CN101836073A - 用于光学检测零件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于光学检测零件的方法和系统。该方法包括沿测量轴支撑零件的步骤。该方法包括用一系列间隔开的辐射平面扫描零件，使得零件沿轴以间隔开的位置阻挡辐射平面中的每一个，以产生辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分。无阻挡平面部分中的每一个包含代表零件的相应的几何尺寸的辐射的量。该方法还包括测量存在于无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量，以获得测量信号。该方法包括处理测量信号以获得原始数据。该方法还包括提供校准数据并处理校准数据和原始数据以获得零件的测量结果。

Description

用于光学检测零件的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请和与本申请在同一天提交的下列共同拥有的美国专利申请相关。

1)Method for Estimating Thread Parameters of a Part(用于估算零件的螺纹参数的方法)(代理人案号GINS 0122 PUS)；

2)Optical Modules and Method of Precisely Assembling Same(光学模块和精确装配光学模块的方法)(代理人案号GINS 0123 PUS)；

3)Method and Inspection Head Apparatus for Optically MeasuringGeometric Dimensions of a Part(用于光学测量零件的几何尺寸的方法和检测头装置)(代理人案号GINS 0124 PUS)；

4)Apparatus for Quickly Retaining and Releasing Parts to be OpticallyMeasured(用于快速保持和释放待光学测量的零件的装置)(代理人案号GINS 0125 PUS)；

5)Calibration Device for Use in a Optical Part Measuring System(用于光学零件测量系统中的校准设备)(代理人案号GINS 0126 PUS)；以及

6)Method and System for Generating Calibration Data For Use InCalibrating A Part Inspection System(用于产生用于校准零件检验系统的校准数据的方法和系统)(代理人案号GINS 0127 PUS)。

发明背景

发明领域

本发明涉及用于光学检测零件的方法和系统。

背景技术

传统的手动测量设备和技术在某种程度上已经被自动的检查方法和系统所取代。然而，这些自动的检查方法和系统仍将具有多个与其关联的缺点。

WO 2005/022076公开了多个光线产生器(72)，其产生相交于待检查的零件(14)的相关光束(26)。每个光束(26)用由零件(14)遮蔽的光线照亮零件(14)的至少一侧，且提供有至少三个光响应感测器(104)，用于响应于零件(14)的至少一侧的相应侧上的相应光线的遮蔽而产生信号(24)。每个光响应感测器响应于不同方位角位置处的遮蔽。处理器(28)分析信号(24)，该信号(24)与零件(14)从移动(18)或位置感测器的相对位置的测量相关。零件(14)可以从夹子(52)释放，以通过光束(26)下降，或光束(26)可以相对于零件(14)移动。

美国专利号6,313,948公开了一种光学束流成形器，其用于生产具有光源的零件检查系统中使用的相同片光，该成形器包括相干光产生器、衍射束成形器和透镜元件。

美国专利号6,285,031公开了一种检查系统，其用于评估符合构造标准的旋转地对称的工件。该系统具有用于引起工件通过测试部分平移的轨迹。测试部分包括多个电磁能源。多个电磁能源相对于轨迹定向，使得工件在经过测试部分时遮蔽多个电磁能源。测试部分进一步具有：电磁能检测器，该电磁能检测器用于接收电磁能以提供输出信号，该输出信号与在电磁能检测器中发生的遮蔽电磁能的强度有关；和信号处理器，该信号处理器用于接收和处理输出信号。

美国专利号6,252,661公开了一种检查系统，其用于评估符合构造标准的工件。该系统包括用于引起工件通过测试部分平移的轨迹。测试部分包括产生相同片光的光源。光源关于轨迹定向，使得工件在经过测试部分时遮蔽相同片光。测试部分还具有：视频系统，其用于接收遮蔽的相同片光并提供输出信号，该输出信号与视频系统上发生的遮蔽的相同片光的强度相关；和信号处理器，其用于接收和处理输出信号。

美国专利号6,959,108公开了一种检查系统，其中待检查的工件被连续地且自动地发出，以无支持地经过多个照相机的观察域。当工件经过照相机的观察域时，感测器被激活，其与计算机系统通信以激活照相机来捕捉工件的无阻挡的图像或图像数据。图像数据然后被计算机程序分析，以校验该图像数据是否指示工件不符合已建立的标准并因此被认为有缺陷。如果图像不符合已建立的标准，则工件被拒接并与未被识别为有缺陷的工件隔离。

美国专利号5,608,530公开了一种激光器，其用于产生辐射束流，该辐射束流随后通过使用平光柱体透镜在横截面尺寸上是精制的。精制的辐射束流落射到待测零件上。无阻挡的束流部分然后被一对反射面分成两半，其产生非平行辐射束流。各个所得的束流包含已通过零件的发射状的相对半的无阻挡的辐射部分。然后，测量存在于各个非平行辐射束流中的辐射的量级。

美国专利号4,831,251公开了一种光学设备，其用于通过螺钉螺纹牙形的用左手或右手的习惯来识别带螺纹工件。该设备提出一对光束，其在有角度地移动位置处总体上相切于工件经过。光束被入射以跟随工件的给定的用左手或右手的习惯的螺旋方向。一旦工件轴向行进通过设备，光探测器的间歇输出指示螺纹的用左手或右手的习惯匹配光束的倾斜。然而，相对地带螺纹的工件提供总体上常量的直流(DC)输出。有了适当的信号处理电子设备，提供了用于通过螺纹用左手或右手的习惯来识别工件的自动系统。

美国专利号5,383,021公开了一种非接触检查系统，其能够评估工件的空间形成参数，以提供对生产中的零件的检查。该系统引起零件顺序地装载到倾斜的轨迹上，在该处它们通过测试部分。测试部分包括用于测量工件长度的长度检测排列，其包括产生片光的源，该片光定向在工件的纵向。零件的外形通过一个或多个光源被评价，该一个或多个光源也产生横向定向至零件纵轴的片光。为各个源提供有单通道光探测器，其提供各个片光被零件遮蔽程度的模拟输出。这些输出通过适当的信号处理硬件和软件被分析，以产生关于工件几何的长度和外形数据。

美国专利号5,568,263公开了一种非接触检查系统，其能够评估工件的空间形成参数，以提供对生产中的零件的检查。该系统引起零件顺序地装载到倾斜的轨迹上，在该处它们通过测试部分。测试部分包括用于测量工件长度的长度检测排列，其包括产生片光的源，该片光定向在工件的纵向。零件的外形通过一个或多个光源来评价，该一个或多个光源也产生横向定向至零件纵轴的片光。为各个光源提供有第一和第二对单通道光探测器，其提供各个片光被零件遮蔽程度的一对模拟输出，以及能够消除由点光源，例如激光光源产生的噪音或闪烁。这些输出通过适当的信号处理硬件和软件来分析，以产生关于工件几何的长度和外形数据。

美国专利号4,852,983公开了一种光学系统，其模拟参考面之间的光行进上的大距离上行进的光学影响。

美国专利申请公布号2005/0174567公开了一种系统，该系统确定零件中裂缝的存在。通过使用成像设备和照明源来确定裂缝的存在。零件沿着轨迹移动，在该处由位置感测器来感知以开始检查。照明源将片光射出至待检查的零件。由片光和零件的交点形成的线聚焦到成像设备。成像设备产生数字图像，该数字图像被分析，以确定零件中是否存在裂缝。

美国专利申请公布号2006/0236792公开了一种用于工件的检查站，包括输送机、用于旋转工件的机构及探测器。该输送机包括定位工件的固定设备，且输送机构造成以线性方式平移工件。诸如带的机构接合工件，从而使在固定设备中的工件旋转。探测器被构造成指示工件是否符合质量标准。为了便于在输送机平移工件时进行检查，探测器被连接到台，其中台被构造成与检查区域上的工件同步地移动该探测器。

美国专利号5,168,458和5,170,306公开了用于计量带螺纹紧固件以获得三叶参数的方法和系统。

涉及本发明的其他美国专利包括：4,315,688；4,598,998；4,644,394；4,852,983；4,906,098和5,521,707。

发明内容

本发明的目的是提供用于光学检测零件的方法和系统。

在执行本发明的上述目的和其他目的中，提供一种用于光学检测零件的方法。该方法包括沿测量轴支撑零件。该方法还包括用一系列间隔开的辐射平面扫描零件，使得零件沿轴以间隔开的位置阻挡辐射平面中的每一个，以产生辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分。无阻挡平面部分中的每一个包含代表零件的相应的几何尺寸的辐射的量。该方法还包括测量存在于无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量，以获得测量信号。该方法包括处理测量信号以获得原始数据。该方法还包括提供校准数据并处理校准数据和原始数据以获得零件的测量结果。

扫描的步骤可包括相对于零件线性地移动一系列间隔开的辐射平面的步骤。

进一步在执行本发明的上述目的和其他目的中，提供一种用于光学检测零件的系统。该系统包括用于沿测量轴支撑待检测的零件的支撑件。该系统还包括头装置，该头装置包括多个辐射源，该多个辐射源用于在零件处引导一系列间隔开的辐射平面，使得零件沿轴以间隔开的位置阻挡辐射平面中的每一个，以产生辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分。无阻挡平面部分中的每一个包含代表零件的相应的几何尺寸的辐射的量。头装置还包括多个接收器模块，以便测量在无阻挡平面部分中的每一个中存在的辐射的量来获得测量信号。该装置还包括可移动的台子系统(movablestage subsystem)，该可移动的台子系统耦合到头装置，以便使头装置相对于零件平移，使得间隔开的辐射平面扫描由支撑件支撑的零件。该装置包括信号处理器和存储器，信号处理器用于处理测量信号以获得原始数据，存储器用于储存校准数据。该装置还包括数据处理器，数据处理器用于处理校准数据和原始数据以获得零件的测量结果。

台子系统可使头装置相对于设备线性地移动。

平面部分的数量可以是辐射平面的数量的两倍。

辐射平面中的每一个可从相对于轴的不同的方位角方向来扫描零件。

辐射平面可具有相对于轴的基本上均匀的方位角间隔。

辐射平面中没有一个可以是共面的。

辐射平面可以是等间隔的。

辐射可以是激光辐射。

激光辐射可以是可见的。

由相同的辐射平面产生的无阻挡平面部分的相邻对可以是共面的。

提供的步骤可包括支撑具有中心轴和关于中心轴旋转对称的多个区域的校准设备的步骤。提供的步骤还可包括用一系列间隔开的辐射平面扫描设备，使得设备沿中心轴以间隔开的位置阻挡辐射平面中的每一个，以产生辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分。无阻挡平面部分中的每一个包含代表设备的相应的几何尺寸的辐射的量。提供的步骤还可包括以下步骤：测量存在于无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量，以获得设备测量信号；以及处理设备测量信号以获得校准数据。

进一步在执行本发明的上述目的和其他目的中，提供用于光学检测零件的系统。该系统包括支撑结构，该支撑结构用于沿测量轴以间隔开的位置支撑具有中心轴的校准设备和待检测的零件。该系统还可包括头装置，头装置包括多个辐射源，该多个辐射源用于在设备和零件处接连地引导一系列间隔开的辐射平面，使得设备和零件沿设备和零件的相应的轴以间隔开的位置阻挡辐射平面中的每一个，以产生辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分。无阻挡平面部分中的每一个包含代表设备或零件的相应的几何尺寸的辐射的量。头装置还包括多个接收器模块，以测量在无阻挡平面部分中的每一个中存在的辐射的量来获得设备和零件测量信号。该系统还包括可移动的台子系统，可移动的台子系统耦合到头装置，以便使头装置相对于设备和零件平移，使得间隔开的辐射平面扫描由支撑结构支撑的设备和零件。该系统包括信号处理器，信号处理器用于处理测量信号以获得原始数据和校准数据。该系统还包括数据处理器，数据处理器用于处理校准数据和原始数据以获得零件的测量结果。

轴基本上共轴。

从结合附图对执行本发明的最佳方式的以下详细描述中，本发明的上述目的和其他目的、特征及优点容易变得明显。

附图简述

图1是包括测量硬件的零件检验系统的示意性透视图；

图2是零件保持器基部(容器的侧板被移除)和上部工具单元的示意性侧视图，其中零件保持在该单元和与该零件共线安装的校准夹具或设备之间；

图3a是零件保持器基部的示意性透视图，其中该零件保持器基部具有支撑在其上的驱动转头(drive bit)和悬挂在其上的校准设备；

图3b是图3a的基部的顶部平面图；

图3c是沿着图3b的线3c-3c截取的截面图；

图4a是图3a的校准设备或锥体的侧视图；

图4b是图4a的锥体的顶部平面图；

图4c是沿着图4b的线4c-4c截取的截面图；

图5是光学头的顶部平面图，该光学头的顶部盖板被移除，以便提供光学头的内部视图；

图6是安全外壳的示意性透视图，该安全外壳可包围图1的基础测量硬件；

图7是图2的上部工具单元的部分横截面侧视图；

图8是图解了基础束线子系统部件的示意性方框图，其中，激光产生激光束，镜反射激光束，且光平面产生器模块产生激光光平面，该激光光平面被引导或投射到零件上；

图9是柱状零件的示意性透视图，该柱状零件被投射的激光光平面横切；

图10是各种位置测量系统部件与光学头的部分断开的示意图，该光学头被安装到台(stage)上，以在扫描校准设备或锥体之前与其一起移动；

图11是指校准锥体的开始边缘被扫描时产生的各种原始感测器信号的图；

图12是容纳在光学头内的各种激光发射器和接收器的示意性方框图；

图13是用带有各种切线影阴射线和点的多个激光光平面照亮的零件的示意性顶部平面图；

图14是带螺纹零件比如标准螺纹塞规(standard thread plug go gage)产生的感测器高度数据的图；

图15是带有各种使用区域的校准锥体轮廓的象征草图；

图16是示意性方框图，其图解了用校准数据处理后的原始感测器数据，以获得校准的感测器数据；

图17是叠加在图上的螺纹模型(thread model)，其图解了近似螺纹峰、谷和通过中径线与侧面线(flank line)的交叉所获得的交叉(crossing)；

图18是类似于图17的曲线图的曲线图，其中，图解了所选择的螺纹概念；

图19是单个牙形，其图解了螺纹侧面线、螺纹侧面线数据抽取区域和线位置(wire position)；

图20是示意性图，其图解了由带螺纹零件的一侧上的一对虚拟线中心定义的参考线和零件的相对侧上的单个线中心之间的3-点距离测量；

图21是虚拟线处于谷且描绘了中间数据的感测器高度数据的图表的屏幕抓图；

图22是图解了具有中间数据的放大的螺距的屏幕抓图；

图23是柱状零件的示意性顶部平面图，其中光束通过零件的完美反射表面以θ_反射＝2θ的角度来反射；

图24是从光平面散射光的零件的示意性顶部平面图，该散射光被光平面接收器孔狭缝所阻挡；

图25图解了校准夹具中使用的锥形形状(即，截头体)；

图26是类似于图15的草图的部分断开的草图，其示出了由校准锥体和各种支撑结构所产生的感测器信号的示意轮廓；

图27是图解了从完全打开估算区域中的数据计算得到的完全打开信号水平的草图；

图28是示出了图27的数据区域的曲线图；

图29是图解了锥体投射几何图的草图；

图30是α₁、α₂、α₃、α₄的草图，α₁、α₂、α₃、α₄是对于θ＝22.5、67.5、112.5、157.5度激光感测器系统

在y′-轴上的投影；正y′-轴是右感测器，而负y′-轴是左感测器方向；

图31是用于装配光学模块的调整夹具的示意性透视图；

图32是图解了相对非水平的激光束分布的图表；

图33是图解了相对平坦的激光束分布的图表；

图34是图解了相对准直的激光束分布的图表；

图35是图解了扭曲的一般矩形的激光束分布的图表；

图36是图解了非扭曲的一般矩形的激光束分布的图表；

图37是典型的发射器模块的分解透视图，该典型的发射器模块包括其发射器安装架和光学部件的支撑装置(supported set)；

图38是图37的发射器安装架的后视图；

图39是沿着图38的线39-39截取的发射器安装架的截面图；

图40是发射器安装架的顶部平面图；

图41是装配后的发射器模块的示意性透视图；

图42是装配后的发射器模块的前视图；

图43是沿着图42的线43-43截取的发射器模块的截面图；

图44是装配后的发射器模块的顶部平面图；

图45是激光束导向镜组件的分解透视图；

图46a-46d是图45的并具有用于图5的光学头的不同角度的部分的组件的顶部平面图；以及

图47是典型的接收器模块的分解透视图，该典型的接收器模块包括其接收器安装架和光学部件的支撑装置。

具体实施方式

本文中所描述的总体系统通常被称为“激光实验室(Laser Lab)”。激光实验室是本申请的受让人的商标。应理解，本文中描述了许多发明，但本文中仅对其中的一些要求权利。其他公开的发明在本申请的相关申请的交叉引用部分中指出的申请中要求权利。还应理解，许多单词和短语在此申请的词汇表部分解释。词汇表解释但不过分限制本文中所包含的单词和短语。

激光实验室-物理概述

激光实验室系统(即图1)包含多个物理子系统或单元。

PC塔单元(PC tower unit)(即图8)包含计算机和一些附加的控制电子设备模块。它具有后面板，该后面板带有用于光幕/安全电子设备、电动机控制、线性编码器、测量信号和光学头控制的连接器。PC塔单元具有应用程序，该应用程序为激光实验室系统的操作者提供用户界面。

零件保持器和上部工具单元(图1、2和7)固定或接纳以及保持零件在适当位置，以便进行测量。上部工具单元包括具有受载弹簧尖端的不锈钢杆，该受载弹簧尖端可向上和向下移动，以适应各种各样的零件尺寸。零件保持器单元具有校准锥体或设备(即，图3a-4c)以及支撑待测零件或待测单元(UUT)的基部。校准锥体被用于测量光感测器输出和由锥体的外形尺寸表示的物理测量结果之间的关系。校准锥体或设备并非为严格意义上的锥体，而是包括一些截头体(即，锥体的部分)和柱体。

光学头(即，图1、5和10)是密封系统，其包含一些包括光学测量部件(即，图5和12)的部件。一组(4个)激光束线(其中之一显示在图8中)产生并测量4个光平面。

滑动/基部单元(即，图1和10)向上和向下垂直移动光学头，以进行零件测量。每次扫描时，光学头的(8)感测器测量校准锥体和零件(UUT)的阴影图像(即，图8、9和13)。因此，每次完整的扫描包含校准数据和测量数据，从而产生尤其不受测量环境中的时间变化的影响的系统。

再次参照附图，图1是激光实验室系统的示意性透视图，一般地以10示出，其包括系统10的基础测量硬件。示出的是：光学头，其一般地以12示出；零件保持器/上部工具单元，其一般地分别以14和16示出；以及基部/滑动单元，其一般地以18示出，其还在图10中示出，包括耦合到丝杠22的电动机20，该丝杠22又耦合到由轴承滑动支撑的鞍座(saddle)24。鞍座24耦合到光学头12，以使光学头12沿着垂直台轴28(即，图9)线性移动。台的移动通过线性编码器30感测到，该线性编码器30将在下文进行更详细地描述。

图2是零件保持器14和上部工具单元16的分别的示意性侧视图。上部工具单元16包括杆32，该杆32可由系统10的操作者沿着杆32的中心轴在向上和向下方向上手动移动。上部工具单元16还包括具有尖端35的受载弹簧零件夹34，该受载弹簧零件夹34在一个端部表面38处保持待检验的零件36。图2中还图解了校准锥体或设备，其一般地以40示出，以及零件保持器/基部单元14的基部或顶板42。

图3a是零件保持器基部单元14的示意性透视图。图3a-3c示出了校准锥体40和零件保持器组件，包括支撑件44、套环46、转头保持器47，Torx转头48(即，Tx40)插入到该转头保持器47中，以便与螺栓的凹入部分螺纹接合。可提供螺纹塞规(代替用于螺栓的凹部转头)。终端用户将螺母一直拧到塞规的端部。这确保螺母的螺纹是好的。然后，系统10测量螺母的其余外直径特征。

帽49覆盖该组件。图3a-3c还示出了包括安装板50、提升器52、底板54、顶板42、用于在顶板42的下表面悬挂锥体40的接装板(adapter plate)58，以及用于在底板54上方以间隔开的位置支撑顶板42的一对柱56的各种机械件或零件。

