CN103528538A - 基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置，该辅助装置主要包括计算机、直角三坐标伺服机构、导航小车。导航小车上安装一滑台，直角三坐标伺服机构可以在滑台上沿X方向移动，夹持机构末端夹持靶标，另一端与直角三坐标的进给机构相连，进给机构可以沿Y方向移动，同时还可以在直角三坐标立柱上做Z方向移动，在夹持机构与进给机构连接处安装一接近开关，测量时以该接近开关信号为判断靶标到位的依据进行数据测量，当测量区域不在直角三坐标伺服机构的行程范围内时，依据X轴方向上的限位开关信号自动控制导航小车运动使测量装置到达下一测量区域。该装置可以实现对多站位上的大型面进行全自动、高精度、高效率连续测量。

Description

基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置

 

技术领域

本发明涉及大型面三维测量技术，特别涉及一种基于激光跟踪仪的多站位大型面的自动化测量辅助装置。

背景技术

随着现代制造技术的迅速发展，企业对产品的性能提出了越来越高的要求，尤其是对大型复杂曲面不仅要求制造周期短，而且制造精度要求高。因此，对大型面表面轮廓的三维测量技术成为了国内外研究的热点之一，它被广泛应用于航空航天、汽车、在线监测与机械制造等领域。

当前，针对大型面的测量一般采用的设备包括大型龙门式三坐标测量机、便携式关节臂测量系统及激光跟踪仪。大型龙门式三坐标测量机测量精度高，但是体积庞大、便携性、灵活性差；便携式关节臂柔性较好，但是对大型面的测量需要统一多台关节臂的坐标；激光跟踪仪作为一种三维数字化测量技术迅速发展，给制造业虽然带来了很大便捷，但激光跟踪仪作为一种测量工具，通过人工手持靶标对点进行逐个测量不仅测量效率低，而且精度不高，同时增加了工人劳动量，特别是对一些测量线、大型复杂曲面等的测量。因此，在这种情况下需要根据待测曲面的形状，设计合理的测量方案，以及设计必要的一系列辅助装置，从而达到测量目标。例如，对多站位上的飞机大尺寸翼面进行三维测量，测量点数很多，工作量大，人工测量难以完成。鉴于激光跟踪仪无法完成这类测量数据工作量较大的曲面的测量，需要设计一种辅助装置，通过对待测曲面进行数据提取，然后上位机与该辅助装置、上位机与激光跟踪仪进行数据通讯，实现这类曲面的方便快捷、全自动、快速、高精度测量。

中国专利 “一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置及测量方法”（ 公告号CN102607464A），文中公开的辅助装置主要包括四驱小车，安装在小车前端的平行四边形升降机构组成。升降机构一侧安装在一个圆盘上，通过四个螺栓将圆盘安装在小车上，激光跟踪仪的靶标安装在升降机构上，当小车运动时升起靶标不与被侧面接触，测量时下降与被侧面充分接触。通过实时测量靶标与跟踪头各自的空间角度，然后改变靶标的姿态实现靶标与跟踪头自动对准。该装置能有效避免测量过程中出现的断光现象，但是在实际应用中还存在不足：

1)        该升降机构运动控制复杂，没有实现对靶标的运动进行自动控制，在实际操作过程中测量工作量大。

2)        无法实现靶标的准确定位，只能靠人工观测，因此靶标定位精度低。同时没有安装限位开关，无法判断靶标是否过度接触产品。

3)        四驱小车没有实现自动控制，无法实现小车准确到达测量位置以及在两个测量区域之间测量机构的自动移动。

4)        该测量机构不适合大型面的自动化测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光跟踪仪的大型面全自动辅助测量装置，不仅可对大型面结构进行自动化测量，且具有利用激光跟踪仪对多站位的产品进行快速测量的特点，靶标定位精度也大幅提高。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置，包括导航小车、直角三坐标伺服机构、靶标、计算机控制系统及激光跟踪仪，其中直角三坐标伺服机构安装在导航小车上，靶标被夹持在直角三坐标伺服机构上，计算机控制系统分别连接导航小车、直角三坐标伺服机构及激光跟踪仪。

所述直角三坐标伺服机构包括滑台、进给机构、夹持机构和立柱，其中滑台安装在导航小车上，立柱安装在滑台上实现在滑台上做X方向运动；进给机构安装在立柱上实现沿立柱做Z方向运动，末端夹持靶标的夹持机构与进给机构相连接实现做Y方向运动；在滑台侧面、进给机构的滑台侧面、立柱侧面各安装有两个限位开关和一个复位开关，限位开关用于控制直角三坐标伺服机构的三轴行程，复位开关用于控制三轴复位。

所述夹持机构与进给机构连接处安装有一弹簧、一个接近开关和一个限位开关，其中弹簧与接近开关配合防止靶标进给过量。

所述夹持机构往Z轴反方向倾斜，与进给机构呈一钝角，同时整个进给装置在X方向为一活动装置，实现沿X方向自由偏置，其偏置距离可以自行调节，这样有效避免了机构本身对激光跟踪仪引起的断光现象。

