准直以产生窄光束。该窄光束被导向第一锥形表面3的顶点以产生锥形束9。选择自聚焦透镜长度，以使得在自聚焦透镜的出口面处，光束呈现轻微的会聚，从而按照由钻孔壁的期望位置给出的距离来聚焦。因此，在该距离处，锥形束的垂直宽度是最小的。

锥形束9射到要测量的钻孔6的完整的截面上。用这种方式，设备1提供整个截面的信息，而不必绕测量轴13旋转设备1或不必接触钻孔6。这实现了更简单和更快的测量任务。

锥形束反射10被截头锥形表面4接收，并且其随后被朝成像单元7位置反射。成像单元7将钻孔光学图像转换成钻孔图像信息。

图3示意性地示出了激光束24所遵循的、自输出光纤直到通往成像单元7方向为止的光路。如所示出的，截头锥形表面4配置确定可测量的直径范围。截头锥形表面4的最小直径22设置最小可测量直径，而最大直径23设置最大可测量直径。

图3还以示意性的方式示出了可根据不同的截头锥形表面反射11形成的潜在图像。特别地，图像31、30与最小可测量直径和最大可测量直径对应，并且图像29与所测量的钻孔6的直径对应。

根据优选实施例，成像单元7还包括被配置成显示钻孔图像信息的显示装置。图4表示下述图像：该图像将示出在图3的示例情况下的显示。为了说明性目的，图4另外以虚线示出了与截头锥形表面4的最小直径22和最大直径23对应的图像31、图像30，其告知了最小可测量直径和最大可测量直径。最小可测量直径与最大可测量直径之间的区域确定设备1的可测量区域。

图5示出了与在图1、图2及图3中示出的反射组件12配置相关联、并且与自激光束离开激光导引装置开始直到被朝成像单元7引导为止激光束所遵循的光路相关联的几何结构。

在自聚焦透镜14的输出产生的窄光束射到第一锥形表面3的顶点。第一锥形表面3形成相对于垂直面的半角α。因此，窄光束变成了相对于水平面具有孔隙β的窄锥形束9。锥形束9射到要被测量的钻孔上，并且由钻孔壁散射的光在截头锥形表面4中被反射，该截头锥形表面4形成了相对于垂直面的半角γ。

假定γ角是45度的六十进制的度数(sexagesimal degree)，图像处理装置26被配置成在考虑以下参数的情况下获得至少一个钻孔测量结果：

·R_min：最小可测量半径，

·R_max：最大可测量半径，

·R₁：第一锥形表面直径，

·R₂：截头锥形表面的最小半径，

·R₃：截头锥形表面的最大半径(反射成像设备半径)，

·α：第一锥形表面的半角，

·β：相对于水平面的锥形束角，

·γ：截头锥形表面的半角

在这些参数的情况下，图像处理装置26将使用下面的关系来最终获得至少一个钻孔测量结果：

$tan\mathrm{\β}=\frac{R_3-R_2}{R_{\max }-R_{min}}---\[1\]$

$tan\mathrm{\α}=\frac{1}{tan\mathrm{\β}}---\[2\]$

$h_1=\frac{R_1}{tan\mathrm{\α}}---\[3\]$

h₂＝R_mintanβ-h₁ [4]

h₃＝R₃-R₂ [5]

根据上面提到的关系，图像处理装置26适于计算所测量的钻孔6的直径、钻孔的倾斜、或钻孔变形。此外，图像处理装置26适于检测较小的缺陷，例如工具槽。

最后，反射成像设备1可以用来通过仅包括用于馈给激光导引装置的激光源以及用于沿测量轴移动反射成像设备的扫描系统来表征钻孔的完整轮廓。

Claims (11)

1.一种用于钻孔测量的反射成像设备(1)，包括：

-激光导引装置(2)，适于导引激光束(24)，

-成像单元(7)，包括被配置成将光学图像光电转换成图像信息的成像元件(25)以及被配置成根据所述图像信息获得至少一个钻孔测量结果的图像处理装置(26)，

-反射组件(12)，包括第一锥形表面(3)和第二表面，所述第二表面布置在所述第一表面(3)的下方并且包括截头锥形表面(4)，其中，这两个表面(3，4)关于测量轴(13)同轴地对准，以及其中

-所述第一表面(3)相对于所述激光导引装置(2)布置为将锥形束(9)反射到要被测量的钻孔(6)的环形截面上，以及其中

-所述截头锥形表面(4)的最小直径大于所述第一表面(3)的最大直径，以接收锥形束反射(10)并且朝所述成像单元(7)反射该锥形束反射(10)，以及

-其中，所述成像单元(7)被布置成从截头锥形表面反射(11)接收光学图像，以用于生成钻孔图像信息并且最终获得所述至少一个钻孔测量结果。

2.根据权利要求1所述的反射成像设备(1)，其中，所述反射组件(12)具有由包括锥形部分的上部和具有截头锥形配置的下部形成的单个本体。

3.根据权利要求2所述的反射成像设备(1)，其中，所述上部还包括在所述锥形部分下方的管状部分(27)，以及其中，所述管状部分(27)与所述锥形部分齐平。

4.根据前述权利要求中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述激光导引装置(2)包括用于导引所述激光束(24)的光纤(15)和用于包封所述光纤(15)的探针(16)，以及其中，所述探针的纵轴与所述测量轴(13)相匹配。

5.根据权利要求4所述的反射成像设备(1)，其中，所述第一锥形表面(3)装配在所述探针(16)的一个端部，以及其中，所述端部由半透明材料制成以使得所述锥形束(9)能够穿过。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述激光导引装置(2)在所述光纤(15)的输出处包括用于对所述激光束(24)进行准直的至少一个透镜(14)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述图像处理装置(26)被配置成根据所述钻孔图像信息计算所述钻孔(6)的直径。

8.根据前述权利要求中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述图像处理装置(26)被配置成根据所述钻孔图像信息计算所述钻孔(6)的圆柱度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述图像处理装置(26)被配置成根据所述钻孔图像信息计算所述钻孔(6)的椭圆度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的反射成像设备(1)，其中，所述成像单元(7)还包括被配置成显示所述钻孔图像信息的显示装置。

11.一种用于钻孔测量的反射成像系统，包括：

-根据权利要求1至10中任一项所述的反射成像设备(1)，

-激光源(5)，用于向所述反射成像设备(1)的激光导引装置(2)提供激光束(24)，

-扫描系统，适于沿所述测量轴(13)移动所述反射成像设备(1)。