CN106441112B - 一种可变量程的激光三角法位移测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变量程的激光三角法位移测量装置与方法。三角法激光位移传感器一般使用二次测量法，测量成本高，测量时间长。本发明装置包括准直激光发射器、底座、辅助测量聚焦透镜、辅助测量位置敏感元件、实际测量位置敏感元件和实际测量聚焦透镜；本发明通过辅助测量位置敏感元件的位置改变量程，以适应实际测量对不同量程的需求，当被测对象偏离了实际测量模块的测量范围时，由辅助测量模块给出测量对象的位置，然后引导测量平台运动，使被测对象重新回到实际测量模块的量程内。本发明集成了小量程精确测量功能和可变大量程尺寸测量功能，解决了三角法激光位移传感器量程与精度之间的矛盾，可实现复杂曲面快速、高精度的非接触式测量。

Description

一种可变量程的激光三角法位移测量装置与方法

技术领域

本发明属于基于光学的位移测量技术领域，涉及一种基于激光三角法的位移测量装置与方法，尤其涉及一种可变量程的激光三角法位移测量装置与方法。

背景技术

激光位移传感器是一种基于光学理论的非接触式位移测量系统，按测量原理分为三角法激光位移传感器和回波分析式激光位移传感器。其中三角法激光位移传感器一般适用于短距离测量，而回波分析式激光位移传感器应用于远距离测量。三角法激光位移传感器主要由光源(激光束)、准直透镜、聚焦透镜和感光位置敏感元件(如PSD、CCD、CMOS)组成。与接触式位移传感器相比，三角法激光位移传感器具有响应速度快，测量精度较高，成本相对低廉等优点。

三角法激光位移传感器制造完成后，其测量范围和测量精度都已确定，开展测量工作时测量范围与测量精度将作为固定的参数使用。由于测量原理的限制，三角法激光位移传感器的测量精度随着量程的增大而降低，所以对于不同的测量任务需要选择合适的激光位移传感器，以同时满足测量精度与测量范围的要求。

目前的三角法激光位移传感器的主要不足是量程与精度之间的矛盾。当被测对象的形貌复杂且测量精度要求较高时，若选用大量程的传感器，则测量精度可能不满足要求；若选用高精度的传感器，则传感器的量程很小，测量过程中测量对象很容易偏离传感器的测量范围，从而中断测量过程。

用三角法激光位移传感器进行测量时，为了防止因量程偏离而导致的测量中断，目前一般使用二次测量法：先用大量程、低精度的传感器对测量对象进行一次扫描；然后以一次测量获得的数据为基础，规划测量路径，引导小量程、高精度的传感器进行二次测量，以二次测量数据作为最后的测量结果。

二次测量法在一定程度上解决了使用三角法激光位移传感器时量程与精度之间的矛盾，但二次测量至少需要两个传感器，测量成本较高。此外，二次测量需要切换传感器，切换后需要对传感器的位姿、坐标系进行标定，增加了额外的测量时间。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可变量程的激光三角法位移测量装置与测量方法。该测量装置集成了两组位移测量模块，其中一组用于实际尺寸测量，量程较小，为实际测量模块；另一组用于辅助略测量，量程较大，为辅助测量模块。通过改变光敏传感器的位置，改变辅助测量系统的量程，以适应实际测量对不同量程的需求。执行测量任务时，当被测对象偏离了实际测量模块的测量范围时，由协助测量的辅助测量模块给出测量对象的位置，然后引导测量平台运动，使被测对象重新回到实际测量模块的量程内，继续进行下一步测量，从而实现对复杂零件快速、高精度的非接触式测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种可变量程的激光三角法位移测量装置，包括准直激光发射器、底座、辅助测量模块与实际测量模块；所述的辅助测量模块包括辅助测量聚焦透镜和辅助测量位置敏感元件；所述的实际测量模块包括实际测量位置敏感元件和实际测量聚焦透镜；所述的准直激光发射器固定在准直激光发射器安装座上，准直激光发射器安装座固定在底座上；辅助测量位置敏感元件安插在辅助测量模块安装座上，实际测量位置敏感元件安插在实际测量位置敏元件安装座上；实际测量位置敏元件安装座固定在底座上；辅助测量模块安装座底部与导轨构成滚动摩擦副；所述的导轨固定在底座上；所述的辅助测量聚焦透镜安装在辅助测量模块安装座上，实际测量聚焦透镜安装在实际测量聚焦透镜安装座上；实际测量聚焦透镜安装座固定在底座上；实际测量位置敏感元件的垂直中心轴线、辅助测量位置敏感元件的垂直中心轴线、准直激光发射器的激光束、实际测量聚焦透镜的成像光轴以及辅助测量聚焦透镜的成像光轴均在平行于底座的同一平面上；实际测量位置敏感元件的垂直中心轴线与实际测量聚焦透镜的成像光轴平行设置，辅助测量位置敏感元件的垂直中心轴线与辅助测量聚焦透镜的成像光轴平行设置；实际测量聚焦透镜和辅助测量聚焦透镜的成像光轴均与准直激光发射器的激光束成一夹角。