所述导航小车的四个角点采用万向轮结构，中间是安装有弹簧减震装置的两个驱动轮，导航小车前部安装有电子摄像头以及报警器，整个驱动部分靠8个并联的48V输出电瓶供电，采用两个电机驱动小车前后左右移动。

所述夹持机构末端安装一内圈有磁铁的半圆柱套筒，该半圆柱套筒前表面采用螺丝连接一圆锥形套筒，该圆锥形套筒内圈曲率和靶标球外观曲率大致接近，靶标卡在锥形套筒内，方便靶标的安装与拆卸。

本发明的测量装置结构相对简单，主要由导航小车、直角三坐标伺服机构、计算机控制系统及激光跟踪仪四部分组成。导航小车用于将直角三坐标伺服机构移动到被测对象现场以及实现测量装置在站位与站位之间的移动，可对多站位上的产品进行测量，特别适合大尺寸产品的测量需求，制造成本也相对较低，不随测量范围的增大而增加投资。导航小车上安装滑台，直角三坐标伺服机构可以在滑台上做X方向移动，夹持机构末端安装靶标，进给机构可以带动夹持机构做Y方向移动，同时进给机构和夹持机构可以在立柱上做Z方向移动。当靶标接触待测件时，夹持机构与进给机构连接处的弹簧被压缩，接近开关发出信号控制直角三坐标伺服机构停止进给，再采集该测量点的数据，保证了测量精度。计算机控制系统对导航小车、直角三坐标伺服机构进行全面控制，实现了对待测产品的自动化测量。

附图说明

图1为基于激光跟踪仪的大型面自动化测量系统布局图。图中：1为待测产品，2为靶标，3为工装，4为直角三坐标伺服机构，5为计算机，6为激光跟踪仪，7为地面，8为导航小车。

图2为直角三坐标伺服机构滑台等轴视图。图中：9为滑台，10为直角三坐标伺服机构基座，11为X向丝杠，12为X向伺服电机，13为限位开关X0，14为复位开关X，15为限位开关X1。

图3为进给机构和夹持机构等轴视图。图中：16为Y向丝杠，17为进给机构，18为弹簧，19为come0限位开关，20 come1为接近开关，21为夹持机构，22为限位开关Y1，23为滑轨，24为复位开关Y，25为限位开关Y0，26为Y向伺服电机。

图4为夹持机构局部视图。图中：27为内圈带磁铁的半圆形套筒，28为圆锥套筒。

图5为直角三坐标伺服机构立柱等轴视图。图中：29为限位开关Z1，30为复位开关Z，31为限位开关Z0，32为Z向伺服电机，33为Z向丝杠，34为立柱。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征与功效易于理解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示为本发明整体系统布局图，测量系统主要由计算机控制系统5、直角三坐标伺服机构4、导航小车8及激光跟踪仪6组成。其中，直角三坐标伺服机构4安装在导航小车8上，靶标2被夹持在直角三坐标伺服机构4上。计算机控制系统5主要用于与直角三坐标伺服机构和激光跟踪仪进行数据通讯，并且提取待测产品数据信息。通过提取的数据控制直角三坐标伺服机构运动到相应的待测点，再进行数据测量。待测的产品1安装在工装3上，工装被置于地面7，激光跟踪仪6安装在地面上并位于产品正面指定位置。

如图2、图3、图5所示为直角三坐标伺服机构部件等轴视图，直角三坐标伺服机构由滑台9、进给机构17、夹持机构21、立柱34等部分组成。立柱34安装在沿滑台9滑动的基座10上，进给机构17安装在立柱34上，夹持机构21再与进给机构17相连，夹持机构21末端夹持靶标2，靶标2有3个自由度，分别沿着滑台9做X方向移动、沿进给机构17做Y方向移动、沿着立柱34做Z方向移动，各方向的的移动分别由X向丝杠11、 X向伺服电机12；Y向丝杠16、Y向伺服电机26；Z向丝杠33、Z向伺服电机32实现。

在三个运动方向上各有2个限位开关和一个复位开关，其中，限位开关X0 13、限位开关X1 15、复位开关X 14安装在滑台9侧面，限位开关X0、X1用于控制直角三坐标伺服机构X方向的行程，复位开关X用于控制直角三坐标伺服机构X向复位；限位开关Y0 25、限位开关Y1 22、复位开关Y 24安装在进给机构的滑台侧面，限位开关Y0、Y1用于控制直角三坐标伺服机构Y方向的行程，复位开关Y用于控制直角三坐标伺服机构Y向复位；限位开关Z0 31、限位开关Z1 29、复位开关Z 30安装在立柱侧面，限位开关Z0、Z1用于控制直角三坐标伺服机构Z方向的行程，复位开关Z用于控制直角三坐标伺服机构Z向复位。夹持机构21与进给机构17连接处有一个come0限位开关19、一个come1接近开关20以及一个弹簧18。为了防止测量过程中出现断光现象，进给机构17与夹持机构21可以在滑轨23上沿X方向自由调节，同时夹持机构21向Z轴反方向偏置，并与进给机构17呈一钝角。

