CN112393688A - 一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法，包括机架组件、第一激光束测量及调校组件、第二激光束测量及调校组件、第三激光束测量及调校组件以及下位机系统。2.机架组件主要包括带轴顶盖、上固定架、中调节架、下固定架、中心柱、底部安装盘和顶盖固定螺钉组，其中带轴顶盖可同其它旋转设备连接；第一激光束测量及调校组件、第二激光束测量及调校组件、第三激光束测量及调校组件三者的结构完全相同，分别可实现第一激光束、第二激光束和第三激光束的位姿调节和固定；通过视觉采集装置和测头自身的激光位移传感器，并以现有数控机床的运动轴线和运动平面为基准，分步骤实现三激光束同面共点位姿调校。3.本发明在任意时刻都能采集空间三点的数据，在进行空间扫描测量时，可以提高测量精度，并具有非接触、易于集成等优点，调校方法简单、易于操作，开发成本较低。

Description

一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法

技术领域

本发明属于激光非接触式几何量精密测量技术领域，尤其涉及一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法。

背景技术

基于激光三角法制成的点激光传感器具有结构简单、使用方便的特点，自身精度也能达到甚至突破微米量级，达到亚微米级，是一种提高制造质量和效率的较为理想的测量工具。目前这种传感器多采取扫描的方式进行，这必然会引入扫描动作的运动误差，如回转时的径向跳动，直线进给时的直线度误差等。这些误差有可能比精密零部件本身的制造误差还大，因此限制了三角法激光传感器的使用范围。

在制作多激光位移传感器组合测头方面，合肥工业大学高隽教授课题组研制了一种旋转对称式激光三角传感器，能在扫描时克服所遇的表面阶跃、不连续纹理，同时降低在激光出射方向上的颤动对测量结果的影响，这种方式的局限性体现在没有消减整个被测面上的运动误差；CN2013102463836公开了一种激光测量装置及其校准机构，安装着相对的两个激光位移传感器，这种激光对射的测量方式，有外径千分尺的测量优点，适合在测头静止的测量场合，但无法适应测头扫描场合。CN2018102599415公开了一种双量程复合的激光测头装置及其表面测量方法，可以在扩大激光测头的量程时，保证激光三角传感器的检测精度不受影响，但也没有考虑运动误差对测量结果的影响；CN20171444160264公开了一种多激光测头同步检测的方法，能解决多个同向排列的激光位移传感器的校准问题，但此时的多传感器并不是针对同一测量要素在使用，因此扫描测量时仍然存在运动误差的影响。

综上，目前研制的多数激光测头对扫描运动误差的考虑较少或者没有考虑，如若执行扫描测量动作，将影响检测结果，降低测量精度，因而限制了激光位移传感器的推广使用。

发明内容

为克服上述技术的不足，本发明的目的是在于提供一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法，该装置具有操作方便，易于与旋转设备集成，并且能降低旋转设备运动误差所造成的影响，调校方法以常用高精度机床的运动平面为基准，精度较高，成本较低。

一方面，本发明提供了一种三激光组合测头，包括机架组件100；第一激光束测量及调校组件200；第二激光束测量及调校组件300；第三激光束测量及调校组件400和下位机系统。

机架组件是所有其他部件连接的基体，包括带轴顶盖101；上固定架102；中调节架103；下固定架104；中心柱105；底部安装盘106；顶盖固定螺钉组10；上固定架102；中调节架103和下固定架104三者的中间均设置了中心孔，与中心柱105进行过盈配合；带轴顶盖101可同其它旋转设备连接，即通过顶盖固定螺钉组107带动整个测头旋转。

第一激光束测量及调校组件200、第二激光束测量及调校组件300和第三激光束测量及调校组件400三者的结构相同，分别实现第一激光束601、第二激光束602和第三激光束603的位姿调节和固定，并且呈120度均匀安装在机架组件上。

