CN101403603A - 基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置及方法，属于工业大尺寸几何量测量技术领域。所述测量装置包括激光测距仪、机械转台机构、伺服控制系统。主要由底座、底座下端的底角螺丝、上端的支撑框架、支撑框架上连接的伺服电机、转动中心轴、载物平台，以及激光测距仪构成。激光测距仪在伺服控制系统的控制下在水平面内转动并能实现任意的快速准确定位。测量方法包括：待测工件端点的确定；直线型工件长度测量；圆环工件内径拟合测量。该装置结构简单、成本低、实验操作方便，测量速度快，测量精度满足工业大尺寸测量要求。

Description

基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工业大尺寸几何量测量技术，特别是一种基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置及方法，具体是一种基于激光测距和蓝牙传输的极坐标式二维大尺寸扫描测量装置。

背景技术

在大型机械装备的制造及装配过程中，大型工件的几何尺寸和形位误差的测量是保证整套设备质量的关键因素。随着工业的迅猛发展和制造水平的提高，航空航天、造船、石油天然气储运和汽车等领域大量需要进行大尺寸测量。例如，在先进制造业中，船舶、飞机、导弹、油罐和航天器等常采用分段建造、装配成整体的加工方法，这就需要严格控制配合面的几何尺寸及形状，对测量技术和测量设备提出了高新要求，从而使得大尺寸测量研究具有重要意义。

目前对于大尺寸测量最常见的仪器与方法有：三坐标测量机、经纬仪测量系统、全站仪测量系统、视觉测量系统和激光跟踪测量系统等。三坐标测量机属于接触式测量方式，测量范围有限和对测量环境要求高以及不便携。经纬仪测量系统需要两台或两台以上共同合作，采用人眼瞄准目标，逐点测量，测量速度慢与自动化程度不高。全站仪和激光跟踪测量系统必须要合作目标才能测距，无法直接测量目标点，往往给测量带来诸多不便。此外这些测量仪器装置普遍体积大，成本高，在实用化方面存在不足，不利于大范围普及推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置及方法，该装置结构简单、操作方便、测量精度高、成本低，是工业大尺寸测量的有效手段之一，对于完善大尺寸测量具有十分重要的意义，可以满足工业制造与生产的需要。

本发明提供的一种基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置包括：

激光测距仪，用于非接触大尺寸测量和测量数据的蓝牙传输；

机械转台机构，用于进行机械转台水平位置调整；和

伺服控制装置，用于控制电机的转动。

所述的激光测距仪由非接触大尺寸测量和测量数据蓝牙传输功能部件组成。激光测距仪上设计有安装螺纹，通过载物平台中心处安装的螺栓将激光测距仪固定在载物平台表面。同时测距仪左右两侧固定挡板，确保测距仪安装位置稳定。

所述的机械转台机构包括：矩形底座，底座下端对称地安装有四个底角螺丝，用于进行机械转台水平位置调整。底座上端通过紧定螺钉连接转台支撑框架，支撑框架上端上下表面各固定一个法兰，两法兰通过螺栓穿过支撑框架紧固。下端法兰通过螺栓与伺服电机端法兰连接。上端法兰内部安装有轴承和垂直方向转动中心轴，轴输入端通过套筒联轴器与电机输出轴连接。轴输出端中心有一圆形凹槽，与安装在其顶部的载物平台下端配合，并通过螺栓再次固定。所述的套筒联轴器由圆柱形套筒以及两端用来联接套筒与轴的键和紧定螺钉组成，同时使用键和螺钉固定，以充分减小间隙，保证传动平稳。所述的载物平台为圆形且圆心在中心轴轴线上，激光测距仪安装螺纹在平台圆心处，测量时将螺纹中心设为测量基点，测量基点也在中心轴轴线上。

所述的伺服控制装置包括运动控制器、伺服电机、电机驱动器以及外围线路连接等。

运动控制器接受来自计算机的应用程序，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向电机驱动器发出相应的运动指令，并以此为给定值控制电机的转动，进而通过中心轴带动激光测距仪在水平面内实现360度自由旋转，角度分辨率为0.036度。有效测距范围可以达到200米。