图4a是校准锥体40的侧视图。如下面详细描述的，校准锥体40具有精确制造的形状，用于测量原始数字化感测器信号和校准的物理尺寸之间的关系。典型地，锥体40被送到检验锥体40的经认证的实验室。该实验室随后提供可追溯到NIST的详细证明。

图4b是图4a的锥体40的顶部平面图，且图4c是沿着图4b的线4c-4c截取的锥体40的侧截面视图。

图5是光学头12的顶部平面图，该光学头12的顶部盖板(图1中的60)被移除，以便提供光学头12的内部视图。头12连接到鞍座24，以随其移动。被示出为可调整地安装在头12的底座板61上的是：激光导向镜62；4个激光器64，其用于产生优选地具有650nm的波长的激光束；光平面产生器或发射器模块，其一般地以66示出，用于将产生的激光束转换成相应的光平面；以及光平面接收器模块，其一般地以68示出。

校准锥体具有中心孔，该中心孔优选地为大约1/16″，在将锥体/零件保持器子组件装配到滑动基部单元的过程中被广泛地使用，如图4c所示。

此时，细杆(“校准精细对中杆(calibration fine centering rod)”)在光学头处于“向下”位置时被插入通过锥体的中心孔。该杆以比具有1/8″直径的恒定直径区域-O更精确的方式定义校准锥体的中心。当该头处于“向下”位置时，光平面名义上未受阻挡地在锥体下方通过。

为了使用杆，零件保持器(图3c中的44)被从锥体/零件保持器组件移除。然后，杆可从顶部被插入，通过板42，并通过锥体40，直到它接触底板54。杆足够长，当它被完全插入，接触底板54时，一段长度在板42上方伸出，使得足以用手操纵该杆，从而向上或向下移动该杆。

移动“校准精细对中杆”进入和离开光平面允许人们确定光平面中心线是否通过杆。当杆移动进入和离开束时，人们观察激光感测器输出。当左感测器输出和右感测器输出显示杆阻挡光束的效应稍微降低时，则光束中心线通过对中杆。

校准锥体用特殊的规程制造，以制造中心孔，使得在校准锥体的中心孔中具有“校准精细对中杆”的“滑动配合”。锥体制造者使得一个杆与每个校准锥体成对。

“校准精细对中杆”的使用使得测量锥体/零件保持器中心是否与光学头的4-束交叉点对准成为可能。

为了高度精确地移动锥体/零件保持器，并完成对准/对中操作，利用四个细节距“推进式螺钉(pusher screw)”。每个“推进式螺钉”被安装到滑动/基部单元的三角形基部(图1)。对于锥体/零件保持器板50在三角形基部上的四个方向的移动中的每一个，具有一个“推进式螺钉”，这四个方向为北、东、南和西。

在锥体/零件保持器组件被对中到光学头束中心之后，四个“推进式螺钉”被紧固，从而经由压缩维持基板50的位置。然后，“推进式螺钉”锁紧套筒被紧固。于是，压住螺钉的基板50被紧固。“推进式螺钉”锁紧套筒还可用恰当的胶固定。上述对准过程关于光学头的束中心精确地对中校准锥体。

图6是安全外壳的示意性透视图，该安全外壳一般地以70示出，其包围图1的位于外壳70内的激光实验室基础测量硬件。光幕由光幕发射器72产生，并由光幕接收器74接收，以防护激光实验室的物理入口76。外壳70和其硬件监测线路(未示出)确保在用户可物理地与它接触之前停止光学头12的移动。

图7是上部工具单元16的部分横截面侧视图。当操作者手动抓住安装在杆32的近端80的杆手柄78时，工具单元16的长杆32可向上/向下移动几乎9″(例如)，以适应各种范围的UUT尺寸。操作者可分别释放工具单元16的上部摩擦释放夹82和下部摩擦释放夹84。一般地以88示出的支撑结构的支持架86将上部工具单元16保持到基部/滑动单元18。由导向支撑件92支撑的杆导向件90精确地保持杆32并还允许它平滑地向上/向下滑动，该导向支撑件92又由支撑架86和板94支撑。提升顶部释放夹82允许杆32向下移动，而降低底部释放夹84允许杆32向上移动。受载弹簧零件夹34具有螺纹孔96，以便螺纹地接收和保持一些可能的尖端比如接触待侧零件36的尖端35中之一。

激光实验室-基础测量概述

激光实验室是一种用于测量各种制造零件和/或组装零件比如在紧固件工业中制造的零件的尺寸的系统。典型地，这些零件通过滚动和冲击模形成方法(roll and impact die forming method)或通过用板条切割而成的柱状原料来形成。最终零件可具有从基础形状单元，比如圆形或锥形柱体、带螺纹柱体，或附加的简单形状，比如三叶柱体(Trilobe cylinder)或六角柱体来建立的形式。

用激光实验室系统获得的实质上所有测量基于两个基本要素：(1)表面距光平面分割线的高度，以及(2)沿着光学头的台轴的对应于各种高度的位置。

此外，激光实验室系统从(4个)不同测量方向执行多种测量。然而，应理解，根据零件，测量可从少至两个测量方向进行。在一些情况下，可需要多至5个测量方向。这种能够从多个方向获得多种测量的能力允许激光实验室明确地使用3-D形状信息，尤其是在测量带螺纹柱体和非柱状形状时。

相对于测量轴的表面高度

在该部分中，由单个激光器进行的测量参照图8来描述。进行这些测量的子系统被称为束线。在如图5所示的一个光学头中包含(4个)束线。

图8的光平面产生器模块66从由激光器64产生的单个激光束产生光平面。零件在光平面中产生阴影区域和非阴影区域。光平面接收器模块的左和右接收器(Rcvr)部件(即，光检测器)将激光分割线(laser split line)的左侧和右侧的光的量分别转换成单独的左电信号和右电信号，当接收器电子设备从编码器电子设备接收到触发或取样信号时，如这里所描述的，该单独的左电信号和右电信号被接收器电子设备数字化。

PC分析来自接收器电子设备的数字化信号，并计算出左感测器高度和右感测器高度。该测量计算利用感测器高度校准(稍后将描述)，来将原始数字化感测器信号转换成以mm计的校准高度。

表面高度测量在图9中被进一步图解。左感测器高度和右感测器高度是左侧和右侧光平面中光阻挡的量。光平面是名义上地，而非确切地，垂直于台轴28和零件轴。

信号的命名

基于左接收器和右接收器中的光检测的测量之后的所得被称为左感测器信号或右感测器信号或测量结果，这取决于环境。对于(4个)激光束线，在系统10中有(8个)感测器信号。当涉及整个系统10中的这些信号时，添加激光器的数量，以规定束线。因此，对于感测器信号的命名为从激光器-1、左感测器直到激光器-4、右感测器。

如前所述，图8是方框图，其图解了基础束线系统部件，其包括：激光器64，其产生激光束；镜62，其反射激光束；以及光平面产生器模块66，其产生投射在零件(UUT)上的光平面。该零件阻挡光平面的一部分。部件还包括具有左和右接收器或光检测器的光平面接收器模块68。然而，应理解，与两个检测器不同，可提供线扫描摄影机(line scan camera)、LCD摄影机(LCD camera)或其他光学检测器设备。

图9图解了光平面测量几何结构，其中图9是柱状零件的示意性透视图，该柱状零件被投射的激光光平面横切。

光学头的台位置

光学头12产生(4个)间隔开的激光光平面，并由图10中图解的移动台系统上下平移。光平面垂直于由台的移动定义的Z-轴(即，台轴28)投射。优选地，每4μm的台移动，线性编码器30产生一个测量触发信号脉冲。该信号被传送至接收器电子设备模块。在接收器电子设备模块处，每个测量触发信号脉冲引起每个感测器信号(8)被数字化和存储在PC的存储器中。

当台从底部移动到顶部时，线性编码器电子设备、测量触发信号，以及接收器电子设备的这种组合产生了顺次记录的感测器数字化原始信号。所得到的记录可被解释成通过零件或校准设备在间隔开4μm的已知的一系列位置的光阻挡的记录。在优选的系统中，台移动的总线性长度为大约235mm。

上述位置测量系统测量位置间隔，但一般并非为可重复的位置。移动台通过电子限制开关(未示出)停止在顶部和底部行程限制附近。台到达顶部或底部行程限制开关引起电动机20停止。然而，实际停止位置仅仅是近似的，因为限制开关并非为校准到编码器30的精确仪器，并且因为台要求停止的距离取决于行进的速度。在实际中，这导致停止位置的不确定性可以大至500μm。

为了做出可预测的开始位置，光阻挡信号被分析，以在每个感测器的数字化原始信号中抽取校准锥体40的开始的索引位置。锥体40的开始优选地由大约0.2375″长的锥体40的0.125″直径柱体96形成。当每个光平面朝向锥体40的开始边缘移动时，原始感测器信号处于高水平，之后是作为响应的陡阶梯式降低，并且最后是沿着柱体96的长度的恒定响应。分析软件位于作为响应的陡阶梯的中点，并使用该索引位置，以为感测器台轴位置设置零位置。原始感测器信号的一个例子在图11中示出。

实际中发现，这项技术可将零件上或锥体40上的固定位置的位置不确定性降低到量(5μm)，该量(5μm)比停止位置的不确定性(～300μm)小的多。

图10是各种位置测量系统部件与光学头12一起的部分断开的示意图，该光学头12被安装到台上，以与其一起移动来扫描校准锥体40(并随后零件)。如前所述，电动机20被耦合到丝杠22，该丝杠22驱动移动台，并因此，光学头12沿着台轴28的方向取决于丝杠22的旋转运动的方向。线性编码器感测移动台沿着台轴28的线性位置，并向线性编码器电子设备提供相应的输出信号。该电子设备大约每4mm台沿着台轴的移动产生触发信号。该触发信号被接收器电子设备接收并处理，如前所述。

图11图解了在校准锥体40的开始(即，柱体96)处产生的各种原始感测器信号图。示出的是来自感测器激光器-1、左；激光器-1、右；激光器-4、左；以及激光器-4、右的信号。原始感测器信号被标绘为在图的底部为最高值，随着向上，值减小。激光器-1中的最左边台阶，即左响应代表原始感测器响应的大约2650个数字化单元的跳跃。

在来自激光器-1的激光光平面在该向上移动扫描之前，来自激光器-4的激光光平面被校准锥体40所阻挡。这是因为激光器-1的光平面在光学头12中是最低的，如图10所示。

多束光学头

如前所述，光学头12包含(4个)束线子系统。该子系统对准在公共中心轴上。向下直接看到光学头12上，束线光平面分割线优选地在公共点交叉，如图12所示。束线相对于光学头基板的前面的角度为22.5、67.5、112.5以及157.5度。

这种布置，结合光平面的机械扫描，导致零件的(8个)外形轮廓像，每个感测器一个。图13示出了当来自(4个)束线(光平面)的光横切具有圆形横截面的零件时的典型情形的几何学。对于每个束线，两条阴影射线与零件的表面相擦(相切)，从而形成零件的阴影的左限制和右限制。阴影射线和零件的表面之间的交叉点被称为阴影点。

阴影点和光平面分割线之间的校准距离是感测器高度，如图9所示。图14示出了对于带螺纹零件的完全扫描，为激光器-1的左感测器和右感测器标绘的感测器高度。该绘图基本上是零件的正交投影，其以与激光器-1的激光器分割线向量对准的观察方向。

如前所述，图12是光学头12的模块66和68的示意性顶部平面图，其中其顶板60被移除。每个发射器模块66的激光分割线被表示为具有箭头的虚线射线，其图解了光束的行进方向和激光光平面。

图13是柱状零件的顶部平面图，该柱状零件被4个激光光平面所扫描，该4个激光光平面包括在阴影点处与零件相切的阴影射线。

图14是从带螺纹零件比如标准螺纹塞规产生的感测器高度数据图。所示出的是激光器-1数据；左感测器数据被标绘到图像的上半部，右感测器数据被标绘到图像的下半部。

校准锥体

校准锥体40为具有精确制造的形状或外表面的设备，该精确制造的形状或外表面被扫描，以获得校准数据，该校准数据则用于将感测器原始数字化信号转换成校准的感测器高度测量结果。锥体40的几个不同区域可旋转地对称，每个区域被设计成执行不同的校准功能。

校准锥体的形式的象征草图在图15中示出。校准锥体设计有“使用区域”，或设计成实现特殊的校准目的的特殊形状。这些区域在下面的表1中列出。每个“使用区域”被设计成允许特殊的校准信息从扫描的数据组中被抽取。以下部分简要地描述了这些校准信息。

不同感测器的台位置对准

每个激光器64以相对于光学头12的基板61的不同高度偏差安装在光学头12中，如参照图10所描述的。该高度偏差并非如所期望的一样精确，并取决于光学头12以及其光学模块66和68的精细的光学和机械调整。邻近的通道之间的高度差可能大至500μm。确保涉及相同台位置处的相同物理对象的校准的感测器台位置的唯一方式是测量公共物理位置。

“开始锥体边缘(begin cone edge)”的中间的精确位置标记每个激光器感测器的校准的台位置的公共零(0)。

不同感测器的感测器高度零位置对准

在垂直于台轴28并平行于光学头12中的光平面对齐的平面中选择公共零位置是重要的。在校准过程中所选择的位置零是光平面与校准锥体40的开始处的小柱体96的中心的交叉点(即，图10)。

光平面分割线定义了用于感测器高度测量的自然零(natural zero)，但是(4个)光平面分割线并非必然地如图12所图解的在单个点处相交。光学头对准过程仅确保光平面分割线在1/16″(1587.5μm)柱体内相交。

增加上述位置偏差使得定义每个感测器的校准高度的位置零的线在校准锥体40的开始处的小柱体96的中心相交。在校准之后，测量该中心典型地给出从(0，0)小于1μm的中央位置。

校准锥体方向向量，相对于台轴

校准锥体的中心轴并非必然地与台运动的轴28确切地一致，这是由于从锥体40到零件保持器，到基板，到滑动支撑件等，并最后到滑动件的长路径的误差堆积。

通过测量两个校准锥体区域，“常量直径-1(const diam-1)”和“常量直径-2”的中心的感测器高度，可确定校准锥体的方向向量(aspect vector)相对于台轴28的倾斜度。

校准锥体方向向量相对于台轴28的典型的被测角度在(0..1度)或(0..17.5mrad)的范围中。

光平面角度，相对于校准锥体

激光光平面并非确切地垂直于校准锥体方向向量。为了知道光平面和校准锥体40之间的角度，分析“多阶梯”区域。信号处理软件可非常精确地测量“多阶梯”区域中的5阶梯边缘组中的每一个的位置。5阶梯边缘之间的距离被精确地知道。通过该信息，光平面相对于锥体方向向量的角度可被计算出。该角度在确切地确定光平面如何与校准锥体40相交并由此从数据中抽取校准信息方面是重要的。

光平面相对于校准锥体40的典型的测量角度在(0..0.75度)或(0..13.1mrad)的范围中。

感测器高度校准

激光扫描测量的输出是对于每个感测器的感测器数字化原始信号的记录。为了在物理坐标系中做出感测器高度测量结果，原始信号需要被转换成感测器高度。

校准锥体上的两个区域，即“常量倾斜-1”和“常量倾斜-2”提供了这种信息。例如，激光光平面和“常量倾斜-1”区域之间的相交的直径在0.125″和0.750″之间变化。确切的直径可通过知道激光光平面和“常量倾斜-1”区域的开始之间的距离来计算出，因为该区域是高度精确制造的。

基于相交的直径和激光感测器输出，校准表可被构造成将数字化原始信号转换成校准的感测器高度。

感测器“无阻挡”信号水平的测量

还在光平面感测器束中测量了不具有锥体40或UUT的原始信号水平。对于小零件，通常需要将到达感测器高度转换表的感测器原始信号外推为小于锥体上测量的高度。该外推的执行比更直接测量精确度小，但是外推是非常有用的，尤其对于仅稍微小于锥体40的开始锥体柱体96(“常量直径-0”区域)的零件或偏离校准锥体中心轴的零件。

还为了正确地找到锥体40的开始，而需要“无阻挡”信号水平。

最后，“无阻挡”信号水平的过度变化性是激光器64的以束线形式的光输出的变化性的特征。“无阻挡”信号水平的这种变化性被监测，以产生信号，该信号指示产生束线的装置需要维修或暂时不能执行高精度直径测量。

这种测量目标并不包括校准锥体40的测量。然而，需要解释校准锥体分析。这通过如图3a所示的零件保持器基部的物理设计，以及通过基部/滑动件上的光学头12的底部位置与零件保持器基部的对准而成为可能。

表1：校准锥体-使用区域(即，图15和26)

校准锥体40的其他实施方式是可能的，而仍然满足激光实验室系统10的一般测量目标。

校准测量目标

这些是锥体数据的校准分析满足的目标。

1)不同感测器的台位置对准

2)不同感测器的感测器高度零位置对准

3)相对于台轴28的校准锥体方向向量

4)相对于校准锥体40的光平面角度

5)感测器高度校准

6)“无阻挡”信号水平的测量。

在校准锥体40的另一个实施方式中，可对锥体40的总体最小和最大宽度做出改变。

校准锥体的“点设计”允许人们抽取与测量在0.125″至1.500″直径范围中的零件相关的校准数据。

该系统可被设计用于较小或较大零件，其中，可改变宽度测量限制。用于测量较小直径的范围的小紧凑系统可利用具有例如最小直径0.065″和最大直径0.500″的校准锥体40。

在另一个实施方式中，可做出对锥体40的总体长度的改变。

校准锥体的“点设计”被指定为分析容易性和物理紧凑性之间的折衷。“常量倾斜”区域中的倾斜越低，被抽取的数据越精确。这是由于两个原因。第一，将倾斜区域划分成“箱(bin)”并随后确定当机械直径在箱内变化最小时，各个箱内原始数据到高度转换因素是更精确的。

第二，确定光平面扭转角度或不是平坦的光平面的不精确度通过校准锥体40中的常量倾斜区域的机械倾斜增加到原始数据到高度转换因素的不精确度中。

在另一个实施方式中，可做出对“常量倾斜”区域中的倾斜的改变。如上所述，“常量倾斜”区域中的较低倾斜转化为感测器原始数据到高度转换因素表的更精确性。

涉及较小零件的目标以及更紧凑系统设计的“点设计”可能具有长度相同但3x较小宽度尺寸的锥体40。这将允许更精确地测量具有较小宽度光平面的较小零件。

在另一个实施方式中，锥体40可被“点向下”或“点向上”支撑。该安装方向并不重要，任何方向都可满足校准测量目标。然而，安装方法应仍允许“无阻挡”感测器信号区域在每次向上/向下扫描过程中被测量。

在另一个实施方式中，可在“多阶梯”区域中提供不同数量的阶梯。“多阶梯”区域中阶梯的数量可变化，并且阶梯的尺寸可改变。

确定光平面扭转角度的校准分析使用左感测器和右感测器中检测的阶梯之间的位置区别。具有更多阶梯使得该确定更精确。

在另一个实施方式中，可做出对“常量直径”区域的数量、位置或直径的改变。校准锥体方向向量通过分析两个常量直径区域，即“常量直径-1”和“常量直径-2”的中心轴来测量。每个区域为相同的直径。它们的3-D中心的位置的确定允许从两个3-D中心点确定校准锥体40的中心轴。两个区域为相同直径是重要的，以最小化直径测量误差对校准锥体轴向量的影响。

区域可以为不同的直径，较小或较大。还可多于两个区域。然后，线可通过3或更多3-D点拟合，以确定校准锥体轴向量。有至少两个区域是重要的，一个区域并不典型地确定校准锥体轴向量。

激光实验室校准分析概述

现在描述的是激光实验室校准程序的概述的一个过程。在该程序中，原始感测器数据和校准锥体40的几何描述被用于产生校准数据。该数据组可被稍后用来从原始感测器数据产生校准的感测器数据，如下面在“数据处理”部分中所描述的。

校准目标

如前所述，以下列出了测量过程目标的一部分，该测量过程目标通过机械校准锥体40的设计并还通过校准数据分析程序来满足：

G-1：不同感测器的台位置对准

G-2：不同感测器的感测器高度零位置对准

G-3：相对于台轴28的校准锥体方向向量

G-4：相对于校准锥体40的光平面角度

G-5：感测器高度校准

数据处理

在UUT的激光实验室扫描之后，(8个)感测器数字化原始信号被存储，左感测器和右感测器各一个，对于(4个)光平面中的每个光平面重复。这些数字化原始感测器信号中的每个是单个“向量”或索引列表。感测器原始信号向量对于存储在UUT的激光实验室扫描上的每个样例具有“索引”；索引1999指的是在扫描过程中所采用的第1999个样例。在索引1999处的向量值是第1999个原始信号样例的值。