第一激光束测量及调校组件200包括小型万向节201、螺纹顶杆202、顶套203、传感器安装板204、第一激光位移传感器205、第一下部紧定螺钉组206、第一中部复位弹簧207、第一中部调节螺钉208、第一上部紧定螺钉组209、第二上部紧定螺钉组210、第二中部调节螺钉211、第二中部复位弹簧212、传感器固定螺钉组213、以及第一下部紧定螺钉组214。第一激光位移传感器205通过传感器固定螺钉组213安装在传感器安装板204上，使传感器安装板204成为承受调节和固定的受载体。

由于初始安装时，无法确保第一激光束601、第二激光束602和第三激光束603三者在同一平面，且相交于同一点，需要利用第一中部复位弹簧207、第一中部调节螺钉208、第二中部调节螺钉211和第二中部复位弹簧212进行空间二轴旋转，调节激光束的姿态；以及通过螺纹顶杆202和顶套203进行竖直方向的平移，调节激光束的位置。在调节后，可通过第一下部紧定螺钉组206、第一上部紧定螺钉组209、第二上部紧定螺钉组210和第一下部紧定螺钉组214进行固定，以便调节后激光束的位姿状态始终保持不变。

所述下位机系统负责实时采集三路测量数据、并进行处理和传输，主要包括单片机控制板501、控制板安装座502、数据天线503、天线安装座504、锂电池505、电池安装座506。

进一步地，带轴顶盖101可同其它旋转设备连接，通过顶盖固定螺钉组107带动整个测头旋转。

进一步地，上固定架102、中调节架103和下固定架104均为三叉形结构，并且安装时，三叉形结构需对齐。

进一步地，中心柱105的中部为正六边形凸起结构，以便利用扳手进行竖直方法的调节。

另一方面，本发明提供了上述装置中三激光束同面共点的调校方法，将上述装置的带轴顶盖101与高精度数控机床的主轴701相连，并将光斑视觉测量装置801置于数控机床载物台702上；

第一步：三激光束平行调节，第一激光束601出射在光斑视觉测量装置801的靶面上，记录光斑的重心坐标后，数控机床驱动载物台702沿Y轴方向移动一定距离，记录第一激光束601的重心，计算两次光斑重心的Z轴距离偏差，与Y向移动距离相除，获取第一激光束601的俯仰角正切值，并通过第二中部调节螺钉211调节俯仰姿态，消除第一激光束601的俯仰角偏差，再利用光斑视觉测量装置801重复测量第一激光束601的俯仰角偏差，若该值为0，即调整到位，若不为0，则继续调节，直至俯仰角偏差为0。旋转主轴（701）120°或240°，利用上述操作，对第二激光束、第三激光束的俯仰姿态进行调节，当三束激光的俯仰角偏差均为0时，说明三者平行；

第二步：三激光束共面调节，利用光斑视觉测量装置801对三束激光的光斑重心坐标进行测量，计算三者之间在Z轴方向上的偏差值，利用第一激光束601下方的螺纹顶杆202、第二激光束下方的螺纹顶杆302、第三激光束下方的螺纹顶杆402沿Z轴方向调节，消除三者在Z轴方向的偏差值，再次对对三束激光的光斑重心坐标进行测量，若重心坐标中Z值均相等，即说明共面调整到位，若不相等，则继续调节；

第三步：三激光束共点调节, 第一激光束601出射在光斑视觉测量装置801的靶面上，所述第一激光位移传感器205可测量出靶面同激光出射点的距离，旋转主轴701并使第一激光束601始终落在靶面范围内，观察第一激光位移传感器205的输出值变化，当输出值最小时，主轴701停止旋转，此后调节第一中部调节螺钉208，第一激光位移传感器205的输出值又一次变化，当第一激光位移传感器205的输出值的再一次最小时，采用第一上部紧定螺钉组209和第一下部紧定螺钉组206固定，此时，第一激光束601与主轴701的回转轴线相交，旋转主轴701达120°或240°，利用上述操作，使得第二激光束、第三激光束的也同主轴701的回转轴线相交，说明三激光束共点。

