CN105091802B - 一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其包括水平移动组件、竖直移动组件和控制系统组件，水平移动组件包括水平移动滑台和驱动其作水平运动的步进电机，水平移动滑台上安装有水平光栅尺；竖直移动组件包括竖直升降滑台和激光测距传感器，竖直升降滑台固定在水平移动滑台上，其由步进电机驱动作竖直运动，其上安装有竖直光栅尺；激光测距传感器固定在竖直升降滑台的运动端；控制系统组件用于控制水平移动滑台和竖直升降滑台的运动，并处理激光测距传感器、水平光栅尺和竖直光栅尺反馈的距离数据。本发明采用二维测量平台结合激光测距传感器实现平面度的测量，具有操作简单，可测量范围大，精度高等优点。

Description

一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置

技术领域

本发明属于平面度和轮廓等多功能测量装置领域，更具体地，涉及一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置。

背景技术

目前，随着电子产业的快速发展，各类电子产品由于其屏幕越来越大、厚度越来越薄，当其平面度与其设计要求不符时会导致一系列的问题产生，因此平面度的检测成为生产过程中的必检项目，为了能够及时发现产品的缺陷，必需对生产过程中产品的平面度进行实时快速的检测，另外，实际应用中经常需要对某些轮廓的横截面进行测量和评估，如轨道的磨损测量、曲面零件的轮廓精度评估等。

现有技术中对于平面度的测量装置已经做出一些设计方案。例如，CN201410514042.7公开了一种平面度检测装置，该检测装置包括测长仪、一维移动台和二维移动台，其中一维移动台和二维移动台组成三维平移台，可实现对150mm×150mm平面的平面度检测；又如，CN201320872526.X公开了一种平面度激光测量仪，该测量仪包括工作平台、三维移动机构、可编程控制器、激光发射器以及与激光发射器依次电连接的数据收集器和PC机，其采用三维移动机构和激光发射器以非接触式实现产品平面度的实时快速检测，检测精度高。而对于具有曲面轮廓的评估和测量，目前主要采用三坐标测量机等设备。

然而，进一步的研究，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：其均以三维坐标进行测量，需要制作精密的检具，执行过程繁琐，需要进行相当复杂的前置工作，存在检测效率低，结构复杂，操作繁琐的问题；此外，三坐标测量应用于高精度检测时，存在精度不够、不方便携带等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其采用二维测量平台结合小型激光测距传感器实现平面度的高精度测量，并通过对其关键组件如水平移动组件、竖直移动组件的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决测量精度低、携带不便的问题，此外，本发明采用了随动控制的原理克服普通激光测距传感器测量范围小，不利于轮廓测量的缺点，具有自动化程度高，操作简单，可测量范围大，精度高等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其特征在于，包括水平移动组件、竖直移动组件和控制系统组件，其中：

所述水平移动组件包括水平移动滑台和水平驱动步进电机，所述水平移动滑台由所述水平驱动步进电机驱动作水平X向运动，其上安装有用于测量其位置的水平光栅尺；

所述竖直移动组件包括竖直升降滑台、竖直驱动步进电机和激光测距传感器，所述竖直升降滑台固定在所述水平移动滑台上，其由所述竖直驱动步进电机驱动作竖直Z向运动，并且其上安装有用于测量其位置的竖直光栅尺；所述激光测距传感器通过连接板固定在所述竖直升降滑台的运动端；测量时，根据所述激光测距传感器测量的距离，随动调整所述竖直升降滑台的位置，以保证所述激光测距传感器与待测工件测量点的距离不变；

所述控制系统组件用于控制所述水平移动滑台和竖直升降滑台的运动，并处理所述激光测距传感器、水平光栅尺和竖直光栅尺反馈的距离数据。

作为进一步优选的，所述水平驱动步进电机由水平导轨支撑并导向。

作为进一步优选的，所述待测工件竖直方向的位置通过所述激光测距传感器测量的距离减去通过所述竖直光栅尺测量的位置距离计算得到。

作为进一步优选的，所述测量装置还包括显示屏，所述显示屏用于显示待测工件的二维轮廓曲线。

作为进一步优选的，所述水平驱动步进电机和竖直驱动步进电机分别通过滚珠丝杠副传动来驱动所述水平移动滑台和竖直升降滑台的直线运动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用二维测量平台结合小型激光测距传感器的便携式测量方案，实现平面度的高精度测量，同时，本发明设计了随动控制装置克服普通激光测距传感器测量范围小，不利于轮廓测量的缺点，从而可代替目前的自动三坐标测量仪的轮廓测量设备，实现简单的曲面轮廓测量，此外，本发明二维随动激光测量装置自动化程度高，能方便的在竖直平面内测量曲面轮廓，装置重量轻，携带方便。