校准数据的产生

在原始感测器信号向量被存储在计算机或PC的存储器中之后，这些向量被分析，以抽取校准信息。该信息从数字化原始感测器信号的包含校准锥体40的图像的那部分中抽取。被抽取的信息导致许多表和参数，它们被共同地称为“校准数据”。

校准的感测器数据的产生

一旦校准数据已经被成功地计算出，它就被用于产生称为“校准的感测器数据”的一组新的向量。该新的校准的感测器数据向量在每个“索引”处包含两件信息：一对(校准的台位置、校准的高度)。

校准的台位置

校准的感测器数据向量中的第N个索引的台位置是从校准锥体40的开始到在第N个索引处取走的原始感测器信号的位置的距离(以mm计)。

第一，原始感测器台索引(原始感测器信号向量的索引)乘以台线性编码器间距(在当前系统中为4μm)，从而产生原始感测器台位置。然后，该原始台位置关系到校准锥体40的开始的位置。

最后，该原始台位置被用于校正激光倾斜。倾斜校正取决于感测器数据点的高度。如果激光平面是稍微倾斜的，则任何非零感测器高度还代表台位置的轻微改变，因为光平面、台轴坐标系统不是正交的。在校正之后，校准的感测器高度、校准的感测器台位置坐标系统是正交的。具有正交的坐标系统使得稍后的测量分析更简单。

校准的感测器高度

校准的感测器数据向量中的第N个索引的校准的感测器高度是从校准锥体的开始柱体96的中心到在第N个索引处产生原始感测器信号的阴影射线的距离(以mm计)。

如本文中以上所讨论的，在台位置和光平面坐标系统的非正交中的观察被用于校正激光倾斜的效应。

对均匀取样间隔的抽选

对激光倾斜的校正导致校准的感测器数据的向量，其中在该向量中，相邻索引位置之间的台位置距离可围绕4μm的平均值变化。

因为均匀取样的数据对于测量分析而言工作起来容易得多，所以校准的感测器数据向量被从均匀取样的校准的感测器数据向量抽选或取样，以便测量处理。在当前系统中，对4μm的初始线性编码器取样间隔抽取数据。

图16是图解了感测器数据处理的示意性方框图。该图示出了用校准数据处理原始感测器数据，以获得均匀取样的校准的感测器数据。

校准分析

校准分析是指包含校准锥体40的图像的原始感测器数据向量的分析。分析的输出是一组表和被称为“校准数据”的参数。

近似边缘处理

近似边缘处理(rough edge processing)揭露了原始感测器数据中信号边缘的存在和近似参数化。

近似边缘处理试图找到边缘的“图案”，该边缘的“图案”在原始感测器数据向量中识别校准锥体40。该图案在图15中被图解。

发现了两种类型的边缘。第一种类型的边缘，即“阶梯边缘”，表示校准锥体40上的垂直段。阶梯边缘检测器找到对应于开始锥体边缘的一个边缘和对应于校准锥体的多阶梯区域中的垂直段位置的(5个)边缘。

第二种类型的边缘，即“倾斜”边缘，表示两个直段与具有不同于垂直的倾斜度的每个段接合的位置。倾斜边缘检测器仅在并非是阶梯边缘的位置中寻找倾斜边缘。所有阶梯边缘也为倾斜边缘。倾斜边缘检测器在“常量直径-0”区域与“常量倾斜-1”区域交汇的位置处找到第一独特的倾斜边缘，以及在(3个)其他位置中。

近似边缘处理-输出

-阶梯边缘的近似位置。

-倾斜边缘的近似位置。

-校准锥体边缘图案存在于数据中的确认。

如果近似边缘处理步骤找不到校准锥体边缘图案，则校准分析过程停止。

精确边缘处理

精确边缘处理在校准锥体边缘图案中找到阶梯边缘的确切位置。精确边缘处理利用来自近似边缘处理的输出来确定边缘位置的初始估计，其随后被提纯。

精确边缘处理的详细描述位于附录B中。

精确边缘处理-输出

-开始锥体阶梯边缘的精确位置。

-“多阶梯”区域中的(5个)边缘的精确位置。

(8个)开始锥体阶梯边缘组的知识，其中每个感测器为一个开始锥体阶梯边缘，完成校准目标G-1：不同感测器的台位置对准。该数据被存储在校准数据中，并被用于将原始感测器数据转换成校准的感测器数据。

数据装箱

在每取样点4μm处，具有太多的数据要为某些校准过程有效地分析。数据装箱是划分一组取样点，并将该组取样点分成较小组的“箱”的过程，其中每个箱包含一些邻近的取样点。

对于将原始感测器数据和校准的感测器高度联系起来的表，利用了装箱。例如，校准锥体40上的“常量直径-1”区域为大约12mm长，其范围为沿着锥体轴从3.810mm到15.558mm。这将是没有装箱的大约3000个数据点。在0.2mm的名义箱尺寸下，这算出大约60个箱。

装箱的另一个优势是，箱内的数据可被平均化，并用于检查一致性。

最后，数据箱并不构建在0.2mm的检测边缘内的“保护”区域内。对于“常量直径-1”区域，边缘“倾斜边缘-1”和“倾斜边缘-2”做出区域边界的标记，且“保护”区域确保我们，边界数据箱仅包含来自均一地倾斜的区域的数据。

数据装箱-输出

对于(8个)感测器中的每个感测器，产生了4组数据箱：

-对于区域“常量倾斜-1”和“常量倾斜-2”，两组数据箱。

-对于区域“常量直径-1”和“常量直径-2”，两组数据箱。

“常量倾斜-n”数据被用在感测器高度校准表的构建中。“常量直径-n”数据被用作过程的输入数据，该输入数据为锥体方向角度估计过程找到校准锥体的0.750″直径柱体的位置。

激光柱

在每个激光器的校准的感测器坐标系统中，激光柱处理(laser rollprocessing)找到光平面和校准锥体40之间的角度。

对于每个激光器，获得“多阶梯”区域中的(5个)边缘的精确边缘位置，一组为左感测器，而另一组为右感测器。左感测器和右感测器边缘位置之间的区别可被用作激光柱角度的最小二乘估计的输入。

估计的详细方法在附录B中描述。

激光柱角度的估计确保了光平面是平坦的。

激光柱处理-输出

-相对于校准锥体40的(4个)激光柱角度被投射到每个激光器的坐标系统。

(4个)激光柱角度的估计完成了校准目标G-4：相对于校准锥体40的光平面角度。这些角度被存储在校准数据中。

感测器阻挡和倾斜

感测器阻挡和倾斜过程的主要目标是产生将感测器原始信号值与校准的感测器高度联系起来的校准表。

实现主要目标变得困难，因为校准锥体40可能以可能不平行于台轴28的角度安装。如果锥体角度不平行于台轴28，则光平面撞击校准锥体40的确切位置的解释取决于校准锥体40和台轴28之间的角度。

为了解决该问题，产生了迭代过程。

首先，产生了感测器校准表，其假设锥体角度和台轴28是平行的。然后使用新产生的感测器校准表，做出锥体角度的估计。该过程被重复(4)次。在所有情况下，迭代过程已经被发现是收敛的。建议，锥体方向角度与台轴28的机械对准小于(1度)。

该过程被更详细地文件记录在附录B中。

感测器阻挡和倾斜-输出

感测器阻挡和倾斜校准过程具有两个输出。

-到达校准的感测器高度表的(8个)感测器原始数据，其存储在校准对象中。

-校准锥体方向角度和台轴28之间的角度的3-D估计。

(8个)校准的感测器高度表完成校准目标G-5：感测器高度校准。3-D锥体方向角度满足校准目标G-3：相对于台轴28的校准锥体方向向量。

感测器高度表外推

将原始感测器数据和校准的感测器高度联系起来的表可能需要延展。有时，带有中心偏移的小零件具有小于表中最小高度的感测器高度。由于如本文中所讨论的“保护”区域的存在，数据中还存在空隙。

数据空隙通过线性内插法解决。

对于小于感测器高度校准表中的最小感测器高度的感测器高度，该表被外推至零高度。感测器高度校准表中的最后10个点拟合成一条线。然后，额外的点被添加到感测器高度校准表的表最小高度和零高度之间。

相同的过程被执行，以将感测器高度校准表外推至所允许的最大感测器高度(0.750″)。

感测器高度表外推-输出

该过程的输出是附加感测器高度校准表项目，其从线性外推至零高度以及至最大高度而产生。

感测器高度表-零高度位置

对于每个感测器校准表，偏移被计算，以确保在感测器观察到校准锥体的开始锥体柱体96(常量直径-0区域)时感测器高度为零。

感测器高度表-零高度位置-输出

-对于(8个)感测器，感测器高度零偏移

该数据满足校准目标G-2：不同感测器的感测器高度零位置对准。螺纹信号/数据处理

引言

接下来是螺纹参数估计过程的结构的描述。该过程提供了系统10中的标准螺纹测量“特征”的一个实施方式。

螺纹信号处理

螺纹信号处理是估计下列螺纹参数的过程：

1)节距

2)大径(major diameter)

3)小径(minor diameter)

4)作用直径

5)引导偏差(lead deviation)

6)中径

该过程的输入数据是“校准的零件数据”。该数据组由(8个)向量组成，每个光检测器或感测器为一个向量。每个向量由元素的索引表组成，每个包含(z，h)对。每个(z，h)对测量坐标系统中的UUT的阴影射线的位置，该位置代表每个感测器的UUT观察。z是校准的感测器台轴位置的测量结果，并代表当前数据点和光平面撞击校准锥体的开始处的台位置之间的沿着台轴的距离。h是校准的感测器高度的测量结果，并代表校准锥体的开始柱体的中间和垂直于台轴的阴影射线之间的距离。

随着螺纹信号处理的进行，一些中间数据产物在早期处理阶段中产生，这些中间数据产物在后期阶段中被进一步分析。这些中间数据产物包括：

-近似正/负交叉位置

-近似峰位置

-线位置查找间隔

-左/右侧面线

-线位置

-精确峰/谷位置

-大径、小径和中径的3-峰平均值/中间值测量

-3-D峰柱体轴

-投射在3-D峰柱体轴上的线位置

-3-D峰柱体直径

-峰数据和拟合之间的3-D峰均方根距离

这些中间数据产物被分析，以产生螺纹参数的最后估计。例如，大径被估计为3-D峰柱体的半径的两倍。3-D峰柱体轴随后取决于精确峰/低位置。峰/谷位置随后取决于基于近似峰位置和正/负交叉，并基于来自初始校准的零件数据的数据的查找间隔。

处理限制

检查区域

螺纹处理发生在被称为检查区域(inspection region)的台位置限制之间。在激光实验室模板编辑器中，使用者通过操纵叠加在零件的图像上的上部台位置限制和下部台位置限制来规定检查区域。

这些限制利用校准的感测器台位置，使得不同激光器的测量结果与零件上的近似类似的物理位置一致。

螺纹参数的估计被规定为检查区域内的所有数据的平均估计值。在实践中，一些中间数据产物在检查区域的外侧被估计，以便允许估计整个区域内的所有螺纹参数。例如，检查区域内的线位置可能需要在检查区域外侧的螺纹峰。

对于检查区域的测量假设

以下需求引导使用者将检查区域放置在零件的图像上。目前，分析软件并不直接检测所列出的需求的任何需求的失效。

第一假设是，螺纹参数在整个检查区域中是恒定的。这使得软件能够平均来自检查区域内的不同位置的估计值，而与将数据分割或分段成用于特殊处理的不同区域无关。

该需求排除来自检查区域的下列类型的数据：

-螺纹区域的开始或结束，其中螺纹峰小于全高度。

-具有锥形的螺纹区域。

-具有槽口或大规模损坏的螺纹区域。

第二假设是，检查区域包含至少4-6个螺距。需要这个量的数据，以构建具有所需要的精度的几个中间数据产物。最紧密束缚于该需求的中间数据产物是本文中所描述的3-D峰柱体。

第三假设是，螺纹被制造有60度的侧面角。螺纹处理在几个地方含蓄地利用该参数。一个最直接使用是，将引导偏差转换成作用直径。其他侧面角或其他牙形形状(thread form shape)将需要不同程序。

第四假设是，螺纹具有柱状横截面。非柱状螺纹将需要3-D峰柱体被适当地通用化。在当前实施方案中，不正确拟合到非柱状横截面将导致不正确的引导偏差测量。

第五假设是，螺纹具有单个螺旋线。目前不支持双头螺纹。

软件并不检查这些假设。不能满足这些需求将典型地导致螺纹测量中的偏差，或不能成功测量检查区域。

在实践中，这些需求限制了下列对象的测量：

-非标准螺纹类型螺钉，尤其是自攻丝螺钉。

-具有2或3个节距的小螺纹区域。

-三角自攻丝螺纹区域(Taptite trilobe threaded region)。

近似交叉

下文中描述的螺纹模型是一个感测器的螺纹牙形的对于确切的一个节距的取样代表。螺纹模型开始于上升螺纹侧面的中点，并在一个节距之后结束。

使用相关检测器，螺纹模型被匹配到检查区域内的数据，从而在检查区域内产生临界化检测，其被称为交叉。图17示出了匹配到感测器数据的螺纹模型的草图。

本文中所述的稍后的处理“提纯”可使交叉更精确。该“提纯”还将交叉分成正交叉(图17中的右侧面线)和负交叉(图17中的左侧面线)。

图18图解了所选择的牙形的概念。螺纹模型是代表牙形的一个周期的轮廓的最佳估计的横向顺序的点。

近似峰和谷位置

峰和谷检测器抽取正交叉和负交叉的匹配的邻近对之间的近似峰和谷位置。

节距估计

节距估计需要用于阶梯定位规线直径(step set gage wire diameter)。要求该估计足够精确，以从恰当用于测量的组中明确地选择唯一的量规线(gage wire)。当前过程利用两阶段过程。

该过程可被简化，如本文中所描述的。

第一估计

交叉数据在所有感测器中被分析和平均化，以产生螺距估计，即“交叉节距”。

第二节距估计

步骤：设定线规直径、线位置查找间隔，测量侧面线并测量3-点直径，如下文中所述的，在第一迭代中完成。然后，线位置在所有感测器和位置中被平均化，以计算节距估计值。

设定规线直径

在现有技术中，量规线被用在中径的物理螺纹测量中。两个线放置在UUT的一侧的邻近螺纹中，且单独的线放置在UUT的另一侧。测微计测量由两个邻近的量规线建立的参考线和由另一个量规线建立的参考点之间的距离。制成表的校正公式将测微计距离转换成中径的估计值。

量规线尺寸由此在螺纹测量之前被选择。为了完成这个，人们估计螺距，如前所述，然后人们选择组中的对于节距估计值的最接近的量规线。所使用的量规线组是对于测量类型而言的一个恰当组；当前有一组用于公制粗牙螺纹序列(metric coarse thread sequence)，且另一组用于类似的英国标准螺纹组(English thread set)。通过在下拉列表中作选择，量规线组在零件模板编辑时间被选择。

线位置查找间隔

人们将“虚拟”量规线放置在整个检查区域的校准的感测器数据上。为了放置“虚拟”量规线，我们必须为每个待放置的线识别查找间隔。

以下处理步骤的一个需求是，线位置在检查区域中没有空隙。另一个需求是，线位置查找间隔由两个有效的螺纹峰、两个螺纹峰之间的一个有效螺纹谷，以及峰/谷对之间的有效正/负交叉组成。

人们然后查找正/负交叉和峰/谷位置组以及线位置查找间隔组，以进行分析。结果是一组间隔，每个感测器一个组。

测量侧面线

图19示出了单个线位置查找间隔中的校准的感测器数据的一部分的草图。

有效线位置查找间隔的规格是指校准的感测器数据的形式大约如图19所示。该形式被用于产生坚定地抽取侧面线数据的计划。

对于左侧面线(例子)，我们分析左峰和中央谷的近似位置之间的所有数据。人们随后确定覆盖左峰和中央谷之间的70％(可设置的参数)的高度间隔的侧面线数据抽取区域的高度限制。该数据被抽取到数据组中并拟合成一条线，从而变成左侧面线。

该程序避免了靠近左峰和中央谷的非线性区域。此外，基于左侧面线和左侧面线数据抽取区域内的数据之间的均方根距离，计算出“侧面线有效”标记。如果侧面线和侧面线数据抽取间隔中的数据点之间的均方根距离大于每点10μm(可设置的参数)，则该标记被设定为无效。

对于右侧面线以及随后对于所有线位置查找间隔，重复该过程。

测量线位置

在给出左侧面线和右侧面线以及线尺寸之后，计算出线位置。如图19所示，虚拟线与每个侧面线相切，且所得到的位置用简单的几何公式计算出。

该位置具有被计算为两个侧面线“有效”标记的AND的“有效”标记。

测量3-点直径

3-点技术是一种在没有明确地利用3-D信息的情况下测量小径、大径以及中径的方法。所有计算在2-D激光器感测器坐标系统中执行。

例如，考虑大径。其被定义为包含所有检查区域的螺纹峰的柱体的直径。

在该方法中，校准的感测器(台位置、高度)坐标系中的螺纹峰的顶部形成基本测量。基本测量被结合到三重线(triplet)中，以便进一步分析。仅结合来自单个激光器的两个感测器的峰。

感测器-1中的两个邻近螺纹峰位置与感测器-2中的最接近于第一感测器中的峰的平均位置的螺纹峰位置相结合。感测器-1中的两个峰形成参考线。然后计算出从参考线到感测器-2中的峰的距离。这就是对于该峰三重线的3-峰距离。

在该方式中，对于所有激光器数据，计算出来自所有邻近的峰三重线的3-峰距离。3-峰距离都被添加到数据向量。3-峰直径测量是3-峰数据向量内的所有3-峰距离的平均值或中间值。

3-点小径

3-点小径使用感测器数据中的精确谷位置来计算3-点距离。3-点小径是3-点距离向量的平均值。

3-点大径

3-点大径使用感测器数据中的精确峰位置来计算3-峰距离。3-点大径是3-点距离向量的中间值。

3-点线位置直径

3-点中径使用感测器数据中所计算的线位置来计算3-点距离。3-点线位置直径是3-点线位置直径的中间值。图20是图解了应用于螺纹线位置的3-点距离方法的示意图。示出的是顶部牙形中的两个线位置，在它们之间画出一条参考线。还示出了位于底部牙形上的单个线位置，同时示出了3-点距离。

图21和22是来自PC的用户界面的屏幕抓图，其图解了从M16×1.5螺纹塞规抽取的中间数据。图22是聚焦在单个螺距上的放大图。

测量3-D峰柱体

分析所测量的螺纹峰位置数据，以利用最小二乘方法获得3-D柱体。该方法的数学描述在附录C中给出。

3-D峰柱体拟合具有几个感兴趣的输出参数：

-峰位置数据和拟合形状之间的均方根距离。

-柱体的中心轴的3-D位置。

-柱体的半径。

线位置投射到3-D峰柱体轴上

测量的线位置可与3-D峰柱体的中心轴的3-D位置相结合。垂直于通过测量的线位置的柱体轴的虚盘做出3d峰柱体轴上的位置的标记。

由所有感测器线位置的投射组成的数据组被构建。

对于完美的螺旋形螺纹以及对于完美测量的线位置，投射的线位置中的这些位置之间的间距应为确切的P/8，其中P是螺纹的节距。(8个)感测器均给出在邻近的感测器之间旋转1/8转的视图。

对于右旋螺纹，线位置在不断增加的位置处以L1L、L2L、L3L、L4L、L1R、L2R、L3R、L4R以及然后L1L、…等的顺序投射在轴上。

输出中间数据是从投射的线位置的最小感测器台位置到最大感测器台位置存储的向量。此外，每个线位置数据项附注有规定产生该数据项的激光器和感测器的标签，以及包含附加信息的其他标签。

螺纹参数估计

螺纹参数估计利用中间数据产物，并还可在产生最后的螺纹参数估计值之前，基于测量模型来校正它们。

线距

螺距从线中心中间数据估计得到。对于每个感测器数据组，线位置的邻近对被用于计算邻近的线距(wire pitch)，每个邻近的线位置为一个。对于所有激光器，每个线距被添加到线距向量。