所述的辅助测量模块安装座底部开设的滚珠槽通过弹簧连接滚珠，滚珠与导轨的V型槽构成滚动副；弹簧设有预压力；V型槽底部开设等距排布的若干弧形槽。

所述的底座设有与三坐标测量机连接的圆柱插销。

本发明可变量程的激光三角法位移测量装置的位移测量方法，具体如下：

步骤一、将底座的圆柱插销插入三坐标测量机Z轴上，拧紧夹紧螺栓，完成在三坐标测量机上的安装。

步骤二、将被测物放在三坐标测量机平台的测量区内，根据被测物形状尺寸，调整辅助测量位置敏感元件的量程，即沿着导轨移动辅助测量模块安装座，并保证滚珠置于弧形槽中完成定位。

步骤三、建立三坐标测量机坐标系、测量装置坐标系和准直激光发射器的测量基准坐标系；建立准直激光发射器的测量基准坐标系之前需对准直激光发射器的激光束进行标定，确定出射激光的矢量方向。

步骤四、在三坐标测量机Z轴带动下辅助测量模块和实际测量模块同时对工件表面进行扫描测量，实际测量位置敏感元件和辅助测量位置敏感元件均将被测点汇聚的像离光轴成像基点的距离信号传给计算机，计算机判断被测点在实际测量位置敏感元件上是否汇聚成像。若汇聚成像，直接进入步骤五；若没有汇聚成像，则计算机根据被测点在辅助测量位置敏感元件上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用基于激光三角法原理的测量值表达式算得被测点与测量基点的距离，并控制三坐标测量机Z轴调整高度，高度调整值为被测点与测量基点的距离，使得被测点处于实际测量模块的测量范围内。

步骤五、计算机根据被测点在实际测量位置敏感元件上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用测量值表达式算得被测点与测量基点的距离。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明集成了小量程精确测量功能和可变大量程尺寸测量功能。测量过程中这两个模块相互配合，解决了三角法激光位移传感器量程与精度之间的矛盾，可实现复杂曲面快速、高精度的非接触式测量。

2、实际测量模块和辅助测量模块共用一束激光，使用两种功能只需一次标定，功能切换无需装卸，提高测量效率。

3、辅助测量模块量程可调，可以满足多种不同尺寸范围被测对象的测量需求，可降低测量成本，且测量装置适用性广。

4、测量装置结构较简单，操作方便、快捷。

附图说明

图1为本发明可变量程的激光三角法位移测量装置结构示意图。

图2为本发明可变量程的激光三角法位移测量装置的结构爆炸图。

图3为本发明所采用的激光三角法测量原理示意图。

图4为本发明可变量程的激光三角法位移测量装置的工作原理图。

图中：1、准直激光发射器安装座，2、准直激光发射器，3、底座，4、实际测量位置敏元件安装座，5、实际测量位置敏感元件，6、实际测量聚焦透镜安装座，7、实际测量聚焦透镜，8、螺栓，9、辅助测量聚焦透镜，10、辅助测量位置敏感元件，11、辅助测量模块安装座。