本发明的有益效果包括：在对圆孔类零件进行静态测量时，三束激光能同时测量圆孔表面的三点，理论上一次能获取圆孔直径；在对圆孔类零件进行动态扫描测量时，理论上可以消除扫描时跳动误差的影响，提高测量精度；三激光束同面共点调校方法简单、易于操作，可在常用的数控机床和视觉检测装置的辅助下完成，调校成本低。本发明结构小巧紧凑，便于安装，适合对大中型孔系零件的在机测量。

附图说明

图1是一种三激光组合测头示意图；

图2是机架部件示意图；

图3是单激光传感器组装局部图（右、前方向）；

图4是单激光传感器组装局部图（左、后方向）；

图5是三激光束同面共点调校示意图。

图中：100.机架组件、200.第一激光束测量及调校组件、300. 第二激光束测量及调校组件、400. 第三激光束测量及调校组件、101.带轴顶盖、102. 上固定架、103.中调节架、104. 下固定架、105.中心柱、106. 底部安装盘、107. 顶盖固定螺钉组、 201.小型万向节、202.螺纹顶杆、203.顶套、204.传感器安装板、205.第一激光位移传感器、206.第一下部紧定螺钉组、207.第一中部复位弹簧、208.第一中部调节螺钉、209.第一上部紧定螺钉组、210.第二上部紧定螺钉组、211.第二中部调节螺钉、212.第二中部复位弹簧、213. 传感器固定螺钉组、214.第一下部紧定螺钉组、501.控制板安装座、502.单片机控制板、503.数据天线、504.天线安装座、505.锂电池、506.电池安装座、601.第一激光束、602.第二激光束、603.第三激光束、701.数控机床主轴、702.数控机床载物台、801.光斑视觉测量装置、802.光斑视觉检测装置安装座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

参考图1~图5，一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法，包括机架组件100；第一激光束测量及调校组件200；第二激光束测量及调校组件300；第三激光束测量及调校组件400和下位机系统。

机架组件是所有其他部件连接的基体，包括带轴顶盖101；上固定架102；中调节架103；下固定架104；中心柱105；底部安装盘106；顶盖固定螺钉组10；上固定架102；中调节架103和下固定架104三者的中间均设置了中心孔，与中心柱105进行过盈配合；带轴顶盖101可同其它旋转设备连接，即通过顶盖固定螺钉组107带动整个测头旋转。

第一激光束测量及调校组件200、第二激光束测量及调校组件300和第三激光束测量及调校组件400三者的结构相同，分别实现第一激光束601、第二激光束602和第三激光束603的位姿调节和固定，并且呈120度均匀安装在机架组件上。

参考图3和图4，第一激光束测量及调校组件200包括小型万向节201、螺纹顶杆202、顶套203、传感器安装板204、第一激光位移传感器205、第一下部紧定螺钉组206、第一中部复位弹簧207、第一中部调节螺钉208、第一上部紧定螺钉组209、第二上部紧定螺钉组210、第二中部调节螺钉211、第二中部复位弹簧212、传感器固定螺钉组213、以及第一下部紧定螺钉组214。第一激光位移传感器205通过传感器固定螺钉组213安装在传感器安装板204上，使传感器安装板204成为承受调节和固定的受载体。

由于初始安装时，无法确保第一激光束601、第二激光束602和第三激光束603三者在同一平面，且相交于同一点，需要利用第一中部复位弹簧207、第一中部调节螺钉208、第二中部调节螺钉211和第二中部复位弹簧212进行空间二轴旋转，调节激光束的姿态；以及通过螺纹顶杆202和顶套203进行竖直方向的平移，调节激光束的位置。在调节后，可通过第一下部紧定螺钉组206、第一上部紧定螺钉组209、第二上部紧定螺钉组210和第一下部紧定螺钉组214进行固定，以便调节后激光束的位姿状态始终保持不变。