线距估计值是线距向量中的元素的中间值。

大径

螺纹大径被典型地称为3-D峰柱体的直径。

如果3-D峰柱体拟合是失败的，则大径在以下详述的不同方式中被估计。柱体拟合可由于这里列举的几个因素而失效：

-零件相对于台轴以太大的角度倾斜。

-螺纹峰位置不拟合柱体，数据的均方根拟合距离(rms fit-to-datadistance)太大。

当柱体拟合失效时，大径从3-点大径数据估计得到。这种情况是特殊的，因为先前环境(柱体拟合)已经失效。我们发现在实践中，当螺纹区域太短或检查延伸出螺纹区域的端部时，柱体拟合大多数情况下通常失效。

因为这个偏移，我们发现，3-点大径数据的简单中间值将典型地太低，大多数良好的3-点数据集中在最高测量结果处。在这种情况下，大径估计值为这样的值，使得3-点数据的20％较高，而3-点数据的80％较低。

校准校正

大径还通过总体系统的最后端到端校准来校正。报告的大径通常太低，且偏移的范围为从-20μm到0。

在直径校准之后，我们将系统暴露至一组测量的螺纹塞规。人们随后将它们的大径偏移标绘为直径的函数，并将简单的分段线拟合到偏移结果。这些偏移拟合随后进入系统配置文件，并被用于使用测量的偏移来校正测量的大径。

小径

螺纹小径用3-点小径距离向量来估计。小径值是该距离向量中的元素的平均值。

中径

中径估计使用两组中间数据产物、线位置以及3-D峰柱体拟合。

中径估计值计算在以下列出的逐步的步骤中提出：

a)通过计算线形状与左侧面线或右侧面线的交叉点，来计算与螺纹面接触的中径接触点。

b)求左交叉点和右交叉点的平均值，并计算从平均点到3-D峰柱体拟合轴的距离(半径)。这就是每个线位置的中径半径。

c)为每个感测器计算中径半径的平均值。

d)使用投射在每个感测器的坐标系统中的3-D峰柱体轴相对于台轴的角度，来为零件投射角度校正每个感测器的平均线位置半径。

e)添加左感测器校正中径半径估计值和右感测器校正中径半径估计值，来为每个激光器产生中径的估计值。

f)求激光器估计值的平均值，以产生系统中径估计值。

零件投射角度的校正

中径的计算通过投射效应而变得复杂。激光执行螺纹形状的几乎完美的正交(阴影)投射。然而，该投射不同于螺纹设计文件中规定的螺纹横截面。该横截面在被通过螺纹的中心轴的平面切开之后为螺纹形状。

区别是由螺纹导程角(thread lead angle)引起的，对于许多典型的螺纹而言，该螺纹导程角处于1-3度的范围中。该导程角意味着当观看方向与导程的方向一致时，在阴影中观看的螺纹横截面是最精确的。

定位螺纹使得螺纹的阴影视图与顶部螺纹和底部螺纹同时对准是不可能的。对于带有3度导程角的螺纹的例子，倾斜螺纹以将螺纹的顶部与观察角度对准，将使导程角和观察角之间的角度对于底部螺纹大约为6度。

一个校正因素是为该效应而发展的。如果人们知道螺纹相对于观察角度的倾斜，则你可以校正对于由投射角度引起的预期的偏移的所观察的中径半径。该校正被预计算并被存储在表中。

对于每个感测器，螺纹相对于观察角度的倾斜可从3-D柱体拟合轴获得。单独的校正被施加到左感测器和右感测器。

校准校正

中径还通过总体系统的最后端到端校准来校正。报告的中径通常太高，且偏移的范围为从+5μm到+35μm。

在直径校准之后，我们将系统暴露至一组测量的螺纹塞规。人们随后将它们的中径偏移为直径的函数，并将简单的分段线拟合到偏移结果。这些偏移拟合随后进入系统配置文件，并被用于使用测量的偏移来校正测量的中径。

引导偏差

引导偏差估计使用线距和线位置的定位，如投射到3-D柱体拟合轴上的。

对于理想的螺旋形螺纹，线位置投射应该导致沿着3-D柱体拟合轴的规则图案。第一左激光器-1线位置的投射应位于距第一左激光器-2线位置的投射大约(1/8)节距。引导偏差是该图案与理想的被测量为任何投射的线位置与理想的图案的最大距离的偏差。

引导偏差估计值的计算跟随逐步的程序：

a)建立线位置投射向量，其包括所有数据。

b)按沿着3-D柱体拟合轴的位置的顺序分类线位置投射向量。

c)通过乘以因子(360/节距)并然后减去元素值模数360，将向量的元素的线位置转换成度数。

d)计算偏离值，使得以度数为值的元素位置的最大绝对值是最小的。

例如，对于1mm节距螺纹有0.010mm的引导偏差的情况，至少一个以度数为值的元素位置的绝对值将是3.60度。(0.010mm/1mm等于(1/100)以及360/100为3.60。)

e)将值从度数转换为mm.，并报告为引导偏差估计值。

注意，所有引导偏差估计值是正的。

校准校正

测量中的误差意味着完美螺纹的物理测量将具有正引导偏差。

为了企图校正该结果，人们为一组螺纹塞规测量引导偏差，并标绘它们为量规直径的函数。所观察到的最普通形式是0.010mm.到0.020mm的恒定的引导偏差。

在具有螺纹量规的校准中所观察的该值被认为是偏差。该偏差量被输入系统配置文件，并用于为该测量偏差校正测量的引导偏差。

作用直径

目前在实践中，作用直径由螺纹上的特定的配合量规的配合来定义。特定的配合量规主要是螺母，该螺母由切割通过螺母的中心轴的平面分成两个。配合量规的两半被保持在测量该两半之间的距离的夹具中。每种螺纹类型都有一种特定的配合量规。

作用直径被定义为当特定的配合量规在螺纹塞定位规上被紧紧夹紧时的中径。当人们将不同的UUT放进配合量规时，配合量规可由于涉及UUT和用于设定作用直径测量的螺纹塞定位规之间的区别的效应的总和而轻微地膨胀。然后，作用直径测量结果为螺纹塞定位规的中径加上两个配合量规件之间的附加的间隔。

作用直径-激光实验室估计值

在激光实验室中，我们的作用直径测量方法是配合量规方法的近似。我们不进行物理配合量规的完全的3-D模拟。而是，我们已经做出了涉及引导偏差的使用和牙形的形状的近似。

如果我们将牙形想象为完美的，并还具有60度侧面角，那么引导偏差应引起牙形配合量规件移动分开。单个引导偏差向上或向下，牙形轴都将引起配合量规的单个分开件向外移动。对于60度侧面角来说，向外移动的量将等于(引导偏差)。该移动对于引导的正移动和负移动都提供了相对于完美螺旋形形状的间隙。

下面给出了作用直径(FD)的激光实验室估计值：

$\mathrm{FD}=\mathrm{PD}+\sqrt{3}$ (引导偏差)

学习螺纹模型

螺纹模型是被学习的序列点，其表示牙形的一个周期的轮廓的最佳估计值。当在模板编辑时间规定检查区域时，螺纹模型被计算。

常规测量模板使用具有正弦波图案的图案匹配算法，来识别检查区域数据中的周期性。该过程确定了近似螺距。对于匹配图案的首先开始，该过程还计算出数据向量中的开始点，其为右侧面线的第一中点的近似。

通过掌握了节距和开始点，测量模板程序可随后计算出平均螺纹模型。始于匹配图案中的第一样点，稍后在检查区域中的1、2、3…，N节距点被求平均，以形成螺纹模型的第一点。对于第一匹配图案中的所有剩余的点，该过程被重复。螺纹模型随后被储存在模板中，以便稍后使用。

以下是三叶或三角估计过程的结构的描述。

三叶信号处理

三叶信号处理分析检查区域内的校准的零件数据，并产生中间数据产物，该中间数据产物通过下文中所描述的三叶参数估计过程来分析。在三叶信号处理中产生8个值，4个激光器-n直径和4个激光器-n中心。

三叶空白信号处理

对于三叶空白(Trilobe Blank)，激光器直径和中心被估计为检查区域内的校准的感测器数据的简单平均值。

激光器-n直径是平均左感测器高度和平均右感测器高度的平均值。

激光器-n中心是平均右感测器高度和平均左感测器高度的差。

三叶螺纹区域信号处理

对于三叶螺纹区域，人们想要估计接触螺纹区域内的所有螺纹峰的三叶柱体的参数。

该过程可被细分成三个部分：

-从螺纹区域全局目标中获取螺纹峰位置

-从感测器螺纹峰坚定地估计感测器高度

-从感测器高度计算激光器-n直径和中心。

人们从螺纹区域全局特征处理目标中获取螺纹峰位置，仅保持在观察区域内并且还被标以“完全(FULL)”峰(高度＞95％的中间峰)的螺纹峰。对于有效检查区域，随后对于三叶特征的典型使用将具有每个感测器5-10个螺纹峰点。

为了估计感测器高度，人们需要足够强固来承受若干无效螺纹峰的估计过程。一种优选的过程使用“强固”线拟合程序来获取将不会被1或2个无效峰数据项影响的通过螺纹峰的线拟合。一旦“强固”线被发现，感测器高度估计值就为检查区域的中点处的“强固”线的高度。

强固线拟合程序

强固线拟合是简单的参数取样过程。对于数据组中待拟合的每对点，产生评估线。每个评估线的优良指数被产生并为数据和评估线之间的每点的均方根距离。该均方根距离被储存，并且具有中间均方根距离的评估线被选择。

该程序在计算上是昂贵的，但作为“界外值”的多达49％的数据可正确地工作。

用三叶区域信号处理的潜在问题

检查区域锥化可偏置结果

估计过程是基于模型的，且模型为三叶“柱体”。因此，螺纹区域，诸如靠近螺纹点的锥形，将提供模型拟合过程将不能精确分析的数据。

三叶螺纹区域峰应被精确定位

定位螺纹三叶估计过程的螺纹峰输入数据的螺纹区域处理是非常一般的，并可能误拟合不匹配螺纹区域“峰模型”的峰形状。

三叶参数估计

三叶参数估计利用中间数据产物、激光器-n直径和激光器-n中心来计算下列三叶参数。

三叶参数   描述

C          外接圆或外切圆的半径(V-基准面微米最大直径)

D          正交投射直径(具有标准测径器的直径)

E          内接圆或内切圆的半径(V-基准面微米最小直径)

K          “离开圆形”的三叶参数(即，分叶的程度)

           K＝E-D＝D-C

           2K＝E-C

角度       方向角度

           当三叶平面平行于x轴并为y中的最低点时，角度＝0

           当三叶平面平行于x轴并为y中的最高点时，角度＝60

           度

x中心、y中心三叶形状的中心线坐标系。

“D”参数

三叶D参数可被估计为4个激光器中的激光器-n直径测量的平均值。

在感测器误差界限内，所有值应一致。

如果人们测量完美三叶形状量规，则激光器-n直径和“D”之间的差为测量精确度和偏差的诊断。激光器-n直径和“D”之间的均方根距离为直径测量不确定性的测量。“D”和激光器-n直径之间的最大差为每感测器直径测量偏差的最大测量。

K、角度、x中心、y中心参数的迭代计算

K、角度、x中心以及y中心参数的计算仅使用激光器-n中心中间数据产物。4个激光器-n中心数据项为足够确切的项，以计算4个未知的三叶参数，其中没有冗余。

直接四参数查找过程是困难的。该查找被简化为具有以下分析的两个迭代参数查找。

如果人们假设，三叶形状的(x中心、y中心)中心线坐标系是已知的，则人们可用下文中所描述的彻底查找过程来估计K、角度。一旦人们具有D、K和角度的估计值，则人们具有三叶形状的完整描述。

通过三叶形状的描述，人们可计算投射在左感测器和右感测器上的不同的三叶形状。通过三叶形状的左感测器投射和右感测器投射，人们可使用激光器-n中心数据来估计三叶中心线坐标系，即x中心和y中心。

最后，通过三叶中心线坐标系，人们可改变规定激光器-n中心数据的坐标系统的原点，使得下一组激光器-n中心数据的原点处于三叶中心线坐标系估计值。然后，该过程被重复，同时改变的激光器-n中心数据作为输入。在该过程中，K、角度查找进展用最终具有非常接近于(0，0)的中心线的数据来表示。在该点上，人们知道所有三叶参数，即K、角度、D、x中心和y中心。

这里有该过程的简短描述。

Repeat

 {

    Perform K，Angle search.

    Determine xCenter，yCenter.

    Recenter Laser-n Center coordinate system.

 }

until(centerline correction is very small).

K、角度查找

K、角度查找通过彻底列举来执行。2维网格用1-尺寸来构建，该1-尺寸为间隔(0..kmax)中的K的可能离散值，且其他尺寸为间隔(0..60)度数中的角度的可能离散值。在每个网格点，K、角度、x中心、y中心被用于计算将已经产生这些值的激光器-n中心值，以及随后计算的激光器-n中心值和实际激光器-n中心值之间的均方根距离。

在优选的实施例中，离散网格的尺寸为25×25，结果为625K的角度参数值和625均方根值。最小均方根网格值选择K、角度输出值。

K、角度精细查找

K、角度查找通过细分的查找而增加精确度。等于初始K、角度离散网格中的2×2网格的K、角度空间的矩形区域被细分为25×25网格并被查找。

然后，该过程被重复第二次，以相同的方式来细分该精细网格。

结果是更精确的K、角度计算，其成本比通过3906×3906网格的强力查找小得多。(成本大约为25×25网格查找的3x倍。)

确定x中心、y中心

一旦K和角度已知，就可获得三叶中心线坐标的新的估计。

(1)为所有4个激光器，估计由三叶形状引起的感测器高度差。该差为激光和三叶形状角度之间的差的函数。

ΔH(激光、三叶)＝f(K、角度-激光角度)。

(2)校正三叶贡献的感测器高度差。

ΔH(激光)＝ΔH(激光、数据)-ΔH(激光、三叶)。

(3)通过校正的感测器高度差的最小二乘法拟合来计算三叶中心线坐标。

(x中心、y中心)＝g(ΔH(1)、ΔH(2)、ΔH(3)、ΔH(4))。

收敛标准

当来自当前和先前迭代的K的估计值之间的差小于预定参数(名义值0.0001)时，人们认为迭代是收敛的。

衍生参数的计算

衍生参数可从估计的参数D和K中计算得到。

C＝D-K

E＝D+K

代码实施说明

这些说明引导代码中的将来的改进。

三叶螺纹参数估计—与之不同

标准螺纹处理

三叶区域螺纹估计与标准螺纹处理具有一些区别。

大多数区别是由这样的事实引起的：标准螺纹处理利用具有圆形横截面的柱体，而三叶螺纹处理利用具有三叶横截面的柱体。

特征列举

校准的感测器台轴位置零

-通过分析开始锥体边缘信号

上述扫描光学头系统在特定感测器的束中产生光和阴影的量的取样图像。每4μm的台移动产生样本。绝对台位置并不精确或可重复的，如还讨论的。

为了使台位置坐标参考公共物理位置，感测器信号被分析，以找到阶梯边缘的位置，该位置做出感测器通过柱体96处的校准锥体40的开始的标记。

一旦感测器台位置都参考公共开始锥体位置，所有其他特征的位置就都从扫描到扫描是可重复的直到高精确度。

校准的感测器高度位置零

-通过分析开始锥体中心位置

将感测器数字化原始信号与感测器高度联系起来的校准过程校准0.125″锥体最小直径和1.500″锥体最大直径之间的相对感测器阻挡。

在将原始信号与感测器高度联系起来的表的建立之后，该表被用于计算锥体0.125″开始柱体96的中心。该位置被用作偏移，以使校准的感测器高度在0.125″锥体柱体96的中心读出为零。该过程为(4个)光平面中的每个光平面建立了公共(x、y)中心参考坐标。

校准锥体设计

-通过分析两个恒定的直径区域测量与台轴的3d对准

校准锥体40具有两个0.750″直径区域，这两个0.750″直径区域界定在空间中的与校准锥体的中心轴同心的柱体。通过测量如由感测器所看到的0.750″柱体的位置，校准软件确定台轴28与校准锥体轴的对准。

测量以定义具有相同直径的校准锥体方向向量的区域是重要的。这意味着感测器高度校准中的误差具有对方向向量计算的精确度的最小影响。

校准锥体设计

-用“多阶梯”区域测量光平面角度

校准锥体的“多阶梯”区域包括(5个)精确定位的机械阶梯。这些阶梯被用于计算光平面相对于校准锥体的中心轴的扭转角度。

信号处理软件测量(5个)阶梯中的每个阶梯的精确位置。当光平面具有相对于校准锥体40的扭转角度时，从激光器的左感测器和右感测器计算的阶梯位置之间的位置区别与该扭转角度的正弦值成比例。

分析软件以计算扭转角度的最小二乘法最小化程序的方式利用来自所有(5个)阶梯的数据。

校准锥体设计

-使用连续恒定的倾斜感测器高度

校准区域，允许随机插入

为了将原始数字化感测器信号与校准的感测器高度联系起来，校准锥体的先前的实验设计使用带阶梯的边缘。如果感测器响应在两个邻近的阶梯的高度之间变化，则校准过程将不直接测量该变化，且所得到的校准可能在中间直径处产生误差。

目前设计提供了在直径范围0.125″到1.500″中的所有感测器高度处的数据。

光平面“夹心蛋糕”

-减少交扰

如前所述，(4个)激光光平面被布置成以高度的规则间隔的阵列方式平行于光学头12的底板61。邻近的激光光平面优选地间隔开大于2.5mm。该布置在图10中示意性地示出。

该“夹心蛋糕”布置被特定地选择，以消除或减少不同激光束线之间的“交扰”。例如，来自束线-1的光可能从UUT的表面散射，并进入用于束线-2的感测器。

干扰的主要意思是由于从与台轴28对准的柱体的散射，该柱体为类似于图9的几何体的几何体。(还参见附录A)

当激光光平面处于不同高度时，来自激光器-2的由UUT散射的光(例如)在关于来自激光器-1光平面的期望光的2.5mm高度处到达用于激光器-1的感测器。该散射光可由如参照图24的附录A中所描述的光平面接收器孔缝隙(即，远心孔径光阑(telecentric apertured stops))阻挡。

光平面接收器孔缝隙

-减少交扰

光平面接收器68均具有线性缝隙孔，大约1.5mm高，其接收来自对应的光平面产生器的光。每个孔缝隙以不同高度安装在光学头12中，与其对应的光平面的高度匹配。由UUT散射的来自不同光平面产生器或发射器66的光被有效地阻挡，由此增加测量精度。

光平面接收器孔径小孔

-减少向前散射的光

每个光平面接收器68包括光电二极管，该光电二极管均装配有圆形孔径，该圆形孔径使得光平面接收器68为“远心”的。该孔径小孔接收来自名义的入射角度和/或来自仅稍微不同(＜1-2度)的入射角度的光射线。这意味着以较大入射角度进入光平面接收器68的光束将被小孔面罩阻挡，并不被测量回路所记录。附录A描述了此内容。

这些小孔降低了由发光柱状零件引起的系统测量误差。对于这些零件，向前散射的光将易于系统地降低所测量的直径，因为将被粗糙暗表面阻挡的散射光进入光平面接收器68。

光平面产生器模块

-确保低束发散的对准方法

激光实验室测量系统10具有来自每个光平面产生器模块66的光射线为平行的且不发散的需求。

0.500″[12.7mm]视直径的柱体不应被改变多于0.0001″[.0025mm]，因为柱体中心从测量区域的中心移动(+/-).0394″[1mm]。该需求将所需要的测量精确度偏差(0.0001″[.0025mm])与顾客的零件放置的预计精确度(+/-.0394″[1mm])联结起来。

该需求对光平面内的光射线的对准精确度或其发散度设置限度。在最坏的情况下，通过柱体的中心的束处于零角度，左阴影射线处于

角度，而右阴影射线处于

角度。这将意味着光平面中的任何阴影射线的最大偏离角度小于1.3mrad。

当制造或装配光平面产生器模块66时，这些最大偏离角度转换成聚焦精确度。对准和聚焦仪器或对准夹具，在图31中一般地以100示出，其提供了透镜316(即，图37)的位置的高精度机械调整，使得当创建每个光平面产生器模块66时，束发散被最小化。一旦完成调整，该调整就可通过紧固调整螺钉并通过胶粘机械连接点以防止移动而被永久地固定就位。对准方法的更完整的描述在附录D中提供。