本发明提供的基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量的方法包括以下步骤：

1)待测工件端点的确定：

对于直线型或其他有端点工件的尺寸测量，为保障测量精度，准确获得端点处对应的距离和角度信息尤为关键。但是由于激光光斑一般为矩形，具有一定尺寸，精确测量到端点边缘是不可能的，只有尽可能趋近。首先研究光斑落在被测工件的情况与所测得距离的关系。将被测对象90mm标准量块固定在手动三维位移台上，同时后面放置100mm量块接收当光斑射出边缘时的信号，两量块平行放置，之间用双面胶相隔，以此判断激光光斑有效位置。调整位移台高度使测距仪激光入射到量块端面附近。保持测距仪静止，对量块进行微小移动，并使光斑逐渐远离量块。从激光光斑宽度、长度两方向分别进行观察，记录每次光斑位置、测量距离和光斑情况。同时将距离发生突变的临界点视为工件端点。实际测量时，工件位置固定，测距仪在电机带动下旋转，使激光逐渐入射到端面，同样以距离发生突变的临界点为工件端点，此时对应角度和距离为端点信息。

2)大尺寸工件测量试验：

直线型工件长度测量：

水平放置被测工件，并通过调整底座下端四个底角螺丝调节机械转台机构高度使激光入射到其表面，同时通过观察测距仪上一体化水泡调整测距仪水平。经步骤1)确定工件一端点，测量测距仪基准点到该端点距离，该值通过蓝牙传输到计算机并显示到界面。为保证激光不射出工件表面，根据估计值从界面输入一转角值以及其他运动参数，运动控制器接受来自计算机的应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向伺服驱动器发出相应的运动指令，并以此为给定值控制电机的转动，进而通过中心轴带动激光测距仪在水平面内旋转。当激光接近另一端面时减小转角，同样经步骤1)确定出工件另一端点，测量测距仪基准点到该端点距离，该值以及对应转过的角度会显示在界面上。根据余弦定理，利用测量应用程序进行数据处理后，即可获得被测工件尺寸信息。

圆环工件内径拟合：

将待测圆环工件放置水平，激光测距仪置于圆环内部，调整底座下端四个底角螺丝从而调节机械转台机构高度使激光入射到其表面，同时通过观察测距仪上一体化水泡调整测距仪水平。以工件内表面任一点为测量起点，测量测距仪基准点到该端点距离，对应角度设为0。如图3测量原理图所示，在电机的带动下从该点开始，每转过一定角度到达第k点后进行测量，测量距离ρ_k、转角α_k同时显示在软件界面上，则k点极坐标为(α_k，ρ_k)，转化到直角坐标系为(ρ_k*cosα_k，ρ_k*sinα_k)。其中，测量距离ρ_k范围为0.05m～200m，转角α_k范围为0～360°。以小转角扫描测量整个工件，得到n组测量点，根据最小二乘拟合原理，利用测量应用程序进行数据处理后，即可获得工件内径。

本发明的优点在于：实验装置结构简单、成本低、实验操作方便、测量速度快，且为非接触测量，随着更高精度的激光测距仪的出现，该方法的测量精度也会得到改善。

附图说明

图1是本发明测量装置的机械转台机构装配图。

图2是本发明测量装置的测量控制系统结构图。

图3是本发明测量装置的测量原理图。

图4是本发明测量装置的测量应用程序流程图。

图5是本发明测量应用程序的运行框图。

图6是本发明测量装置的测量应用程序定位控制界面。

图7是本发明测量装置的测量应用程序测量数据界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图1所示，1-底座，2-底角螺丝，3-紧定螺钉，4-伺服电机，5-下端法兰，6-套筒联轴器，7-中心轴，8-上端法兰，9-载物平台，10-激光测距仪，11-挡板，12-螺栓，13-轴承，14-螺栓，15-支撑框架，16-螺栓，17-运动控制器，18-电机驱动器。

激光测距仪10具有非接触大尺寸测量和测量数据蓝牙传输功能。

机械转台机构包括矩形底座1，底座下端对称地安装有四个底角螺丝2，用于进行机械转台水平位置调整。底座上端通过紧定螺钉3连接转台支撑框架15，支撑框架上端上下表面各固定一个法兰，两法兰通过螺栓14穿过支撑框架紧固。下端法兰5通过螺栓16与伺服电机4端法兰连接。上端法兰8内部安装有轴承13和垂直方向转动中心轴7，轴输入端通过套筒联轴器6与电机输出轴连接。轴输出端中心有一圆形凹槽，与安装在其顶部的载物平台9下端配合，并通过螺栓12再次固定。激光测距仪上设计有安装螺纹，通过载物平台中心处安装的螺栓将激光测距仪固定在载物平台表面。同时测距仪左右两侧固定挡板11，确保测距仪安装位置稳定。伺服控制系统包括运动控制器17、伺服电机、电机驱动器18以及外围线路等。运动控制器接受来自计算机的应用程序，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向电机驱动器发出相应的运动指令，并以此为给定值控制电机的转动，进而通过中心轴带动激光测距仪在水平面内实现360度自由旋转，角度分辨率为0.036度。有效测距范围可以达到200米。