具体实施方式

本发明用于相对大尺寸零件的表面轮廓的快速精确测量，适用于多种尺寸范围的零件测量，下面结合附图具体描述。

如图1和2所示，一种可变量程的激光三角法位移测量装置，包括准直激光发射器2、底座3、辅助测量模块与实际测量模块；辅助测量模块包括辅助测量聚焦透镜9和辅助测量位置敏感元件10；实际测量模块包括实际测量位置敏感元件5和实际测量聚焦透镜7；准直激光发射器2通过螺栓固定在准直激光发射器安装座1上，准直激光发射器安装座1通过螺钉固定在底座3上，准直激光发射器2提供固定可靠的光源；辅助测量位置敏感元件10安插在辅助测量模块安装座11上，实际测量位置敏感元件5安插在实际测量位置敏元件安装座4上；实际测量位置敏元件安装座4通过螺栓8固定在底座3上；辅助测量模块安装座11底部开设的滚珠槽通过弹簧连接滚珠，滚珠与导轨的V型槽构成滚动副；弹簧设有预压力；V型槽底部开设等距排布的若干弧形槽；导轨固定在底座上；定位后，辅助测量模块安装座11通过螺栓和螺母与导轨固接；辅助测量聚焦透镜9安装在辅助测量模块安装座11上，实际测量聚焦透镜7安装在实际测量聚焦透镜安装座6上，实际测量聚焦透镜7和辅助测量聚焦透镜9用于对反射激光束的聚焦成像；实际测量聚焦透镜安装座6通过螺栓固定在底座3上；实际测量位置敏感元件5的垂直中心轴线、辅助测量位置敏感元件10的垂直中心轴线、准直激光发射器的激光束、实际测量聚焦透镜7的成像光轴以及辅助测量聚焦透镜9的成像光轴均在平行于底座的同一平面上，以确保准直激光发射器所投射出的激光束可以落入实际测量位置敏感元件5和辅助测量位置敏感元件10的工作范围，保证测量装置可行；实际测量位置敏感元件5的垂直中心轴线与实际测量聚焦透镜7的成像光轴平行设置，辅助测量位置敏感元件10的垂直中心轴线与辅助测量聚焦透镜9的成像光轴平行设置；实际测量聚焦透镜7和辅助测量聚焦透镜9的成像光轴均与准直激光发射器2的激光束成一夹角。底座设有与三坐标测量机连接的圆柱插销，将圆柱插销插入三坐标测量机Z轴母头，并拧紧母头螺栓，实现固定。

该可变量程的激光三角法位移测量装置，共有两个激光三角回路：

(1)实际测量部分的激光三角回路：以准直激光发射器2投射的激光束作为光源，在物体表面发生漫反射后，经实际测量聚焦透镜7聚焦，在实际测量位置敏感元件5上显示汇聚的像，实际测量位置敏感元件将像的位置和形状信息采集到计算机处理以得出精确的测量数据，该激光三角回路作用是对被测物表面进行实际轮廓数据的测量。

(2)辅助测量部分的激光三角回路：以准直激光发射器2投射的激光束作为光源，在物体表面发生漫反射后，经辅助测量聚焦透镜9聚焦，在辅助测量位置敏感元件10上汇聚成像，辅助测量位置敏感元件10将像的位置和形状信息采集到计算机处理以得出测量数据，该激光三角回路作用是对被测物表面进行低精度测量，将低精度测量数据作为辅助值实时引导实际测量部分工作。

如图3所示，在激光三角法测量原理中，从准直激光发射器2发射的激光束在被测物表面发生漫反射，向左右两侧的漫反射光通过透镜聚焦在位置敏感元件上汇聚成像。位置敏感元件通过感知光斑的位置，确定被测物表面与位移传感器之间的距离。

如图4所示，辅助测量位置敏感元件最小量程大于实际测量位置敏感元件量程，改变辅助测量位置敏感元件位置后光路沿着辅助测量聚焦光束方向向上移动后测量范围变成虚线框区域，测量范围显著增大。本发明基于激光三角法测量原理，在辅助测量部分采用位置可调的辅助测量模块，辅助测量部分的测量范围随着辅助测量模块位置的改变而改变。

在工作过程中，该可变量程的激光三角法位移测量装置对被测物表面只进行一次扫描，扫描过程中辅助测量位置敏感元件10和实际测量位置敏感元件5同时获取数据，计算机直接记录下实际测量位置敏感元件5测量数据，并对辅助测量位置敏感元件10的测量数据进行分析，控制三坐标测量机Z轴运动，协助辅助测量模块进行位置调整，保证测量的顺利进行。

该可变量程的激光三角法位移测量装置的位移测量方法，具体如下：

步骤一、将底座的圆柱插销插入三坐标测量机Z轴上，拧紧夹紧螺栓，完成在三坐标测量机上的安装。

步骤二、将被测物放在三坐标测量机平台的测量区内，根据被测物形状尺寸，调整辅助测量位置敏感元件10的量程，即沿着导轨移动辅助测量模块安装座11，并保证滚珠置于弧形槽中完成定位。

步骤三、建立坐标系：

①建立三坐标测量机坐标系，以X、Y、Z轴光栅尺零点作为三坐标测量机平台坐标系的原点。

②以准直激光发射器的出射点为坐标原点，与三坐标测量机坐标系的X、Y、Z轴平行且方向一致的轴为三个坐标轴建立测量装置坐标系。

③通过测量三坐标测量机平台上放置的标准球表面来对准直激光发射器的激光束进行标定，确定出射激光的矢量方向。

④确定测量基点A，测量基点A为准直激光发射器2的激光束与实际测量聚焦透镜7或辅助测量聚焦透镜9成像光轴的交点。以测量基点A为原点，与三坐标测量机坐标系的三个坐标轴平行且方向一致的轴为三个坐标轴建立测量基准坐标系。