光平面产生器

-确保高光束平坦度的对准方法

激光实验室测量系统10还具有光平面一般为平坦的需求。发现，如果光平面产生器模块66的光学元件偏离，则平坦目标上的光平面的图像将是弯曲的，而非直的。

弯曲的光平面将使得上述光平面对校准锥体角度校准无效。弯曲的光平面还将使得上述感测器高度校准不精确。光平面中的弯曲将使得预测校准锥体40的直径作为台位置的函数不精确得多，且使得感测器高度校准不精确得多。

如上所述的以及如附录D中所述的对准和聚焦方法被设计成允许光平面产生器模块66的光束平坦度在模块产生期间被有效地最小化。发现，透镜310、312和316与模块基面的角度对准和旋转对准是重要的变量。这些对准在执行时相继地允许光平面产生器模块66被设定，以满足平坦度需求，在该点处，调整通过紧固调整螺钉并通过胶粘机械连接点以防止移动而被永久地固定就位。

平坦度主要通过图37所示的透镜316即“第一柱体棱镜”来消除。对准和聚焦仪器包括带有如图31所示的夹子188的旋转臂。

旋转臂的夹子保持图37所示的板318，在发射器模块的对准过程中，该板318连接到第一柱状透镜316。

夹子188的旋转引起目标210处的激光线图像在向上弯曲的目标、平坦的目标以及向下弯曲的目标上的线形状之间过渡。

第二调整通过旋转透镜316来进行。该调整主要影响目标210处的激光线图像的倾斜，而非弯曲。该倾斜被调整，以使激光线图像成水平。

透镜316和312的调整是互相牵制的。

光平面接收器

-对准方法

光平面接收器模块68也具有对准需求。模块68的光学元件被精确地定位，使得它们精确地聚焦来自检测器的小孔孔径内的它们的相应的光平面产生器模块66的光(即，图24)。

接收器模块60以近似相同的效率接收来自光平面内的所有可能的光射线的光，因此，产生器/接收器子系统(即，分别为66和68)将具有平滑的光接收分布，作为跨过光平面的距离的函数。这是来自感测器高度校准过程的需求。

光平面接收器模块68和光平面产生器模块66在安装到标准孔位置处的光学头基板61上时能够一起工作。

接收器光平面分割线在光平面内被置于中心。对准和聚焦方法允许如本文中所描述的光平面接收器模块68以及其部件的正确装配和接下来的测试。

现在参照图37-44，图解了发射器模块66的普通镜透镜安装架，其一般地以304示出。优选地，安装架304由低膨胀铝-镁合金的单一件制成，以确保大温度范围内的尺寸稳定性。安装架304被精确地机加工，以确保安装架304的各种参考表面相对于彼此正确地定位。

图37是安装架304与其各种被支撑的镜306、第一柱状透镜316、第二柱状透镜312以及第三柱状透镜310一起的分解透视图。安装架304包括用于第二柱状透镜312的整体形成的透镜保持器314。第三柱状透镜310安装在安装架304的前参考表面311上。第二柱状透镜312被保持在其保持器314内，该保持器314至少部分地由如图61中最佳地示出的参考表面313来界定。第一柱状透镜316被保持在一般地以320示出的可调整的安装组件内，该安装组件包括基板319和透镜安装架318。

后面的一个镜306被保持在可调整的镜安装架322内，该可调整的镜安装架322被安装在安装架304的后参考表面323处(即，图39)。前面的一个镜306在如图43和图39中最佳地示出的内部参考表面325处被内部安装在安装架304内。对比图39和图43(安装架304的截面图，分别为不具有镜306以及透镜306、310和312，和具有镜306以及透镜306、310和312)，后面的镜306相对于倾斜的参考表面323安装，而内部安装的镜306参照倾斜的参考表面325安装在模块304内。

优选地，镜306由BK-7材料制成，而透镜310、312和316由SF-11材料制成。透镜310、312和316被优化用于650nm的激光束波长。而且，用于透镜310、312和316的名义影响性焦距分别为107mm、154mm和2.75mm。

以下是发射器模块66的下列顺序的装配步骤，该步骤在附录D中详细描述：

1.使用UV粘合剂将透镜316固定到透镜安装架318

2.使用UV粘合剂将透镜312、透镜310和前面的镜306固定到透镜和镜安装架304

3.使用UV粘合剂将后面的镜306固定到可调整的镜安装架322

4.按顺序：

●在透镜和镜安装架304内定位安装到可调整的镜安装架322的后面的镜306，使得进入子组件的参考激光束平行于安装基部，并在.984″±.004″的高度离开安装架304的1.679″±.020″高度处的前参考表面311处的安装孔，并仍在.05°内平行于安装基部

●定位透镜312，使得参考激光束偏离小于.03°

●可旋转地垂直于束轴来定位透镜316，使得束在视觉上是平坦的

●沿着束轴来定位透镜316，使得水平轴中的束发散在±.10m弧度内

●可旋转地垂直于透镜和镜安装架304的安装表面来定位透镜312，使得束在.25°内平行于组件安装基部。

●定位透镜310，使得当在10.55″的距离处测量时，参考激光束距组件安装表面1.679″

5.完成的组件的规格

●束倾斜垂直于激光束轴—小于.50°

●束倾斜平行于激光束轴—小于.10°

●束高度-1.679″±.020″

●束发散-小于.25m弧度

6.使用环氧树脂粘合剂来固定所有紧固件和可调整的部件

现在参考图45和46a至46d，详细图解了图5中所图解的激光导向镜62和它们相关的部件。当激光导向镜62可调整地安装在基板61的顶部表面时，它们的各种相对位置在图46a、46b、46c和46d中被图解，其中每个镜62以相对于其相应的平移板400的不同角度安装。进而，每个平移板400通过安装螺钉在其顶部表面可调整地安装至板61(图5)。安装螺钉402和它们的相关的垫片403将一般地以406示出的它们的镜安装架的凸缘404固定到它们的平移板400。进而，镜安装架406以不同角度位置定位在它们的板400上，如图46a至46d中所图解的。每个板400包括细长孔408，该细长孔408允许板400以精确的角度位置可调整地定位在板61的顶部表面上。销410被设置，以便将镜安装架406精确安装到它们的板400并将镜安装板412精确安装到它们的相应的镜安装架406。螺钉414和它们相关的垫片416被设置，用于将安装板412固定到镜安装架406。镜62通过粘合剂固定到它们的安装板412。

现在参照图47，其为光平面接收器模块68中的一个的分解透视图。图47中图解了一般地以500示出的镜和透镜安装架。镜和透镜安装架500实质上等同于每个光平面产生器模块66的镜和透镜安装架304。接收器模块68还包括：光检测器安装架，其一般地以502示出；透镜安装架接收器对，其一般地以504示出；以及柱状透镜506，其实质上等同于光平面产生器模块66的柱状透镜312。接收器模块68还包括一对球面透镜508，该对球面透镜508通过粘合剂以间隔开的关系可固定地固定在透镜安装架504的前表面。接收器模块68还包括一对圆形带孔的元件510和检测器PCB组件安装架512，一对光检测器514以间隔开的关系安装在该检测器PCB组件安装架512上。透镜508典型地被设计成以650纳米的波长进行操作，其由SF-11材料制成，并具有25.8mm的名义影响性焦距。

光检测器安装架502包括上半部501和下半部503，它们分别通过螺钉505固定在一起。

典型地，透镜508用UV粘合剂固定到透镜安装架504。然后，透镜安装架504通过螺钉516和它们相关的垫片518固定到安装架500，如图5中所示。典型地，还是如图5中所示，透镜506通过跟随下述步骤顺序，粘合性地固定到安装架500的前参考表面。

带孔的元件510被固定在光检测器安装架502的间隔开的孔内，使得元件510邻近或紧邻被支撑的检测器514并在安装架500内被置于中心。以下是下列顺序的装配步骤，它们在附录D中详细描述：

将透镜506定位在安装架500的前参考表面处，使得进入子组件的参考激光束以优选地为1.679″±.004″的高度平行于安装架500的基部的底部参考表面，且偏离小于.03°。

可旋转地垂直于安装架500的安装表面来定位透镜506，使得参考束框架在.25°内平行于安装基部。

沿着束轴在安装架500内定位接收器透镜对508，使得使用参考对检测器测量的能量在2％内平衡；以及

通过所得到的检测器组件来定位，使得使用安装的检测器514测量的能量在1％内平衡。

在上述步骤执行之后，所有紧固件和调整的部件都使用环氧树脂粘合剂固定。

检测器PCB组件安装架512通过螺钉520和它们相应的垫片522固定在安装架500的后表面。

词汇表

3-点距离：从一个激光器的感测器中的单个点到由激光器的其他感测器中的两点产生的参考线的距离。

3-峰直径：从3-点距离的统计平均或中间值产生的直径测量。对准和聚焦仪器：一种用于将光平面产生器和光平面接收器模块制造或装配成期望的光学公差的光学/机械夹具。

基部/滑动单元：激光实验室测量硬件的物理基部。该单元包括相对大的、重的三角形基部和垂直单元，该垂直单元包括电动机、滑动件和线性编码器。

束线：包含在光学头内部的一组光学、机械以及电学部件，其从单个激光束产生光平面，并将带阴影的光平面转换成电信号，以便传输至PC塔。校准的零件数据：由来自(4个)激光器的校准的感测器数据组成的数据结构，其中每个激光器具有左感测器和右感测器。

校准的感测器数据：包含对于一个感测器的测量的向量(台位置、高度)的数据结构。

校准锥体：具有“锥体形状”轮廓的精确制造的单件工具钢。该轮廓包括柱状轮廓和截头体形状的轮廓。校准锥体或设备被用于系统中，以将感测器数字化原始信号转换成物理测量。

校准数据：在从感测器原始数据进行校准分析过程期间计算的一组表和参数。该数据组也为将感测器原始数据转换成感测器校准的高度数据的感测器数据校准过程的输入。

校准检测器：将图案与向量数据组匹配的信号处理算法。

直径校准：为每个感测器产生校准数据组的过程。每个数据组允许分析软件将感测器数字化原始信号转换成校准的感测器高度。该过程典型地为包括感测器高度校准和最后的直径校正的两阶段过程。

最后的直径校正：基于系统水平的直径塞规校准的对直径测量的最后的校正。

侧面角：螺纹的侧面和螺纹的轴之间的角度。

侧面线-数据抽取区域：包含对于一个侧面线的感测器数据的中心(70％)部分的区域。

检查区域：两个台位置限制、开始和末端位置之间的所有校准的零件数据。

中间数据：通过不在模板中保存的而在螺纹参数的估计中使用的校准的感测器数据的信号处理产生的数据。

中间数据-校正交叉：来自图案和(典型地)感测器高度数据之间的校正的匹配点。

中间数据-侧面线：侧面线数据抽取区域内的数据的拟合线。

中间数据-峰/谷：牙形中存在的峰和谷的位置(台位置、高度)的测量。

中间数据-螺纹3-D柱体：由螺纹峰的最小二乘拟合形成的3-D柱体的测量。

该柱体具有包括如下的参数：其直径、数据和拟合之间的每点均方根距离，以及柱体轴。

中间数据-线位置：从左邻近侧面线和右邻近侧面线的位置确定的虚拟线的位置。

中间数据-线位置查找间隔：包含两个邻近的螺纹峰、螺纹谷和两个螺纹侧面的区域。

激光器数量：在光学头中列举(4个)激光器。这些激光器为激光器-1至激光器-4。

光平面产生器或发射器模块：具有将由激光器产生的光束转换成具有平行的光射线的光平面的光学和机械部件的物理模块。

光平面接收器模块：具有将具有平行的光射线的光平面转换成左电信号和右电信号的光学、机械和电学部件的物理模块。

光平面分割线：将光平面分割成左部分和右部分的假想线。该线在光平面接收器模块中定义，并代表对左/右接收器中的光平面中的阴影的响应。

左/右接收器(Rcvr)：接收器是将入射在其表面(即，图像平面)上的光能转换成电信号的光平面接收器模块的部件。信号电流基本上与入射光的量成比例。

左/右感测器数字化原始信号：在处理左或右接收器信号之后，光平面接收器电子设备的输出优选地包括：电流到电压转换、放大、模拟过滤，以及数字化。

光平面接收器电子设备：将来自激光线接收器模块的左和右电子信号转换成数字化左和右原始感测器信号并将结果储存在PC存储器中的系统模块。

测量触发器信号：来自线性编码器电子设备的传输至接收器电子设备的信号。一个测量触发器信号脉冲引起所有感测器信号被取样和储存。

光学头：诸如包含(4个)束线和支撑电子设备的密封金属盒的容器。零件保持器：安装到基部/滑动单元的机械子组件。该子组件包括零件保持器基部，零件在被扫描时接收和保持在该零件保持器基部上。零件保持器还将校准锥体保持稳定的位置，因此它也可以被扫描。

PC塔：PC塔是机架(chassis)，其包括计算机、一组控制电子设备模块，以及一些电源。

感测器数字化原始信号：在通过光平面接收器电子设备来处理左/右接收器信号之后的输出。

感测器高度：从激光器平面分割线到零件的亮/暗阴影边缘的距离，其在感测器光平面中测量。

感测器高度校准：获取和分析被用于将感测器数字化原始信号转换成感测器高度的一组数据的过程。

感测器数量：在光学头中列举(8个)感测器。值的范围从激光器-1左(L1L)直到激光器-4右(L4R)。

感测器原始数据：在校准锥体和UUT的一次扫描过程中由激光实验室感测器系统产生的一组数据。

感测器校准的高度数据：从一次扫描产生的被转换成物理单元和被校正所有已知问题的激光实验室感测器原始数据组。

阴影射线：正好掠过UUT的表面的光的射线。

台轴：由光学头的机械台的向上/向下移动定义的3-D空间中的方向。

台轴、感测器零位置：校准锥体的开始的位置，如通过分析感测器数字化原始信号所确定的。

台轴、校准的感测器位置：台轴的原始位置，其在感测器零位置处被校正到0mm。校准的感测器位置在感测器之间是不同的，甚至在对于相同的激光器的左感测器和右感测器之间也是不同的。

台轴、原始位置：台轴原始位置是线性编码器计数器的值，其通过线性编码器电子设备模块来维持。零位置在台在“返回始位(home)”命令期间停止时被设定；线性编码器电子设备模块感测底部脱扣信号(bottom tripsignal)，停止电动机，并随后清零编码器计数器。该过程产生最后的搁置物理台位置，该最后的搁置物理台位置通过几百微米变化，这取决于移动长度、台速度以及其他因素。对于在零件上的规定位置中的直接使用，该物理位置一般太不确定。

螺纹模型：重复的牙形的一个周期的估计，其在模板编辑时间学习。

螺纹参数-作用直径：具有名义中径的虚拟螺母的直径的估计，其可包括具有所有其引导偏差以及来自完美形式的其他偏差的观察的3-D牙形。

螺纹参数-引导偏差：来自完美螺旋形式的引导位置的最大偏差。

螺纹参数-大径：包围所有螺纹峰的柱体的直径。

螺纹参数-小径：通过所有螺纹谷的柱体的直径。

螺纹参数-中径：交叉峰和谷之间的中间的完美牙形的柱体的直径。

螺纹参数-节距：邻近螺纹之间的平均或中间距离。

上部工具：安装到基部/滑动单元的机械子组件。该上部工具包括长不锈钢杆，该长不锈钢杆可向上和向下移动，以保持各种不同尺寸的零件。该工具还包括便于放置、保持和释放零件的受载弹簧零件夹。

待测单元(UUT)：被测量的零件。

虽然已经图解和描述了本发明的实施方式，但并不意味着这些实施方式图解和描述本发明的所有可能的形式。而是，说明书中使用的词汇是描述性的词汇而非限制性的词汇，且应理解，可做出各种变化，而不背离本发明的精神和范围。

附录A

分割激光-由于束散射的直径偏移

概述

-从反射柱体的光的散射导致其直径的低估。

-从锥体部分的散射具有比柱体大的低估。

-通过使激光接收器远心或对来自窄范围的入射角度的光的敏感，在激光接收器中引入小孔孔径可限制该效应。

从完美反射柱体的散射

从柱体散射光将引起分割激光系统中的柱体的直径的系统性低估。在柱体表面附近入射的光被以掠射角散射，如图23所示。如果散射光进入分割激光检测器，则柱体直径看起来系统性地更小。如果柱体为完美反射，则该效应最大，且如果柱体为完美吸收，则没有该效应。该效应的大小被计算，以对低估的系统尺寸设定限制。

散射角

人们可想象撞击柱体且被反射的光束。如果束方向在直线上继续，则束的行进方向将到达柱体内的ΔH深度。束通过完美反射表面被反射θ_反射＝2θ的角度，如图23所示。

对于直径d的柱体，下列为散射角θ_反射＝2θ、深度ΔH和深度d之间的关系。

ΔH＝d(1-cos θ)

对于ΔH＝0.0001″，d＝0.5000″，则

对于ΔH＝0.001″，d＝0.5000″，则

对直径测量的影响

在没有任何散射的理想情况下，到达检测器的光的量来自不与零件相交的线性产生器光射线。光信号然后与垂直于束方向的零件的正投影相关。

在有散射的情况下，被阻挡的光可以进入检测器。

散射光不能进入到检测器，由于下列作用之一：

-柱体表面(诸如黑布料)上的光吸收，

-散射光可能错过激光光接收器的入口。

人们可以计算对由完美反射的柱体的光阻挡的低估的上限。可以假定，所有通过小于角度θ_max的角度散射的光将被接收在激光光接收器中。所有通过更大角度散射的光被丢失并不被接收在激光光接收器中。

低估的直径阻挡是：

限制直径测量偏差

-在激光接收器中使用远心概念

如图24所阐明的，激光接收器的最简单的模型包括用于各个左和右感测器的聚焦透镜，及用于测量各个感测器的聚焦透镜的焦平面处的激光的激光二极管。激光二极管放置在无穷远处的光源的焦点上。

在这个模型中，当光射线入射在不同角度的聚焦透镜上时，随后光被聚焦在透镜的焦平面中略微不同的位置。

焦平面上在沿着光学轴入射的光和以角度θ入射的光之间的位置的改变是，Δ位置＝ftan(θ)≈f(θ)，其中f是透镜的焦距。

小孔孔径被加设在激光二极管前面，以使激光接收器仅在入射角的小范围内对光敏感。相似的孔径用于远心透镜的构建中。小孔孔径尺寸如下表所示。

小孔尺寸＝2fθ_max

从锥体部分的光偏转

从反射锥体的光偏转也是有利的，因为圆锥形(即，平截头体)被用于如图25所示的激光实验室校准设备40。

入射束相切的点处的锥体的法线是：

绕着y轴(见图23)旋转角度θ_旋转的锥体的法线：

入射光的行进方向是：

$\hat{l}=\left[\mathrm{0,0,1}\right].$

从镜反射后的入射光的行进方向是：

入射光束和反射光束之间的角度θ_反射可以计算。

对于柱体，(θ_锥体＝0)，人们可以获得期望结果：

θ_反射＝2θ_旋转。

对于小角度的散射角度，(θ_旋转＜＜1)，以及任意锥体角度，其具有：

cos(θ_反射)＝1-sin²(θ_旋转)cos²(θ_锥体)

1-(θ_反射)²/2≈1-2(θ_旋转)²cos²(θ_锥体)

θ_反射≈2θ_旋转cos(θ_锥体)

激光实验室系统中的实际考虑

激光实验室锥体设备40具有锥体部分(也即，平截头体)，该锥体部分具有锥角θ_锥体＝35度且cos(θ_锥体)＝0.820。这意味着实际上，锥体部分上的散射角比柱体部分上的散射角小大约20％。前面部分中发展的近似缩放比例显示低估的直径则将比直柱体情况大大约10％。

柱体上的能量吸收

如果柱体表面涂有光吸收涂层，则反射光将可能作为完美反射情况继续以相同的方向行进，但强度减小。

人们可以开发相似于上述模型的模型。在那个模型中，所有在角度0和θ_max之间散射的光进入图24的狭缝激光检测器。假设在角度0和θ_max之间的散射光的一部分f_吸收在柱体表面被吸收，且一部分(1-f_吸收)继续行进到狭缝激光检测器，那么新模型是：