导航小车8作为直角三坐标伺服机构的载体，测量前，通过程序自动控制导航小车运动到测量区域，将提取的待测产品数据导入直角三坐标控制器，使靶标与待测点接触，此时，弹簧18被压缩，当压缩量达到一定限度时，come1接近开关20产生信号，告知计算机5停止数据发送并使进给机构17停止进给，激光跟踪仪6采集该测量点数据并存储，测量完成后，直角三坐标伺服机构自动运行到下一个测量点，重复上述操作，直到测量结束；倘若X向限位开关X0或者X1有信号，表示待测区域超过直角三坐标测量范围，此时计算机 5将自动发送数据给导航小车控制器控制小车运动到下一测量区域。导航小车8前端安装有电子摄像头，当导航小车8遇到障碍物时报警器会发出报警信号，防止小车与异物相撞。

本发明所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置的原理在于：导航小车的运动是基于激光跟踪仪的数据定时采集而进行控制的；在导航小车目标位置处确定一目标向量，导航小车运行时每隔一定时间采集一次靶标坐标，该坐标与上一次测量的靶标坐标组成一向量，通过比较这一向量与小车目标位置向量之间的夹角关系，控制导航小车直线插补，直至导航小车精确运动到目标位置。小车到位后，对直角三坐标伺服机构的运动进行控制，该机构采用了两次进给方式，每次进给过程中激光跟踪仪实时采集数据以补偿三轴运动误差；根据所提取的待测件数据控制直角三坐标快速进给，使靶标快速靠近待测件，此时通过激光跟踪仪实时采集的数据与理论位置的偏差补偿快速进给过程中三轴运动所产生的误差；补偿结束后，控制直角三坐标进给到位，使靶标接触待测件，同时实时采集靶标位置坐标进行误差补偿，防止运行过程中靶标走偏或者靶标没有接触待测件进给机构就停止进给的现象。

本发明对曲面的测量精度与导航小车的运动精度无关，测量过程中会建立直角三坐标坐标系，提取出来的数据坐标会通过13参数最小二乘法转换到直角三坐标坐标系下，即产品坐标系到直角三坐标坐标系的坐标转换，同时本发明对直角三坐标伺服机构采用了基于激光跟踪仪数据实时采集的控制方式，实现了测量过程的全闭环控制，有效提高了靶标的定位精度。

    本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量辅助装置，其特征在于，包括导航小车（8）、直角三坐标伺服机构（4）、靶标（2）、计算机控制系统（5）及激光跟踪仪（6），其中直角三坐标伺服机构（4）安装在导航小车（8）上，靶标（2）被夹持在直角三坐标伺服机构（4）上，计算机控制系统（5）分别连接导航小车（8）、直角三坐标伺服机构（4）及激光跟踪仪（6）。

2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量装置，其特征在于，所述直角三坐标伺服机构（4）包括滑台（9）、进给机构（17）、夹持机构（21）和立柱（34），其中滑台（9）安装在导航小车（8）上，立柱（34）安装在滑台（9）上实现在滑台上做X方向运动；进给机构（17）安装在立柱上实现沿立柱（34）做Z方向运动，末端夹持靶标的夹持机构（21）与进给机构（17）相连接实现做Y方向运动；在滑台（9）侧面、进给机构的滑台侧面、立柱（34）侧面各安装有两个限位开关和一个复位开关，限位开关用于控制直角三坐标伺服机构的三轴行程，复位开关用于控制三轴复位。

3.根据权利要求2所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量装置，其特征在于，

所述夹持机构（21）与进给机构（17）连接处安装有一弹簧（18）、一个接近开关（20）和一个限位开关（19），其中弹簧（18）与接近开关（20）配合防止靶标进给过量。

4.根据权利要求3所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量装置，其特征在于，

所述夹持机构往Z轴反方向倾斜，与进给机构呈一钝角，同时整个进给装置在X方向为一活动装置，实现沿X方向自由偏置。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量装置，其特征在于，所述导航小车（8）的四个角点采用万向轮结构，中间是安装有弹簧减震装置的两个驱动轮，导航小车前部安装有电子摄像头以及报警器，整个驱动部分靠8个并联的48V输出电瓶供电，采用两个电机驱动小车前后左右移动。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量装置，其特征在于，夹持机构末端安装一内圈有磁铁的半圆柱套筒，该半圆柱套筒前表面采用螺丝连接一圆锥形套筒，该圆锥形套筒内圈曲率和靶标球外观曲率大致接近，靶标卡在锥形套筒内。

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