2.本发明还对二维随动激光测量装置中的关键组件如水平移动组件、竖直移动组件的具体结构和具体装配位置进行研究与设定，利用激光测距传感器与竖直光栅尺的配合获得工件竖直方向位置，利用水平光栅尺获得工件水平方向位置，通过各关键组件的相互配合与联合作用，实现工件平面度和二维曲面轮廓的测量，具有操作简单、可测量范围大、精度高等优点。

附图说明

图1是二维随动激光测量装置的立体图；

图2是二维随动激光测量装置的测量示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明设计的一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，用于实现平面度和曲面轮廓的二维随动非接触测量，其包括水平移动组件、竖直移动组件和控制系统组件。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，如图1所示，水平移动组件包括水平移动滑台2和水平驱动步进电机10，水平移动滑台2由水平驱动步进电机10驱动作水平X向运动，水平移动滑台2上安装有水平光栅尺1，以精确测量水平移动滑台的位置，从而可以得到工件测量点在水平方向的位置，水平驱动步进电机10由水平导轨3支撑并导向。

作为本发明的另一关键组件，如图1所示，竖直移动组件包括竖直升降滑台6、竖直驱动步进电机11和激光测距传感器7，竖直升降滑台6固定在水平移动滑台2上，以构成XZ二维随动测量平台,其随水平移动滑台可以在水平方向上运动，竖直升降滑台6由竖直驱动步进电机11驱动作竖直Z向运动，其上安装有用于测量其位置的竖直光栅尺4；激光测距传感器7竖直放置用于测量距离，其通过连接板5固定在竖直升降滑台6的运动端，并可以在竖直方向运动。

此外，控制系统组件8由单片机系统和步进电机驱动器组成，用于控制水平移动滑台2和竖直升降滑台6的运动，处理激光测距传感器7、水平光栅尺1和竖直光栅尺4反馈的距离数据并将其显示在显示屏9上。具体的，单片机系统读取竖直光栅尺4和激光测距传感器7测量的位置信号从而获得竖直方向的位置信息，单片机系统读取水平光栅尺1的位置信号从而获得水平方向的位置信息，然后将水平方向和竖直方向的位置信息处理后在显示屏9上绘制并显示二维轮廓曲线，并可通过数据线传输到电脑上以供数据处理；步进电机驱动器驱动水平驱动步进电机和竖直驱动步进电机，水平驱动步进电机10和竖直驱动步进电机11分别通过滚珠丝杠副传动来驱动水平移动滑台2和竖直升降滑台6的直线运动。

下面将具体解释按照本发明的二维随动激光测量装置的操作过程及原理。

本发明的随动控制原理是：安装于竖直方向的激光测距传感器7测量竖直方向的距离，根据测量的竖直方向的距离变化通过竖直方向的步进电机驱动随动调制竖直升降滑台6，使激光测距传感器7和待测工件测量点的距离保持为设定值d，该设定值譬如为30mm，采用该距离能够使激光测距传感器保持最佳测量位置，从而在轮廓变化时激光测距传感器保持较高的测量精度。

本发明的平面度和二维轮廓测量原理：工件的竖直方向位置通过激光测距传感器测量的待测工件12表面的距离减去通过竖直方向的光栅尺测量的竖直方向步进电机运动所产生的随动位置计算得到，该随动位置指为保持激光测距传感器7和待测工件测量点的距离，竖直方向步进电机调节的位移量；工件测量点的水平方向位置通过水平移动滑台上的光栅尺测量得到。

测量时，当测量自由曲面的一个竖直方向截面的轮廓信息时，水平移动滑台2匀速移动，竖直升降滑台6带动激光测距传感器7在竖直方向运动，当激光测距传感器7距离被测曲面过近时，竖直升降滑台6带动传感器上升，当激光测距传感器距离被测曲面过远时，竖直升降滑台6带动传感器下降，从而实现在竖直方向的随动控制。