2ΔH≈(1-f_吸收)d(θ_max)²/4。

因此，低估通过因数(1-f_吸收)来改良。

附录B

概述

本附录详细描述激光实验室校准过程的一个实施方式。

目录表

总体参数…………………………………………………………………63

校准的几何参数…………………………………………………………63

锥体参数…………………………………………………………………63

校准的总体参数…………………………………………………………65

锥体信号处理……………………………………………………………65

完全打开信号水平………………………………………………………65

近似边缘…………………………………………………………………66

高精度边缘位置…………………………………………………………67

激光柱……………………………………………………………………67

数据装箱-锥体倾斜或常量直径区域 …………………………………67

校准模型分析……………………………………………………………68

感测器阻挡表-锥体倾斜区域数据 ……………………………………68

迭代控制…………………………………………………………………68

校准………………………………………………………………………69

平滑锥体描述……………………………………………………………69

锥体信号处理……………………………………………………………70

数据划分和一致性检查…………………………………………………70

近似阶梯边缘位置………………………………………………………70

近似倾斜边缘位置………………………………………………………70

近似边缘位置一致性检查………………………………………………71

感测器数据区分表………………………………………………………71

完全打开信号水平………………………………………………………71

完全打开信号水平-一致性检查 ………………………………………71

高精度阶梯边缘位置……………………………………………………72

高精度阶梯边缘位置-一致性检查 ……………………………………72

起始锥体感测器位置偏移………………………………………………73

激光柱计算………………………………………………………………73

一致性检查………………………………………………………………74

过程感测器阻挡数据……………………………………………………74

识别锥体倾斜数据区域…………………………………………………74

数据装箱…………………………………………………………………74

数据平均/特征产生 ……………………………………………………75

一致性检查………………………………………………………………75

过程锥体方向角度数据…………………………………………………75

识别常量直径区域………………………………………………………75

数据装箱/平均/一致性检查……………………………………………75

校准模型分析……………………………………………………………75

感测器阻挡表和锥体方向角度校准……………………………………76

向感测器的锥体投射……………………………………………………76

感测器阻挡表的计算……………………………………………………77

感测器阻挡表-插值 ……………………………………………………78

感测器水平插值类型-“线性” ………………………………………78

锥体倾角的计算…………………………………………………………78

由于激光柱角的阶梯边缘位置改变……………………………………80

锥体3-D定位分析 ………………………………………………………80

行进Z轴至锥体Z轴缩放比例……………………………………………81

迭代控制…………………………………………………………………81

一致性检查………………………………………………………………81

分析和误差传播…………………………………………………………82

由于位置偏移的直径偏差上的

由于柱角的感测器阻挡表误差的影响…………………………………82

感测器阻挡表上的柱角误差的影响……………………………………83

柱角上的阶梯边缘位置误差的影响……………………………………83

系统直径偏差上的多重扫描校准的影响………………………………83

术语表……………………………………………………………………83

总体参数

校准的几何参数

对于锥体参数，参照附图4a。

取样间隔

0.0004mm            由编码器指定。

(固定)              每个感测器一个的电子设备从每个编码器脉冲

                    产生(8)编码器触发脉冲。

锥体参数

起始直径

3.175mm             锥体起始处的面的直径。

常量直径

19.05mm             两个常量直径区域的直径。

最大直径

38.100mm            锥体在第一阶梯边缘处的直径。

阶梯

3.810mm             各个阶梯的高度。

1.500mm             各个阶梯的宽度。

5                   阶梯数。

倾角

34.005度            锥体倾角。

边界位置-锥体高度模型

校准的总体参数

锥体信号处理

完全打开信号水平

500个样本          区域尺寸(RegionSize)

0.4mm              保护区域(GuardRegion)

                   -确保完全打开信号不被扫描启动污染。

100个样本          最大信号变量(MaxSignalVariance)

                   -信号变化＞0.2％(100/50000)

                   是差的激光感测器信号质量的诊断。

45000              最小信号水平(MinSignalLevel)

64000              最大信号水平(MaxSignalLevel)。

                   -该范围以外的信号水平是激光调整问题的诊断。

近似边缘

0.4mm              阶梯尺寸

                   -典型的束“σ”是15个样本或60um。

                   0.4mm是大约6-7σ。

0.4mm              平滑尺寸

                   -典型的束“σ”是15个样本或60um。

                   0.4mm覆盖6-7σ。

200水平            阶梯阈值

                   -值足够大以最小化误差边检测。

-1500水平          期望起始锥体阶梯高度。

+1000水平          期望标准阶梯高度。

7000水平           标准阶梯高度容许量。

0.5                锥体倾斜阈值

                   -(由取样间隔区分的阶梯尺寸)的单元，或样本。

                   这是使用阶梯尺寸的双重有限差的阈值。

2                  期望锥体倾斜高度。

3                  锥体倾斜高度容许量。

                   -(由取样间隔区分的阶梯尺寸)的单元或样本。

10mm               期望起始锥体偏移。

10mm               起始锥体阶梯位置容许量。

1mm                标准阶梯位置容许量。

                   -容许量用于阶梯与起始锥体阶梯的相对测量。

1mm                标准倾斜位置容许量。

                   -容许量用于阶梯与起始锥体阶梯的相对测量。

高精度边缘位置

0.1mm              最大位置偏离(MaxPosDev)

                   -位置从期望位置的最大偏离。

3.0mm              最大高度偏离(MaxHeightDev)

                   -阶梯高度从期望值的最大偏离。

1000水平           期望高度。

100水平            最大均方根偏离(MaxRmsDev)

                   -阶梯边缘的最大平均均方根(拟合-数据)。

70％               线拟合中心区域(LineFitCentralRegion)

                   -用于过渡线拟合的中心数据的百分比。

0.4mm              线拟合区域尺寸(LineFitRegionSize)

                   -用于线拟合的阶梯之前和之后的区域的尺寸。

0.4mm              线拟合保护区域(LineFitGuardRegion)

                   -阶梯线拟合之前/之后和过渡区域之间的保护区域

                   的尺寸

激光柱

0.100mm            最大均方根Δ阶梯位置(MaxRmsDeltaStepPos)

                   -大于该值的平均阶梯位置Δ均方根是激光束或校

                   准设备问题的诊断。

数据装箱-锥体倾斜或常量直径区域

0.200mm            保护区域(GuardRegion)

                   -最小距离，区域边界的直径数据箱。

0.200mm            区域箱尺寸(RegionBinSize)

                   -直径数据箱的尺寸。

50水平             最大数据箱σ(MaxDataBinSigma)

                   -最大数据箱命令统计“σ”估计器。

25水平             最大数据箱线偏离(MaxDataBinLinDev)

                   -从相邻的线性估计器的最大数据箱偏离。

1                  拟合命令(0常量，1线性)。

校准模型分析

感测器阻挡表-锥体倾斜区域数据

0.01mm             感测器最大插值误差(SensorMaxInterpolationError)

                   -由于表的“形状”的最大插值误差。

“线性”           感测器插值类型(SensorInterpolationType)

                   -感测器阻挡表插值的识别类型。

“线性”           零高度外推方法(ZeroHeightExtrapolationMethod)

                   -外推感测器阻挡表的方法。

10                 零高度外推点(ZeroHeightExtrapolationPoints)

                   -在外推数据集中的点数。

“线性”           最大高度外推方法(MaxHeightExtrapolationMethod)

                   -外推感测器阻挡表的方法。

10                 最大高度外推点(MaxHeightInterpolationPoints)

                   -外推数据集中的点数。

迭代控制

4                  最大迭代(MaxIterations)

                   -感测器阻挡表迭代的最大数。

校准

平滑锥体描述

图26表示由平滑锥体产生的感测器信号的示意轮廓。以下标示并说明信号的不同区域。

图26：锥体轮廓-一个感测器的信号

信号被划分有图的底部所示的完全打开感测器水平和图的顶部所示的完全阻挡感测器水平。

完全打开区域-对锥体起始的扫描的起始。

-建立完全打开水平。

-建立锥体起始的正确位置。

锥体倾斜数据-由常量直径阶梯分开的两个常量倾斜区域。

-建立感测器阻挡表，感测器水平和已知直径之间的对应。

常量直径数据-两个常量直径数据区域，0.750″直径。

-建立锥体的中心线。

-相对于台行进轴建立锥体中心线的位置。

阶梯-柱角数据-五个常量高度，常量宽度阶梯。

-建立激光光平面相对于锥体中心线的角度。

支撑架-无数据，所有的光被阻挡。

零件支撑柱体-常量直径固定支撑。

-该柱体的顶部加上零件支撑帽的高度可以建立零件基部位置。

零件支撑帽-常量直径帽。

-为零件提供基部。

-中心位置可以轻微改变，帽不固定，有几种不同类型的零件，对于操作者来说插入易于改变。

-高度和直径比中心位置更准确。

锥体信号处理

在这部分，处理和分析被描述成发生在产生感测器阻挡校准表和确定锥体倾角之前。

在这部分，原始感测器数据被处理并在(台位置，传感器水平)空间产生特征。

在激光实验室系统中，台位置编码器数和台位置之间的变换是简单的，并不要求校准。台编码器数乘以取样间隔(0.004mm)，以产生台位置。

在这部分，台位置可以使用编码器数或位置值来可互换地指定。

数据划分和一致性检查

第一阶梯将数据区分为更详细处理的区域。有了平滑锥体校准设计，区分可以实现阶梯边缘的位置和校准锥体上的特征的已知位置的结合。

近似阶梯边缘位置

以下阶梯边位置应该在数据中被识别。边缘将识别成具有使用有限差检测的平滑的低精度边缘探测仪。

近似倾斜边缘位置

以下倾斜边缘(第二派生物)位置应该在数据中被识别。边缘将识别成具有使用有限差检测的平滑的低精度边探测仪。

近似边缘位置一致性检查

c-1：起始锥体阶梯边缘存在为靠近期望位置的第一阶梯边缘。

“靠近”具有大的容许量，起始锥体阶梯位置容许量。

c-2：要求的阶梯边缘存在于靠近期望位置。

期望位置是相对于起始锥体阶梯边缘的。

“靠近”具有适中的容许量，标准阶梯位置容许量。

c-2：没有其他重要边缘阶梯存在于校准锥体区域。

零件区域还可以具有阶梯边缘。

c-3：要求的倾斜边缘存在于靠近期望位置。

期望位置是相对于起始锥体阶梯边缘的。

“靠近”具有适中的容许量，标准阶梯位置容许量。

如果检查1、2、3均失败，则校准过程被停止，并在计算机或PC上产生诊断和日志信息。

感测器数据区分表

感测器数据区分表在每个感测器基础上给出校准数据区域之间的边界的大致的台位置。表通过向下游函数用于提供寻找定位模块的大致启动点。

完全打开信号水平

完全打开信号水平从完全打开估计区域中的数据计算，如图27所示。区域的尺寸以及用于起始零件和起始扫描的两个保护区域的尺寸被识别。

从完全打开估计区域中的取样数据，计算相应于“σ”的中间值和命令统计。

完全打开信号水平-一致性检查

c-1：完全打开估计区域必须在两个保护区域之间拟合。

c-2：“σ”命令统计必须少于最大信号变量参数。

如果这些检查失败，则校准失败并在计算机或PC上产生诊断和日志信息。

高精度阶梯边缘位置

高精度阶梯边缘位置处理使用近似边缘阶梯位置作为最初定位，以寻找用于7阶梯边缘的高精度边缘参数。阶梯边缘是起始零件边缘，零件支撑柱体结束阶梯，和柱角数据中的5阶梯。对于各个阶梯边缘，计算4个参数，阶梯位置、阶梯高度、束宽和阶梯质量测量。

高精度边缘检测器对阶梯边缘数据使用三条线拟合，一条在阶梯边缘之前，一条在阶梯边缘之后，一条在阶梯边缘过渡区域。固定的尺寸保护区域，线拟合区域尺寸，保持在阶梯线拟合区域之前/之后出来的非线性数据。中心线拟合中心区域占过渡区域数据的百分比被用于过渡区域线拟合。图28表示这些数据区域。

在零件区域之前/之后的拟合度可被调整至或者是常量(度-1)或者是线性(度-2)。例如，起始锥体阶梯边缘要求在阶梯拟合度-1之前和阶梯拟合度-2之后。第一阶梯边缘要求在阶梯拟合度-2之前和阶梯拟合度-1之后。阶梯2…5要求在将是度-1的阶梯拟合之前/之后。

每个阶梯产生一个特征，包含：

-过渡区域中点{位置，感测器水平}＝(Up+Lp)/2。

-束宽估计＝0.4(阶梯尺寸)/(过渡区域倾斜)。

-在零件线拟合参数之前/之后。

-阶梯高度＝感测器水平(Up)-感测器水平(Lp)。

-均方根(数据-线)：每个取样值，在零件之前/过渡/在零件之后。

-平均均方根(数据-线)＝在零件之前/过渡/在零件之后的均方根(数据-线)值的平均积分。

高精度阶梯边缘位置-一致性检查

c-1：所有高精度阶梯边缘被发现在期望位置的最大位置偏离距离中。

c-2：所有阶梯边缘具有在期望高度的最大高度偏离中的高度。

c-3：平均均方根(数据-拟合)小于最大均方根偏离。

如果这些检查失败，则在计算机或PC上产生校准失败、诊断和日志信息。

起始锥体感测器位置偏移

位于起始锥体阶梯边缘处的高精度阶梯边缘位置的集为每个感测器限定位置偏移。

分别为每个激光感测器限定位置范围。位置偏移为特征处理限定0位。

激光柱计算

激光柱从柱角数据区域中发现的高精度阶梯边缘位置计算出。

使用的测量和参数如下。

阶梯位置(激光器，感测器，i)＝第i级阶梯的高精度阶梯边缘位置。

直径(i)＝第i级阶梯的直径，被限定成阶梯的中点。

阶梯位置(激光器，左，i)和阶梯位置(激光器，右，i)之间的差别

Δ阶梯位置(激光器，i)＝阶梯位置(激光器，右，i)-阶梯位置(激光器，左，i)，

是关于激光线的柱角β。当左感测器边缘位置低于右感测器边缘位置时，β是正的。如果左感测器高度被图示为正数且右感测器高度被图示为负数，则β将被视为顺时针旋转。

Δ阶梯位置(激光器，i)＝sin(β)直径(i)。

将Δ阶梯位置(激光器，i)与直径(i)联系起来的5个方程可以表达为以下的矩阵向量方程，

Asin(β)＝b。

数据可以用矩阵向量方程的最小二乘解来简化，产生单个参数估计β_est。

sin(β_est)＝(A^TA)^-1(A^Tb)，

其中

一致性检查

c-1：校验数据之间的每个数据点的均方根距离{Δ阶梯位置(激光器，i)}，和从拟合预知的值{sin(β_est)直径(i)}，小于最大Δ阶梯位置变量。

过程感测器阻挡数据

原始感测器读数在锥体倾斜区域中被处理，以产生(感测器水平，台位置)特征的组。典型地，每个特征基于数据的小区域(10-500样本)。特征仅在有效数据区域中产生，例如它们通过保护区域保持离开阶梯边缘。

识别锥体倾斜数据区域

第一锥体倾斜数据区域位于起始锥体阶梯边缘和常量直径数据角度区域的起始之间。第二区域开始在相同的常量直径锥体方向角度区域的结束处，并延伸至第一柱角阶梯的位置。

接近每个感测器，锥体倾斜数据区域的边界从感测器数据区分表可用，该感测器数据区分表在数据区分和一致性检查步骤中计算。

数据装箱

数据仅在超过从锥体倾斜区域边界计算的保护区域被装箱，以阻止系统直径校准偏移。

区域被划分为由区域箱尺寸指定的多个箱和在锥体倾斜区域中的多个样本位置。如果多个可用样本位置不被区域箱尺寸划分，则额外的样本被添加到保护区域。

数据箱不重叠。

数据平均/特征产生

箱中的感测器数据观察被处理，形成感测器水平的估计和箱中的变量。

箱中的位置数据被处理以形成箱位置平均。

箱中的数据拟合于第一命令线性模型。

对于每个数据箱，产生特征，包含：

-箱位置平均。

-箱常量，第一命令线性拟合项。

-箱平均位置处的箱拟合值。

-箱均方根(拟合-数据)估计。

一致性检查

c-1：每个数据箱的均方根(拟合-数据)估计应该小于最大数据箱σ。

c-2：由线性估计器使用两个相邻的箱(左和右)指定的值的每个数据箱的拟合值的偏离应该小于最大数据箱线偏离。结束箱使用从两个左或两个右箱外推来校验。

过程锥体方向角度数据

锥体的常量直径区域被类似于锥体倾斜区域处理。

识别常量直径区域

两个常量直径数据区域被使用感测器数据区分表处理，见图27。

数据装箱/平均/一致性检查

数据装箱、平均、特征产生和一致性检查与用于直径校准数据区域的一样。

校准模型分析

感测器阻挡表和锥体方向角度校准

对于锥体倾斜和锥体常量直径区域，锥体信号处理在指定的台位置产生激光柱角估计和感测器数据表。

实际要求的是锥体40投射至光束，其作为台位置的函数。该投射取决于两个角度，即激光柱角度β和锥体倾角α，其是台行进轴和锥体对称轴之间的角度。

每个激光的每个角度被限定，整套激光和锥体角度是{B_i，α_i}，其中激光指数-i在间隔(1…4)。

激光柱角是已知的，但是锥体倾角必须计算。因为锥体倾角小，典型地小于1度，迭代过程可以被成功地限定。

最初，人们可以假设锥体倾角α等于0。有了这个假设，人们可以使用锥体模型产生向作为台位置函数的感测器的锥体的期望投射。与相应的感测器响应成对的锥体投射的组被用于制作感测器阻挡表。构建之后，表给出阻挡感测器的材料的量，其作为期望感测器响应的函数。

感测器阻挡表然后用于处理常量直径区域数据，产生锥体倾角α的估计。

有了锥体倾角估计α，向感测器的期望锥体投射和感测器阻挡表被重新计算。

过程被重复，直到在锥体倾角和感测器阻挡表估计中的改变可忽略为止。

向感测器的锥体投射

图29阐明了锥体投射几何，其中粗线指示锥体轮廓，且其中：

H₁是锥体起始的半径。

H_N是沿着锥体轴的距离-N处的半径。

β是激光柱角。

α是锥体倾角。

γ是锥体倾角。

Δp是由于激光柱的位置偏移。

δ是由于激光柱的半径的改变。

使用图29所示的空间关系，人们能够计算由于激光柱的半径的改变，δ。

(ΔH-δ)tan(β)＝Δp

Δp tan(γ+α)＝δ

ΔHtan(β)＝Δptan(γ+α)tan(β)+Δp

Δp＝ΔH tan(β)/(1+tan(γ+α)tan(β)

最后，人们可以获得作为激光柱角、锥体倾角和投射的锥体方向角的函数的投射的改变。

$\mathrm{\δ}=\mathrm{\Δ}H\tan \left(\mathrm{\β}\right)\left(\frac{\tan (\mathrm{\γ}+\mathrm{\α}}{1+\tan (\mathrm{\γ}+\mathrm{\α})\tan \left(\mathrm{\β}\right)}\right)$

感测器阻挡表的计算

锥体倾斜数据区域的信号处理产生一列特征，每个感测器数据箱一个。特征指定数据箱中的台位置和平均感测器水平：

{感测器阻挡_i}＝{台位置_i，感测器水平_i}。

{感测器阻挡_i}特征被处理以产生校准的感测器阻挡特征：

{校准的感测器阻挡_i}＝{感测器水平_i，台位置偏移_i，感测器高度_i}。

感测器阻挡数据箱的台位置和起始锥体阶梯边缘的台位置被用于计算从锥体的起始的台位置偏移：

台位置偏移_i＝台位置_i-台位置(起始锥体)。

然后计算起始锥体阶梯边缘和台位置之间的高度差：

Δhi＝锥体高度(台位置偏移_i)-锥体高度(起始锥体)。

对ΔH_i的校正使用角度α、β、γ的估计来计算锥体投射中的改变，如感测器所看到的：

δ_i＝δ_i(ΔH_i，α，β，γ)