测量应用程序主要包括的步骤为：激光测距仪与主机间数据通信、电机定位控制、测距仪测量控制，测量距离及角度显示，测量数据处理，数据及结果保存，具体流程图如图4所示。

如图5、图6和图7所示，测量方法描述如下：

实验进行之前将待测工件放置水平，打开激光测距仪，设置测距基准点为安装螺纹处，并且调整底座下端四个底角螺丝从而调节机械转台机构高度使激光能够入射到其表面，与此同时通过观察激光测距仪上一体化水泡调整测距仪水平。打开测距仪上蓝牙按钮，将蓝牙适配器通过USB接口与计算机相连，待计算机识别完成以后，运行测量应用程序，点击菜单中“测量”项，进入计算机控制界面。点击打开界面第一页“定位控制”，如图6所示，即可开始测量。对于涉及到有端点测量的工件，首先可以手动转动测距仪，使激光光斑逐渐靠近端面，并测量对应距离，视距离发生突变的临界点为端点并取该点为测量起始点；对于不涉及端点测量的情况，此步省略，可以以任意点为测量起始点。确定起始点后，点击“伺服开启”，此时激光测距仪位置锁定，测距基准点即为极坐标系极点，激光方向取为极轴。保持“目标位置”、“目标速度”和“加速度”初始零值，点击“梯形运动”，此时运动控制器接受来自计算机的应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向伺服驱动器发出相应的运动指令，并以此控制电机转动，进而通过中心轴带动激光测距仪旋转，由于此时各参数均为零，电机不转动，但测距仪发出测距指令，测得端点对应距离ρ，并显示在“接收数据”一栏。其中“目标位置”代表测距仪即极轴转过角度，数值表示大小，正负代表方向，此时转角为0，同时会自动显示在角度一栏。该次测量完成后，改变“目标位置”、“目标速度”和“加速度”三个运动参数，点击“梯形运动”使测距仪转动一定角度后再次测量，对应距离和转角会显示到对应一栏中，且自动置于上次数据之下。重复上述操作，对工件进行多点测量，得到多组坐标值。对于涉及到有端点测量的工件，另一端点的测量和第一个端点类似，只是变为依靠电机带动测距仪寻找端点。对于不涉及端点测量的情况，如圆环内径测量，一般完成360度测量即可。测量完成后，点击“伺服关闭”关闭伺服使能信号。

点击界面第二页“测量数据”如图7所示。点击“导入数据”将测量数据导入列表中，如果想对部分数据进行处理可利用“删除此行数据”将其它数据删除，再通过依次点击“坐标计算”、“直线分析”或“最小二乘圆拟合”以及“文本导出”，可以快速得到测量数据并保存到文本中。