所述下位机系统负责实时采集三路传感器的测量数据，并能进行简单处理和无线传输数据至上一级的处理系统，以便进行进一步的处理和显示。所述下位机系统主要包括单片机控制板501、控制板安装座502、数据天线503、天线安装座504、锂电池505、电池安装座506。

参考图5，将上述装置的带轴顶盖101与高精度数控机床的主轴701相连，并将光斑视觉测量装置801置于数控机床载物台702上。

第一步：三激光束平行调节，第一激光束601出射在光斑视觉测量装置801的靶面上，记录光斑的重心坐标后，数控机床驱动载物台702沿Y轴方向移动一定距离，记录第一激光束601的重心，计算两次光斑重心的Z轴距离偏差，与Y向移动距离相除，获取第一激光束601的俯仰角正切值，并通过第二中部调节螺钉211调节俯仰姿态，消除第一激光束601的俯仰角偏差，再利用光斑视觉测量装置801重复测量第一激光束601的俯仰角偏差，若该值为0，即调整到位，若不为0，则继续调节，直至俯仰角偏差为0。旋转主轴（701）120°或240°，利用上述操作，对第二激光束、第三激光束的俯仰姿态进行调节，当三束激光的俯仰角偏差均为0时，说明三者平行。

第二步：三激光束共面调节，利用光斑视觉测量装置801对三束激光的光斑重心坐标进行测量，计算三者之间在Z轴方向上的偏差值，利用第一激光束601下方的螺纹顶杆202、第二激光束下方的螺纹顶杆302、第三激光束下方的螺纹顶杆402沿Z轴方向调节，消除三者在Z轴方向的偏差值，再次对对三束激光的光斑重心坐标进行测量，若重心坐标中Z值均相等，即说明共面调整到位，若不相等，则继续调节。

第三步：三激光束共点调节, 第一激光束601出射在光斑视觉测量装置801的靶面上，所述第一激光位移传感器205可测量出靶面同激光出射点的距离，旋转主轴701并使第一激光束601始终落在靶面范围内，观察第一激光位移传感器205的输出值变化，当输出值最小时，主轴701停止旋转，此后调节第一中部调节螺钉208，第一激光位移传感器205的输出值又一次变化，当第一激光位移传感器205的输出值的再一次最小时，采用第一上部紧定螺钉组209和第一下部紧定螺钉组206固定，此时，第一激光束601与主轴701的回转轴线相交，旋转主轴701达120°或240°，利用上述操作，使得第二激光束、第三激光束的也同主轴701的回转轴线相交，说明三激光束共点。

作为本发明的优选方式，带轴顶盖101可同其它旋转设备连接，通过顶盖固定螺钉组107带动整个测头旋转。

作为本发明的优选方式，上固定架102、中调节架103和下固定架104均为三叉形结构，并且安装时，三叉形结构需对齐。

作为本发明的优选方式，中心柱105的中部为正六边形凸起结构，以便利用扳手进行竖直方法的调节。

作为本发明的优选方式，控制板安装座502、天线安装座504、和电池安装座506呈120度均匀固定在底部安装盘106上。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.本发明公开了一种三激光组合测头及光束同面共点调校方法，包括机架组件、第一激光束测量及调校组件、第二激光束测量及调校组件、第三激光束测量及调校组件以及下位机系统。

2.机架组件主要包括带轴顶盖、上固定架、中调节架、 下固定架、中心柱、 底部安装盘和顶盖固定螺钉组，其中带轴顶盖可同其它旋转设备连接；第一激光束测量及调校组件、第二激光束测量及调校组件、第三激光束测量及调校组件三者的结构完全相同，分别可实现第一激光束、第二激光束和第三激光束的位姿调节和固定；通过视觉采集装置和测头自身的激光位移传感器，并以现有数控机床的运动轴线和运动平面为基准，分步骤实现三激光束同面共点位姿调校。

3.本发明在任意时刻都能采集空间三点的数据，在进行空间扫描测量时，可以提高测量精度，并具有非接触、易于集成等优点，调校方法简单、易于操作，开发成本较低。

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