感测器高度_i＝ΔH_i-δ_i。

以下步骤概括计算：

-通过增加的台位置来分类{感测器阻挡_i}特征。

-计算{校准的感测器阻挡_i}。

-将{校准的感测器阻挡_i}特征安置在感测器阻挡表中。

-将最小、最大感测器水平限制安置在感测器阻挡表中。

-计算插值误差估计。

感测器阻挡表-插值

感测器阻挡表通过插值函数来分析。插值函数计算校准的感测器阻挡作为感测器水平的函数。

最小、最大感测器水平限制被用于为插值函数指定有效输入的区域。

构造文件参数感测器水平插值类型被用于在运行时间选择不同的插值方法。

感测器水平插值类型-“线性”

线性最接近相邻插值。

插值误差估计相比感测器高度，感测器高度_i＝台位置偏移处的Sh_i，台位置偏移_i＝s_pi，从位置(i+1)和(i-1)获得的以内插值替换的感测器高度。

插值误差估计_i(InterpolationErrorEst_i)＝(SH_i+1-SH_i-1)(SP_i-SP_i-1)/(SP_i+1-SP_i-1)-SH_i，

插值误差估计i＝ηSH_i+1+(1-η)SH_i-1-SH_i，其中

η＝(SP_i-Sp_i-1)/SP_i+1-Sp_i-1)。

锥体倾角的计算

锥体的常量直径数据区域的信号处理产生一列特征，每个感测器数据箱一个。特征指定数据箱中的台位置和平均感测器水平：

{感测器阻挡_i}＝{台位置_i，感测器水平_i}。

感测器阻挡表被用于计算来自SB特征的特征。

校准的常量数据区域特征被用于计算作为台位置偏移_i＝SP_i的函数的感测器高度数据的线性拟合。

对于每个激光器，左和右感测器数据同时拟合，因为锥体倾角α影响两个。倾角α正向地引起感测器高度在左感测器中增加而在右感测器中降低。

这个方程可以以矩阵形式表达：

最小二乘解是：

该A^TA和Atb具有简单形式：

$A^{T}A=\left(\begin{array}{ccc}[\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\left({{\mathrm{SP}}_j}^L\right)}^2+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left({{\mathrm{SP}}_k}^R\right)}^2]+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SP}}_j}^L-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SP}}_k}^R& & \\ +\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SP}}_j}^L& [N_L=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}1]& 0\\ -\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SP}}_k}^R& 0& [N_R=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}1]\end{array}\right)$

$A^{T}b=\left(\begin{array}{c}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left({{\mathrm{SP}}_j}^L{{\mathrm{SH}}_j}^L\right)-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\left({{\mathrm{SP}}_k}^R{{\mathrm{SH}}_k}^R\right)\\ +\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SH}}_j}^L\\ +\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{SH}}_k}^R\end{array}\right)$

由于激光柱角的阶梯边缘位置改变

激光柱角使阶梯轮廓变宽，并也偏置位置。

锥体3-D定位分析

3-D锥体方向单位向量，

在4个激光器系统的每个中作为锥体倾角观察。向激光器系统“I”的锥体单位向量

的投射是(α_ix，α_iy，α_iz)。

在图30中，α₁，α₂，α₃，α₄是对于θ＝22.5，67.5，112.5，157.5度激光感测器系统的在y′轴上的

的投影。正y′轴是右感测器，而负y′轴是左感测器方向。

锥体单位向量

的x、y分量以以下的方程(沿着台轴的z分量未改变)投射到激光器系统“i”：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nx}}\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ny}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}+{\cos \mathrm{\θ}}_n& +\sin {\mathrm{\θ}}_n\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_n& -\cos {\mathrm{\θ}}_n\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\α}}_y\end{array}\right)$

“y”关系是使用的唯一一个，因为仅测量α_iy，α_iz分量，感测器不测量α_ix。

α_ny＝-α_x sinθ_n+α_y cos θ_n

使用在所有4个激光器系统中的测量，人们可以通过求解以下线性方程来求解锥体单位向量

的两个分量(α_x，α_y)。

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{1y}\\ {\mathrm{\α}}_{2y}\\ {\mathrm{\α}}_{3y}\\ {\mathrm{\α}}_{4y}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}-{\sin \mathrm{\θ}}_1& +\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_2& +{\cos \mathrm{\θ}}_2\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_3& +{\cos \mathrm{\θ}}_3\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_4& +{\cos \mathrm{\θ}}_4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\α}}_y\end{array}\right).$

该方程可以通过最小二乘法求解：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\α}}_y\end{array}\right)={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$

其中

$A^{T}A=\left(\begin{array}{cc}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\sin \mathrm{\θ}}_i\right)}^2& -\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\sin \mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ -\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\sin {\mathrm{\θ}}_i{\cos \mathrm{\θ}}_i& +\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\cos {\mathrm{\θ}}_i\right)}^2\end{array}\right)$

$A^{T}b=\left(\begin{array}{c}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{iy}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ +\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{iy}}\cos {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)$

行进Z轴至锥体Z轴缩放比例

对于锥体轴和行进轴之间的角度中的第二命令来说，沿着行进轴的距离不同于沿着锥体轴的距离。

迭代控制

校准模型分析是迭代过程。算出的迭代的次数是最大迭代(Maxlteration)。在计算出最后迭代之后，迭代控制停止标准被估计，以确定有效的感测器阻挡表是否被构建好。(见以下的一致性检查c-3和c-4。)

一致性检查

c-1：通过增加台位置的分类{感测器阻挡_i}特征应该产生以减小的命令分类的感测器水平(SensorLevel)列表。这确保人们可以产生感测器阻挡表，该感测器阻挡表预示每个有效感测器水平处的独特感测器阻挡高度。

c-2：插值误差的最大绝对值小于感测器水平最大插值误差(SensorLevelMaxInterpolationError)。

c-3：迭代的次数小于或等于最大迭代。

c-4：最后两次迭代之间的感测器阻挡表投影中的变化小于最大感测器投影变化(MaxSensorProjectionChange)。

c-5：从在锥体角度拟合中预示的值的{感测器高度_i}的最大绝对偏离小于最大均方根高度偏离(MaxRmsHeightDev)。

c-6：从通过与3-D单位向量

的拟合预示的值的四个锥体倾角{α_i}的最大绝对偏离小于最大均方根锥体角偏离(MaxRmsConeAngleDev)。

分析和误差传播

在这部分，人们可以看见在基本数据项中已知的误差，诸如阶梯边缘位置和中间感测器值，如何影响系统测量。

由于位置偏移的直径偏差上的由于柱角的感测器阻挡表误差的影响

假设在校准过程中有柱角误差。则左感测器实际高度将被高估，而右感测器实际高度将被低估，且系统直径测量误差将产生。在这种情形下，柱体目标的中心从校准轴的中心的放置偏移将引起被测直径中的系统偏移。

太大的柱角引起对左感测器的锥体的正确投影的低估和对右感测器的高估。

H_L＝H_L ⁰(1-ε)

H_R＝H_R ⁰(1+ε)

被测直径然后可以被表示以具有与柱角误差成比例的系统偏移。

D＝H_L+H_R＝H_L ⁰(1-ε)+H_R ⁰(1-ε)

D＝(H_L ⁰+H_R ⁰)+H_L ⁰-H_R ⁰)ε

D＝D⁰+∈(中心位置)，其中，中心位置定义为

中心位置＝(H_L ⁰-H_R ⁰)。

由于柱角误差的直径测量中的相对误差是：

感测器阻挡表上的柱角误差的影响

柱角误差与锥体倾斜关联，以在感测器阻挡表中系统地(实例)高估左感测器实际高度并低估右感测器实际高度。

H_L＝H_L ⁰(1-tan(β)tan(γ))

对于小柱角：

δH＝±H⁰ tan(γ)δ(tan(β))

对于H＝0.500″，γ＝35°，δH＝0.0001″，应该具有δβ≤0.3mrad＝0.016度。

柱角上的阶梯边缘位置误差的影响

寻找柱角的简单方法找出两个阶梯边缘的位置，并从阶梯位置中的差计算角度。

tan(β)＝(Δ阶梯位置)/直径

δ(tan(β))＝δ(Δ阶梯位置)/直径

两个无关联的阶梯位置的差具有比单个阶梯位置大约大于40％的不确定性。

阶梯位置具有σ≈0.005mm，且在直径＝1.400″，这算出σ(tan(β))≈0.2mrad。

系统直径偏差上的多重扫描校准的影响

系统直径偏差具有误差分布，其类似于用于直径测量的可重复分布。

用于校准的多重扫描减少偏差。

术语表

锥体倾角{α_i}：投影到每个激光器的坐标系统的3-D锥体倾角。

3-D锥体倾角

相对于台行进轴的锥体的对称轴。

激光柱角β：  相对于锥体对称轴的激光光平面的角度。

感测器阻挡表：给出阻挡感测器的目标的尺寸的表，作为原始感测器

              信号的函数。

附录C

总体上，本附录描述了如何将柱体拟合于一点集。该点集可以以任何方式确定。激光实验室中的应用是将柱体拟合于“螺纹峰”位置的集。该柱体被用于估计螺纹区域的大径。用于螺纹峰柱体测量的数据是(台z坐标，感测器高度)对的集。这些数据点是螺纹峰的观察位置。对于6-节距螺纹检查区域，每个螺纹的数据点的数目是4(激光器)*2(感测器)*2(侧面)*6(节距)＝96(数据点)。

然后人们将希望将所有的数据点拟合于在具有5个自由参数的空间内的螺纹峰柱体的简单线性模型：

-柱体半径，R。

-柱体中心线在x和y中的倾斜(α_x，α_y)。

-柱体中心线的(x，y)中心，在检查间隔的起始，(b_x，b_y)。

人们必须用的8个数据集是：

{(z_i(l，s)，h_i(l，s))}，其中

l＝激光器标签，从1…4变化，

s＝感测器标签，L或R，及

i＝数据指数，从1…N(l，s)变化。

例如，对于激光器-2的数据集，光感测器是{(z_i(2，R)，h_i(2，R))}。

为了拟合一个激光器的数据，人们可以展开线性矩阵方程。参数是：

a(l)＝激光中的柱体线的倾斜-l坐标。

a(l)＝激光中的柱体线的中止-l坐标。

r＝柱体半径。

$Z\left(l\right)\left(\begin{array}{c}a\left(l\right)\\ b\left(l\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{z}_1(l,L)& 1\\ & ...\\ z_{N(l,L)}(l,L)& 1\\ z_1(l,R)& 1\\ & ...\\ z_{N(l,R)}(l,R)& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a\left(l\right)\\ b\left(l\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{h}_1(l,L)\\ ...\\ h_{N(l,L)}(l,L)\\ h_1(l,R)\\ ...\\ h_{N(l,R)}(l,R)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}1\\ ...\\ 1\\ -1\\ ...\\ -1\end{array}\right)r$

一个激光器方程可以以块形式表达。

$Z\left(l\right)\left(\begin{array}{c}a\left(l\right)\\ b\left(l\right)\end{array}\right)=h\left(l\right)+s\left(l\right)r$

新向量s(l)是+/-1值的列，其中左感测器值是+1，而右感测器值是-1。

$s\left(l\right)\left(\begin{array}{c}{1}_1\\ ...\\ 1_{N(l,L)}\\ -1_1\\ ...\\ {-1}_{N(l,R)}\end{array}\right)$

人们可以展开块矩阵方程，以将所有4个激光器数据拟合于9个参数。

该参数是：

a(1)，a(2)，a(3)，a(4)，

b(1)，b(2)，b(3)，b(4)，

r.

半径参数由所有4个激光器共有，将参数数目从12减少到9个。

$Z\left(\begin{array}{c}a\left(1\right)\\ b\left(1\right)\\ a\left(2\right)\\ b\left(2\right)\\ a\left(3\right)\\ b\left(3\right)\\ a\left(4\right)\\ b\left(4\right)\\ r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}Z\left(1\right)& 0& 0& 0& s\left(1\right)\\ 0& Z\left(2\right)& 0& 0& s\left(2\right)\\ 0& 0& Z\left(3\right)& 0& s\left(3\right)\\ 0& 0& 0& Z\left(4\right)& s\left(4\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a\left(1\right)\\ b\left(1\right)\\ a\left(2\right)\\ b\left(2\right)\\ a\left(3\right)\\ b\left(3\right)\\ a\left(4\right)\\ b\left(4\right)\\ r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}h\left(1\right)\\ h\left(2\right)\\ h\left(3\right)\\ h\left(4\right)\end{array}\right)=H$

注意：Z指示包含来自所有4个激光器的数据的矩阵，且Z(l)指示包含来自仅一个激光器的数据的数据矩阵。

新的4个激光器方程可以通过标准最小二乘法来求解。我们将示出解以展开Z^TZ和Z^TH矩阵的结构。我们实际上不实际地求解9个参数的集。在下一个部分中，我们将变形方程以消除a(l)和b(l)参数之间的从属，并将未知参数的数目减少至5个。

Z(a(1)b(1)a(2)b(2)a(3)b(3)a(4)b(4)r)^T＝H

(a(1)b(1)a(2)b(2)a(3)b(3)a(4)b(4)r)^T＝(Z^TZ)^-1(Z^TH)

$\left(Z^{T}Z\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{Z}^T\left(1\right)Z\left(1\right)& 0& 0& 0& Z^T\left(1\right)s\left(1\right)\\ 0& Z^T\left(2\right)Z\left(2\right)& 0& 0& Z^T\left(2\right)s\left(2\right)\\ 0& 0& Z^T\left(3\right)Z\left(3\right)& 0& Z^T\left(3\right)s\left(3\right)\\ 0& 0& 0& Z^T\left(4\right)Z\left(4\right)& Z^T\left(4\right)s\left(4\right)\\ {\left(Z^T\left(1\right)s\left(1\right)\right)}^T& {\left(Z^T\left(2\right)s\left(2\right)\right)}^T& {\left(Z^T\left(3\right)s\left(3\right)\right)}^T& {\left(Z^T\left(4\right)s\left(4\right)\right)}^T& {\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)s\left(l\right)\end{array}\right)$

$Z^{T}H=\left(\begin{array}{c}{Z}^T\left(1\right)h\left(1\right)\\ Z^T\left(2\right)h\left(2\right)\\ Z^T\left(3\right)h\left(3\right)\\ Z^T\left(4\right)h\left(3\right)\\ {\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)h\left(l\right)\end{array}\right)$

人们现在确定重要子矩阵的数值结果。

首先，激光器l的Z^T(l)Z(l)子矩阵。

$Z^T\left(l\right)Z\left(l\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{z}_i{(l,L)}^2+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{z}_i{(l,R)}^2& {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{z}_i(l,L)+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{z}_i(l,R)\\ {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{z}_i(l,L)+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{z}_i(l,R)& N(l,L)+N(l,R)\end{array}\right)$

结果相当简单，一个矩阵，其包含累加的感测器位置、正方形的累加的感测器位置和用于激光器l的测量的次数。对于此情况，你不必分别为L和R感测器求和。

$Z^T\left(l\right)Z\left(l\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_i{\left(z_i\right)}^2& {\mathrm{\Σ}}_i{z}_i\\ {\mathrm{\Σ}}_i{z}_i& N\left(l\right)\end{array}\right)$

第二，激光器-1的Z^T(l)i(l)向量。

$Z^T\left(l\right)s\left(l\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{z}_i(l,L)-{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N(l,R)}{z}_j(l,R)\\ N(l,L)-N(l,R)\end{array}\right)$

这也是简单的，包含左和右位置之间的差及左和右数据项数之间的差。在此需要单独的L和R感测器的和。

第三，向量Z^T(l)h(l)。

该向量包含高度和台坐标之间的关联以及感测器高度的累加和。

$Z^T\left(l\right)h\left(l\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{h}_i(l,L)z_i(l,L)+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{h}_i(l,R)z_i(l,R)\\ {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{h}_i(l,L)+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{h}_i(l,R)\end{array}\right)$

第四，值

这是L和R感测器之间的累加的高度差。

${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)h\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,L)}{h}_i(l,L)-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,R)}{h}_i(l,R)\}$

最后，值

这是左和右数据点的数目之间的差。

${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)s\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\{N(l,R)+N(l,L)\}=N\left(L\right)+N\left(R\right)=N$

执行-唯一的累加值

在要求的项上的回顾显示仅有5个不同的项，它们各需要为各个激光器和感测器指数的集累加。这达成了总计40个唯一值。

$\mathrm{sSqZ}(l,s)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,s)}{\left(z_i(l,s)\right)}^2.$

$\mathrm{sZ}(l,s)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,s)}{z}_i(l,s).$

$N(l,s)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,s)}1.$

$\mathrm{sHZ}(l,s)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,s)}{h}_i(l,s)z_i(l,s).$

$\mathrm{sH}(l,s)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N(l,s)}{h}_i(l,s).$

项的和与差可以以简单的符号表达。

如果抑制了感测器自变量，则L和R感测器的和表示为：

sSqZ(l)＝sSqZ(l，L)+sSqZ(l，R)。

如果抑制了激光器自变量，则所有激光器的和表示为：

$\mathrm{sH}\left(L\right)-\mathrm{sH}\left(R\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\{\mathrm{sH}(l,L)-\mathrm{sH}(l,R)\}$

符号Δ指示左感测器减去右感测器的差是：

ΔN(l)＝N(l，L)-N(l，R)，

ΔN＝N(L)-N(R)，

ΔsZ(l)＝sZ(l，L)-sZ(l，R)。

具有这些的累加值

$Z^T\left(l\right)Z\left(l\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{sSqZ}\left(l\right)& \mathrm{sZ}\left(L\right)\\ \mathrm{sZ}\left(l\right)& N\left(l\right)\end{array}\right),$

$Z^T\left(l\right)s\left(l\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{sZ}(l,L)-\mathrm{sZ}(l,R)\\ N(l,L)-N(l,R)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)\\ \mathrm{\ΔN}\left(l\right)\end{array}\right),$

$Z^T\left(l\right)h\left(l\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{sHZ}\left(l\right)\\ \mathrm{sH}\left(l\right)\end{array}\right),$

${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)h\left(l\right)=\mathrm{sH}\left(L\right)-\mathrm{sH}\left(R\right)=\mathrm{\ΔsH},$

${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4{s}^T\left(l\right)s\left(l\right)=N\left(L\right)+N\left(R\right)=N.$

3-D坐标向激光器坐标的投影

指定为以上9参数拟合的8个参数的参数a(i)，b(i)实际上是3-D螺纹轴参数a_x、a_y、b_x、b_y的投影。投影矩阵P限定了从5参数拟合到9参数拟合的映射。角度a_i是激光束关于台(x，y)轴的角度。例如，激光器-1以22.5度入射，激光器-2以67.5度入射，激光器-3以112.5度入射，且激光器-4以157.4度入射。

$\left(\begin{array}{c}a\left(1\right)\\ b\left(1\right)\\ a\left(2\right)\\ b\left(2\right)\\ a\left(3\right)\\ b\left(3\right)\\ a\left(4\right)\\ b\left(4\right)\\ r\end{array}\right)=P\left(\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ b_x\\ b_y\\ r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}-\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ b_x\\ b_y\\ r\end{array}\right)$

使用投影矩阵，我们能够将在前的矩阵向量方程从9维问题减少至5维问题。

$Z\left[\begin{array}{c}a\left(1\right)\\ b\left(1\right)\\ a\left(2\right)\\ b\left(2\right)\\ a\left(3\right)\\ b\left(3\right)\\ a\left(4\right)\\ b\left(4\right)\\ r\end{array}\right]=\mathrm{ZP}\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ b_x\\ b_y\\ r\end{array}\right]=H$

对于仅一个激光器，方程是相当简单的。

z_i(l，s)a(l)+b(l)+δ(s)r＝h_i(l，s)，其中

l＝激光器指数，

s＝感测器指数，

i＝数据指数，

a(l)＝-sin(α_l)a_x+cos(α_l)a_y

b(l)＝-sin(α_l)b_x+cos(αl)b_y且

δ(s)＝(+1)对于(s＝＝左)

     ＝(-1)对于(s＝＝右)