在测量的每一时刻，工件的竖直方向位置和通过光栅尺测量的水平方向的位置组合在一起为该时刻工件的二维坐标，通过所有时刻的位置集合可以得出被测工件的平面度测量数据或者二维轮廓的位置点集，本发明二维随动测量装置连接到基于单片机的控制系统组件最终计算出平面度或者二维轮廓。本发明的水平方向的测量精度取决于光栅尺的精度(最高可达1um以上)，竖直方向的精度取决于光栅尺和激光测距传感器的最小精度(最高可达1um以上)。

综上，本发明采用二维测量平台结合小型激光测距传感器的便携式测量方案，可以实现对平面度的高精度测量，同时，设计了随动控制装置克服普通的激光测距传感器测量范围较小，不利于轮廓测量的缺点，从而可以代替目前的自动三坐标测量仪的轮廓测量设备，实现简单的曲面轮廓测量。此外，本发明便携式二维随动激光测量装置自动化程度高，能方便的在竖直平面内测量曲面轮廓，装置小于15千克，便于携带，可应用于平面度测量和二维轮廓测量，如钢板平面、轮毂外圆截面、锥孔截面等的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其特征在于，包括水平移动组件、竖直移动组件和控制系统组件，其中：

所述水平移动组件包括水平移动滑台(2)和水平驱动步进电机(10)；所述水平移动滑台(2)由所述水平驱动步进电机(10)驱动作水平X向运动，其上安装有用于测量其位置的水平光栅尺(1)；

所述竖直移动组件包括竖直升降滑台(6)、竖直驱动步进电机(11)和激光测距传感器(7)；所述竖直升降滑台(6)固定在所述水平移动滑台(2)上，其由所述竖直驱动步进电机(11)驱动作竖直Z向运动，并且其上安装有用于测量其位置的竖直光栅尺(4)；所述激光测距传感器(7)通过连接板(5)固定在所述竖直升降滑台(6)的运动端；安装于竖直方向的所述激光测距传感器(7)测量竖直方向的距离，根据测量的竖直方向的距离变化随动调整所述竖直升降滑台(6)的位置，使所述激光测距传感器(7)和待测工件测量点的距离为定值，在该定值下使得激光测距传感器保持最佳测量位置，从而在待测工件轮廓变化时激光测距传感器保持高的测量精度；

所述控制系统组件用于控制所述水平移动滑台(2)和竖直升降滑台(6)的运动，并处理所述激光测距传感器(7)、水平光栅尺(1)和竖直光栅尺(4)反馈的距离数据，其中待测工件竖直方向的位置通过激光测距传感器测量的距离减去通过竖直方向的光栅尺测量的竖直方向步进电机运动所产生的随动位置计算得到，该随动位置指为保持激光测距传感器和待测工件测量点的距离所述竖直方向步进电机调节的位移量；检测时，所述待测工件整体位于所述便携式二维随动激光测量装置的一侧；

当测量自由曲面的一个竖直方向截面的轮廓信息时，水平移动滑台(2)匀速移动，竖直升降滑台(6)带动激光测距传感器(7)在竖直方向运动，当激光测距传感器(7)距离被测曲面过近时，即小于定值时，竖直升降滑台(6)带动激光测距传感器上升，当激光测距传感器距离被测曲面过远时，即大于定值时，竖直升降滑台(6)带动激光测距传感器下降，从而实现在竖直方向的随动控制；所述便携式二维随动激光测量装置水平方向的测量精度达到1μm以上，竖直方向的精度达到1μm以上，整体重量小于15千克，便于携带。

2.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其特征在于，所述水平驱动步进电机(10)由水平导轨(3)支撑并导向。

3.如权利要求2所述的基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括显示屏(9)，所述显示屏(9)用于显示待测工件的二维轮廓曲线。

4.如权利要求3所述的基于激光测距传感器的便携式二维随动激光测量装置，其特征在于，所述水平驱动步进电机(10)和竖直驱动步进电机(11)分别通过滚珠丝杠副传动来驱动所述水平移动滑台(2)和竖直升降滑台(6)的直线运动。