应用实施例：

将激光测距仪置于800mm标准宽座角尺前端约910mm处，打开激光测距仪，设置测距基准点为安装螺纹处，并且调整底座下端四个底角螺丝从而调节机械转台机构高度使激光能够入射到其表面，与此同时通过观察激光测距仪上一体化水泡调整测距仪水平。打开测距仪蓝牙按钮，将蓝牙适配器通过USB接口与计算机相连。运行测量应用程序，点击菜单中“测量”项，进入计算机控制界面。打开界面第一页“定位控制”如图6所示，即可开始测量。首先手动转动测距仪，使激光光斑逐渐向右靠近角尺右端面，并测量对应距离，视距离发生突变的临界点为右端点并取该点为测量起始点，点击“伺服开启”，此时激光测距仪位置锁定。保持“目标位置”、“目标速度”和“加速度”初始零值，点击“梯形运动”，由于此时各参数均为零，电机不转动，测得端点对应距离ρ，并显示在“接收数据”一栏，此时转角为0，同时会自动显示在角度一栏。该次测量完成后，在“目标位置”、“目标速度”和“加速度”对应位置分别输入50、10、0.1，即设定以角加速度0.0036°/(ms)²、角速度0.36°/ms运动到离起始点1.8°位置。点击“梯形运动”，测距仪即会转到此目标位置后再次测量，对应距离和转角会显示到对应一栏中，且自动置于上次数据之下。保持“目标速度”和“加速度”不变，以50递增改变“目标位置”，点击“梯形运动”对工件进行多点测量，得到多组距离及角度。接近角尺左端面时，减小“目标位置”变化幅度，使激光逐渐向左靠近左端面，测量对应距离及角度，视距离发生突变的临界点为左端点并取该点为测量终点。测量完成后，关闭伺服使能信号。点击界面第二页“测量数据”如图7所示。点击“导入数据”，所有测量距离及角度倒入到表格第二、三列；点击“坐标计算”，所得各点坐标显示在第四列；点击“直线分析”，得到角尺长度804.8mm，与角尺真值800mm相差4.08mm，基本满足大尺寸测量精度要求；点击“文本导出”保存该次测量的所有数据及分析结果。

Claims (7)

1、一种基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置，其特征在于它包括：

激光测距仪，用于非接触大尺寸测量和测量数据的蓝牙传输；

机械转台机构，用于进行机械转台水平位置调整；以及

伺服控制装置，用于控制电机的转动。

2、按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的激光测距仪由非接触大尺寸测量和测量数据蓝牙传输功能部件组成，激光测距仪上设计有安装螺纹，通过载物平台中心处安装的螺栓将激光测距仪固定在载物平台表面，同时测距仪左右两侧固定挡板，确保测距仪安装位置稳定。

3、按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的机械转台机构包括：矩形底座，底座下端对称地安装有四个底角螺丝，用于进行机械转台水平位置调整；底座上端通过紧定螺钉连接转台支撑框架，支撑框架上端上下表面各固定一个法兰，两法兰通过螺栓穿过支撑框架紧固；下端法兰通过螺栓与伺服电机端法兰连接；上端法兰内部安装有轴承和垂直方向转动中心轴，轴输入端通过套筒联轴器与电机输出轴连接；轴输出端中心有一圆形凹槽，与安装在其顶部的载物平台下端配合，并通过螺栓再次固定。

4、按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的伺服控制装置包括运动控制器、伺服电机、电机驱动器以及外围线路连接；运动控制器接受来自计算机的应用程序，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划，向电机驱动器发出相应的运动指令，并以此为给定值控制电机的转动，进而通过中心轴带动激光测距仪在水平面内实现360度自由旋转。

5、按照权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述的套筒联轴器由圆柱形套筒以及两端用来联接套筒与轴的键和紧定螺钉组成，同时使用键和螺钉固定，以充分减小间隙，保证传动平稳。

6、按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的载物平台为圆形且圆心在中心轴轴线上，激光测距仪安装螺纹在平台圆心处，测量时将螺纹中心设为测量基点，测量基点也在中心轴轴线上。

7、一种利用权利要求1所述的基于激光测距和蓝牙传输的大尺寸扫描测量装置进行扫描测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)工件端点光斑分析试验：

将被测对象固定在手动三维位移台上，调整位移台高度使测距仪激光入射到物体端面附近，激光测距仪激光光斑为矩形，测量时测距仪不动，对测量对象进行微小移动，从激光光斑宽度、长度两方向分别进行观察，记录每次光斑位置、测量距离和光斑情况，并以90mm标准量块为测量对象，同时后面放置100mm量块接收当光斑射出边缘时的信号，两量块平行放置，之间用双面胶相隔，以此判断激光光斑有效位置；

2)大尺寸工件测量试验：

水平放置被测工件，并与激光测距仪同高，运行测量应用程序，点击“伺服开启”，此时激光测距仪的测距基准点即为极坐标系极点，通过程序界面输入运动参数，控制测距仪转角及转动方向，待转动到目标位置，自动测量测距基准点到目标点k距离ρ_k，并显示在界面相应位置，对应转角α_k同时显示在软件界面上，则k点极坐标为(α_k，ρ_k)，转化到直角坐标系为(ρ_k*cosα_k，ρ_k*sinα_k)；以小转角扫描测量整个工件，得到n组测量点，利用数据处理得到工件几何信息。

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