这是最小二乘解：

(a_x a_y b_x b_y r)^T＝(P^T(Z^TZ)P)^-1(P^TZ^T)H。

向量(P^TZ^T)H可以在简化的值符号中计算。其仅是以cos(α₁)或sin(α₁)因数加权的和HZ(1)或和H(1)项的线性组合。

$P^T\left(Z^{T}H\right)=\left(\begin{array}{ccccccccc}-\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0& 0\\ \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0& 0\\ 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{sHZ}\left(1\right)\\ \mathrm{sH}\left(1\right)\\ \mathrm{sHZ}\left(2\right)\\ \mathrm{sH}\left(2\right)\\ \mathrm{sHZ}\left(3\right)\\ \mathrm{sH}\left(3\right)\\ \mathrm{sHZ}\left(4\right)\\ \mathrm{sH}\left(4\right)\\ \mathrm{\ΔsH}\end{array}\right)$

$P^T\left(Z^{T}H\right)=\left(\begin{array}{c}-{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\sin \left({\mathrm{\α}}_l\right)\mathrm{sHZ}\left(l\right)\\ +{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\cos \left({\mathrm{\α}}_l\right)\mathrm{sHZ}\left(l\right)\\ -{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\sin \left({\mathrm{\α}}_l\right)\mathrm{sH}\left(l\right)\\ +{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^4\cos \left({\mathrm{\α}}_l\right)\mathrm{sH}\left(l\right)\\ \mathrm{\ΔsH}\end{array}\right)$

矩阵(P^TZ^TZP)也可以在简化的值符号中计算。

中间结果：

$\left(P^T\left(Z^{T}Z\right)P\right)=P^T)\left(\begin{array}{ccccc}-\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(1\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(1\right)& \mathrm{\ΔsZ}\left(1\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(1\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(1\right)& \mathrm{\ΔN}\left(1\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sSqZ}\left(2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sSqZ}\left(2\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sZ}\left(2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sZ}\left(2\right)& \mathrm{\ΔsZ}\left(2\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sZ}\left(2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)\mathrm{sZ}\left(2\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)N\left(2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)N\left(2\right)& \mathrm{\ΔN}\left(2\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sSqZ}\left(3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sSqZ}\left(3\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sZ}\left(3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sZ}\left(3\right)& \mathrm{\ΔsZ}\left(3\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sZ}\left(3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)\mathrm{sZ}\left(3\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)N\left(3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)N\left(3\right)& \mathrm{\ΔN}\left(3\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sSqZ}\left(4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sSqZ}\left(4\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sZ}\left(4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sZ}\left(4\right)& \mathrm{\ΔsZ}\left(4\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sZ}\left(4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)\mathrm{sZ}\left(4\right)& -\sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)N\left(4\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)N\left(4\right)& \mathrm{\ΔN}\left(4\right)\\ -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)& N\end{array}\right)$

最终结果是混合来自单独的激光器的数据的具有sin( )和cos( )项的5×5矩阵。

$\left(P^T\left(Z^{T}Z\right)P\right)=\left(\begin{array}{ccccc}+\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{si}{n}^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)\\ -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{si}n\left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{co}{s}^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sSqZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)\\ +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{si}{n}^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)\\ -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{co}{s}^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{sZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)N\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)\\ -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔsZ}\left(l\right)& -\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)& +\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)\mathrm{\ΔN}\left(l\right)& N\end{array}\right)$

人们可以定义一个4元向量的集，以使在前的结果看起来更简洁。

$\stackrel{\→}{\sin }=\left(\begin{array}{cccc}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\cos }=\left(\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\left(\sin \cos \right)}=\left(\begin{array}{cccc}\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_4\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{{\left(\sin \right)}^2}=\left(\begin{array}{cccc}{\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)& {\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_2\right)& {\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_3\right)& {\sin }^2\left({\mathrm{\α}}_4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{{\left(\cos \right)}^2}=\left(\begin{array}{cccc}{\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_1\right)& {\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_2\right)& {\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_3\right)& {\cos }^2\left({\mathrm{\α}}_4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{sSqZ}}=\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{sSqZ}\left(1\right)& \mathrm{sSqZ}\left(2\right)& \mathrm{sSqZ}\left(3\right)& \mathrm{sSqZ}\left(4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{sZ}}=\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{sZ}\left(1\right)& \mathrm{sZ}\left(2\right)& \mathrm{sZ}\left(3\right)& \mathrm{sZ}\left(4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{sH}}=\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{sH}\left(1\right)& \mathrm{sH}\left(2\right)& \mathrm{sH}\left(3\right)& \mathrm{sH}\left(4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{sHZ}}=\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{sHZ}\left(1\right)& \mathrm{sHZ}\left(2\right)& \mathrm{sHZ}\left(3\right)& \mathrm{sHZ}\left(4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{N}=\left(\begin{array}{cccc}N\left(1\right)& N\left(2\right)& N\left(3\right)& N\left(4\right)\end{array}\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔN}}=\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{\ΔN}\left(1\right)& \mathrm{\ΔN}\left(2\right)& \mathrm{\ΔN}\left(3\right)& \mathrm{\ΔN}\left(4\right)\end{array}\right)$

ΔsH＝(ΔsH(1)ΔsH(2)ΔsH(3)ΔsH(4))

ΔsZ＝(ΔsZ(1)ΔsZ(2)ΔsZ(3)ΔsZ(4))

最终结果如下。

每个项不是表示4激光器中的每个的入射角的几何向量和表示4激光器中的每个获得的数据向量的点积。对于(P^T(Z^TZ)P)有15个要计算的自变数，而对于P^T(Z^TH)P有5个。

简单情况

假设柱体与z-轴严格对齐，且数据严格地定中心在每个感测器的中心线的上方和下方。则在每个感测器中，左感测器将具有类型(x，h)的测量点，而右感测器将具有类型(x，-h)的测量。这将意味着sHZ和sH项将是0。ΔsH项将是+h和-(-h)项的和或者ΔsH≈Nh。

则解方程将读为：

这具有解

a_x＝a_v＝b_x＝b_v＝0，

r＝Nh/N＝h。

附录D

光平面产生器接收器和光平面产生器模块的光学和机械部件的装配和对准方法采用图31的对准夹具100来执行。对准夹具包括光学轨道，修正的试验板120、151和180，及多个定制和商业上可用的光机械定位装置。总体上以159指示并定位在实验板151上的检测器组件复制光平面接收器模块的功能。

对准夹具100还包括参考激光器118，该激光器118被对准，使得其光束的中心线水平地平行于参考试验板120和151，及透镜和镜安装架304界面。优选地，激光器118是空间过滤的固体激光器，诸如可从密歇根州的Middleville的流明公司(LumenFlow Corp.)获得的40001。

还显示支撑在试验板120上的是参考棱镜(也即偏菱形棱镜)组件122，其使用在此是详细的。因为本公开内容是对合适的功能模块重要的装配方法，所以本公开内容强调了夹具的界面连接部件，同时集中于产生模块的方法的详细步骤上。

图31的对准夹具100包括轨道和多个台组件，总体上以102指示，其则包括总体上以104指示的轨道组件。轨道组件104包括由数对长椅腿108支撑的轨道106。对准夹具100还包括可滑动地安装在轨道106上的一套轨道架110。

对准夹具100还包括总体上以112指示的发射器台组件。发射器台组件112包括总体上以113指示的L1(也即第一透镜)操纵器台组件、L2(也即第二透镜)操纵器台组件114和L3(也即第三透镜)操纵器台组件116。

每个组件113、114和116与试验板或底板120上的激光器118及其支撑架119一起被支撑。

参考棱镜(也即偏菱形棱镜)组件122、对准孔124、滤光器安装架126和柱固定器128也显示支撑在试验板120上。

精确的偏菱形棱镜组件122对于模块的组件、对准和聚焦仪器的校准、及光学头的组件是重要的。

组件122包括两个金属板、两个钉销和偏菱形棱镜。

偏菱形棱镜组件122是计量器，其建立(通过透镜316)进入发射器的激光器光的高度(优选地，0.984″)和(通过透镜310)进入发射器的激光器光的高度(优选地，1.679″)之间的高度差。

高度由以下设定：

-精确地加工的钉销位置；及

-偏菱形的精确形状。

偏菱形棱镜具有这样的特征，即进入棱镜的直光束以直线和以严格地平行于进入束的束路径的路径存在于棱镜。进入和出去的束之间的高度差由棱镜相对于进入束的转动角度设定。

对准夹具100还包括夹子柱组件130，其具有也支撑在试验板120上的运动球。

对准夹具100还包括总体上以132指示的继电器望远镜组件，而继电器望远镜组件则包括继电器对组件134和IR对136。继电器望远镜132通过望远镜安装架138安装在架110上。

另一个架110安装在轨道106上，柱140在夹具100的一端由该架110支撑。柱140支撑滤光器或目标固定器142。接着，固定器142支撑目标210。

对准夹具100还包括接收器台组件150，而接收器台组件150则包括试验板或底板151。接收器台组件150包括具有对准孔154的对准组件152。

接收器台组件150还包括支撑在试验板151上的光学轨道156。总体上以159指示的检测器组件可调整地安装在轨道156上。检测器组件159包括电子板157，以及具有孔155的感测器安装架。接收器台组件150还包括滤光器安装架160和垂直狭缝162。

接收器台组件150还包括操纵器托架164和组件166，该组件166具有安装在其远端的运动球168。

接收器台组件150还包括L4(也即第四透镜)操纵器台组件170。

L1操纵器台组件113包括试验板180，其上安装有x-y台组件184以及运动基部186。提供有调节螺杆182以调节台组件184的位置。夹子臂188安装在台组件113的远端。

图31和37一起阐明：用于连接到螺杆116的透镜310的夹子；板120下方的连接到夹子114的螺杆；连接到夹子188的杆的旋转螺杆；322的下部的两个螺杆孔建立了322的旋转调节轴；及322的上方的一个螺杆孔建立了绕着322调节轴的旋转的控制。

发射器对准过程概述。

发射器模块的光学部件的对准对于激光实验系统的操作是重要的。采用对准和聚焦(也即A&F)仪器或夹具100完成对准。

发射器模块安装在A&F仪器100内，使用了模块的参考表面“A”、“B”和“C”。参考表面“A”平直地安装到基板120，该基板120已经平行于激光束对准，该激光束用于A&F仪器100中并由激光器118产生。参考表面“C”被制成齐平于两个运动安装架，该运动安装架已经平行于激光束118对准。参考表面“B”齐平于一个运动安装架，并建立沿着激光器118的束线的正确位置。

镜-2安装在模块304的参考表面“E”上。镜-1安装在板322，该板322安装到参考表面“F”。

在对准过程中，光学部件被构造成使用在前详细说明的过程符合系统要求。在对准过程中，A&F器100用一套夹子和零件固定器保持零件在适当位置处。当对准过程完成时，光学部件被用胶固定到模块304的表面，该胶永久地将它们保持在适当的位置处。

以下是一列发射器光学模块部件及其固定在对准和聚焦仪器100中的调节器：

-第一柱体透镜316：板318被夹在A&F零件188中。188可以在三个方向移动：(用螺杆182)线性地平行于激光束和线性地垂直于激光束，以及绕着杆保持夹子188的轴旋转。

-第二柱体透镜312：用板120下方的连接于114的螺杆线性地垂直于激光束。该透镜还可在夹子114中旋转。

-第三柱体透镜310：线性地垂直于激光束，在上-下方向通过螺杆116相关于板120。该透镜还可在连接于螺杆116的夹子中旋转。

-可调整的镜安装架322：关于由下部两个螺杆安装架322至304建立的轴的光学调整。由322的顶部螺杆控制的调整。

因此，有总计8个独立的调节参数用于发射器模块。每个参数在对准过程中被最优化，并在模块66从A&F器100移除之前用胶固定。

1.0生产光平面产生器模块组件：

1.1将加工的透镜和镜安装架304安装到试验板120。将对准孔放在参考激光束路径中，使得激光束穿过孔而不产生扭曲。

1.2将透镜312安装在安装架304中并对准，使得束流穿过孔并与激光束轴一致。从束路径移除孔。

1.3装配L1子组件320部件、柱体透镜316、L1透镜安装板318和透镜安装基部319。将子组件320装配至安装架304。

1.4关于激光束轴调节透镜312的旋转位置，使得束分布是水平的(图32)。

1.5关于提供的一个自由度调节透镜316的旋转位置，使得束分布是平的(图33)。

1.6沿着激光束轴调节透镜316的位置，使得在大于或等于216″的距离处和距加工的透镜和镜安装架304的出口孔4″的距离处束宽在视觉上是相等的。

1.7调节透镜316的水平位置，使得能量分布在束分布中在视觉上是平稳的。

1.8重新调节透镜312的水平位置，使得束沿着激光束轴定中心。

1.9沿着激光束轴重新调节透镜316的位置，使得全角激光束发散性小于.25m弧度。

θ＝(d2-d1)/l2-l1)    

其中，θ是在弧度中的束发散性；d1是距离1处的水平束宽；d2是距离2处的水平束宽；l1是从加工的透镜和镜安装架304的输出孔到距离1处的束测量点的距离；l2是从加工的透镜和镜安装架304的输出孔到距离2处的束测量点的距离。

1.10将透镜310装配至加工的透镜和镜安装架304。确保透镜310亲密于加工的透镜和镜安装架304。

1.11布置激光束路径中的150μm的狭缝孔，使得狭缝平行于在1.679″±.002″高度处的加工的透镜和镜安装架304安装表面。调节透镜304的垂直位置，使得束穿过狭缝开口。当光的最大量通过孔时，对准是最适宜的。从束路径移除狭缝孔。

1.12旋转地调节透镜310的位置，使得束分布不被扭曲(也即，不像图35)，并总体上形成矩形(也即，像图36)。

1.13将对准夹具100的检测器组件159放置在激光束路径中。调节透镜312，使得削弱的束分布对准激光束轴。

1.14水平地调节透镜316的位置，使得在使用检测器组件159和双重踪迹示波镜读出器测量时，输出能量越过激光束分布分布成等于±5mV。

1.15校验瞄准、束流高度、扭曲、能量分布和束指向。必要时校正。施加和固化粘合剂，以将光学部件固定地安装到安装架304。

1.16从对准夹具100移除装配的光平面产生器模块。

2.0生产光平面接收器模块组件：

2.1将参考偏菱形棱镜122安装到试验板120，以建立1.679″的平行于加工的透镜和镜安装架500的激光束偏移高度。

2.2将加工的透镜和镜安装架500安装到试验板151。

2.3将透镜506装配至加工的透镜和镜安装架500。确保透镜506亲密于加工的透镜和镜安装架500。

2.4对准透镜506，以便束与激光束轴一致。

2.5使用对准夹具100中提供的柱体透镜固定器将柱体透镜316放置在束路径中，定位成使得激光平面输出平行于加工的透镜和镜安装架500的安装表面。

2.6通过螺杆516(图47)将L5子组件部件、接收器球透镜508(两个)和透镜安装板504装配至加工的透镜和镜安装架500。

2.7将目标卡及划在1.679″±.002″处的线设置在加工的透镜和镜安装架500的后表面。

2.8垂直地调节透镜对，使得激光束冲击划线。

2.9调节透镜对508的水平位置，以便激光束冲击一对中心接缝，使得所得到的点在视觉上亮度相等。移除目标卡。

2.10使用螺杆505将孔元件510和滨松光探测器514装配至检测器安装架502。

2.11使用螺杆505将检测器安装架522装配至加工的透镜和镜安装架500。

2.12水平地调节检测器安装架502的位置，使得束被聚焦到检测器514上而不剪孔元件510边缘。

2.13从夹具移除偏菱形棱镜122和柱体透镜316。将选择的光平面产生器模块安装到试验板120。

2.14调节透镜对508的水平位置，以便在使用滨松光探测器514输出和双重踪迹示波镜读出器测量时，输出能量越过激光束分布分布成等于±5mV。

2.15检验束被聚焦到检测器514而不剪孔元件510边缘。

2.16施加和固化粘合剂，以将光学部件固定地安装到安装架500。

2.17从对准夹具100移除装配的光平面产生器模块和光平面接收器模块对。

Claims (24)

1.一种光学检测零件的方法，所述方法包括：

沿测量轴支撑零件；

用一系列间隔开的辐射平面扫描所述零件，使得所述零件沿所述轴以间隔开的位置阻挡所述辐射平面中的每一个，以产生所述辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分，其中，所述无阻挡平面部分中的每一个包含代表所述零件的相应的几何尺寸的辐射的量；

测量存在于所述无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量，以获得测量信号；

处理所述测量信号以获得原始数据；

提供校准数据；以及

处理所述校准数据和所述原始数据以获得所述零件的测量结果。

2.如权利要求1所述的方法，其中，扫描的步骤包括相对于所述零件线性地移动所述一系列间隔开的辐射平面的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述平面部分的数量是所述辐射平面的数量的两倍。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射平面中的每一个从相对于所述轴的不同的方位角方向扫描所述零件。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述辐射平面具有相对于所述轴的基本上均匀的方位角间隔。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射平面中没有一个是共面的。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射平面是等间隔的。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射是激光辐射。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述激光辐射是可见的。

10.如权利要求1所述的方法，其中，由相同的辐射平面产生的无阻挡平面部分的相邻对是共面的。

11.一种用于光学检测零件的系统，所述系统包括：

支撑件，其用于沿测量轴支撑待检测的零件；

头装置，其包括多个辐射源，所述多个辐射源用于在所述零件处引导一系列间隔开的辐射平面，使得所述零件沿所述轴以间隔开的位置阻挡所述辐射平面中的每一个，以产生所述辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分，其中，所述无阻挡平面部分中的每一个包含代表所述零件的相应的几何尺寸的辐射的量，所述头装置还包括多个接收器模块，以便测量存在于所述无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量来获得测量信号；

可移动的台子系统，其耦合到所述头装置，以便使所述头装置相对于所述零件平移，使得所述间隔开的辐射平面扫描由所述支撑件支撑的所述零件；

信号处理器，其用于处理所述测量信号以获得原始数据；

存储器，其用于储存校准数据；以及

数据处理器，其用于处理所述校准数据和所述原始数据以获得所述零件的测量结果。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述台子系统相对于设备线性地移动所述头装置。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述平面部分的数量是所述辐射平面的数量的两倍。

14.如权利要求11所述的系统，其中，所述辐射平面中的每一个从相对于所述轴的不同的方位角方向来扫描所述零件。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述辐射平面具有相对于所述轴的基本上均匀的方位角间隔。

16.如权利要求11所述的系统，其中，所述辐射平面中没有一个是共面的。

17.如权利要求11所述的系统，其中，所述辐射平面是等间隔的。

18.如权利要求11所述的系统，其中，所述辐射是激光辐射。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述激光辐射是可见的。

20.如权利要求11所述的系统，其中，由相同的辐射平面产生的无阻挡平面部分的相邻对是共面的。

21.如权利要求1所述的方法，其中，提供的步骤包括以下步骤：

支撑具有中心轴和关于所述中心轴旋转对称的多个区域的校准设备；

用所述一系列间隔开的辐射平面扫描所述设备，使得所述设备沿所述中心轴以间隔开的位置阻挡所述辐射平面中的每一个，以产生所述辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分，其中，所述无阻挡平面部分中的每一个包含代表所述设备的相应的几何尺寸的辐射的量；

测量存在于所述无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量，以获得设备测量信号；以及

处理所述设备测量信号以获得校准数据。

22.如权利要求21所述的方法，其中，轴基本上共轴。

23.一种用于光学检测零件的系统，所述系统包括：

支撑结构，其用于沿测量轴以间隔开的位置支撑具有中心轴的校准设备和待检测的零件；

头装置，其包括多个辐射源，所述多个辐射源用于在所述设备和所述零件处接连地引导一系列间隔开的辐射平面，使得所述设备和所述零件沿所述设备和所述零件的相应的轴以间隔开的位置阻挡所述辐射平面中的每一个，以产生所述辐射平面的相应的一系列无阻挡平面部分，其中，所述无阻挡平面部分中的每一个包含代表所述设备或所述零件的相应的几何尺寸的辐射的量，所述头装置还包括多个接收器模块，以便测量存在于所述无阻挡平面部分中的每一个中的辐射的量来获得设备和零件测量信号；

可移动的台子系统，其耦合到所述头装置，以便使所述头装置相对于所述设备和所述零件平移，使得所述间隔开的辐射平面扫描由所述支撑结构支撑的所述设备和所述零件；

信号处理器，其用于处理所述测量信号以获得原始数据和校准数据；以及

数据处理器，其用于处理所述校准数据和所述原始数据以获得所述零件的测量结果。

24.如权利要求23所述的系统，其中，所述轴基本上共轴。

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