步骤四、在三坐标测量机Z轴带动下辅助测量模块和实际测量模块同时对工件表面进行扫描测量，实际测量位置敏感元件5和辅助测量位置敏感元件10均将被测点汇聚的像离光轴成像基点的距离信号传给计算机，计算机判断被测点在实际测量位置敏感元件5上是否汇聚成像。若汇聚成像，直接进入步骤五；若没有汇聚成像，说明被测点在实际测量模块的测量范围以外，则计算机根据被测点在辅助测量位置敏感元件10上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用测量值表达式算得被测点与测量基点A的距离，并控制三坐标测量机Z轴调整高度，高度调整值为被测点与测量基点A的距离，使得被测点处于实际测量模块的测量范围内，保证测量的顺利进行。

步骤五、计算机根据被测点在实际测量位置敏感元件5上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用测量值表达式算得被测点与测量基点A的距离。

如图3所示，基于激光三角法原理——斯凯普夫拉格定理(Scheimpflugprinciple)推导得到的位置敏感元件测量值表达式如下(实际测量位置敏感元件5、辅助测量位置敏感元件10应用测量值表达式时只需将各自的参数值代入即可)：

式中，δ为被测点B到测量基点A的距离，δ′为被测点B在位置敏感元件上汇聚的像C离光轴成像基点D的距离，s为测量基点A到成像透镜中心O的距离，s′为成像透镜中心到光轴成像基点D的距离，α为激光束与成像光轴的夹角，β为位置敏感元件与成像光轴(直线AD)的夹角。

Claims (4)

1.一种可变量程的激光三角法位移测量装置，包括准直激光发射器、底座、辅助测量模块与实际测量模块，其特征在于：所述的辅助测量模块包括辅助测量聚焦透镜和辅助测量位置敏感元件；所述的实际测量模块包括实际测量位置敏感元件和实际测量聚焦透镜；所述的准直激光发射器固定在准直激光发射器安装座上，准直激光发射器安装座固定在底座上；辅助测量位置敏感元件安插在辅助测量模块安装座上，实际测量位置敏感元件安插在实际测量位置敏感元件安装座上；实际测量位置敏感元件安装座固定在底座上；辅助测量模块安装座底部与导轨构成滚动摩擦副；所述的导轨固定在底座上；所述的辅助测量聚焦透镜安装在辅助测量模块安装座上，实际测量聚焦透镜安装在实际测量聚焦透镜安装座上；实际测量聚焦透镜安装座固定在底座上；实际测量位置敏感元件的垂直中心轴线、辅助测量位置敏感元件的垂直中心轴线、准直激光发射器的激光束、实际测量聚焦透镜的成像光轴以及辅助测量聚焦透镜的成像光轴均在平行于底座的同一平面上；实际测量位置敏感元件的垂直中心轴线与实际测量聚焦透镜的成像光轴平行设置，辅助测量位置敏感元件的垂直中心轴线与辅助测量聚焦透镜的成像光轴平行设置；实际测量聚焦透镜和辅助测量聚焦透镜的成像光轴均与准直激光发射器的激光束成一夹角。

2.根据权利要求1所述的一种可变量程的激光三角法位移测量装置，其特征在于：所述的辅助测量模块安装座底部开设的滚珠槽通过弹簧连接滚珠，滚珠与导轨的V型槽构成滚动副；弹簧设有预压力；V型槽底部开设等距排布的若干弧形槽。

3.根据权利要求1所述的一种可变量程的激光三角法位移测量装置，其特征在于：所述的底座设有与三坐标测量机连接的圆柱插销。

4.根据权利要求3所述一种可变量程的激光三角法位移测量装置的位移测量方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、将底座的圆柱插销插入三坐标测量机Z轴上，拧紧夹紧螺栓，完成在三坐标测量机上的安装；

步骤二、将被测物放在三坐标测量机平台的测量区内，根据被测物形状尺寸，调整辅助测量位置敏感元件的量程，即沿着导轨移动辅助测量模块安装座，并保证滚珠置于弧形槽中完成定位；

步骤三、建立三坐标测量机坐标系、测量装置坐标系和准直激光发射器的测量基准坐标系；建立准直激光发射器的测量基准坐标系之前需对准直激光发射器的激光束进行标定，确定出射激光的矢量方向；

步骤四、在三坐标测量机Z轴带动下辅助测量模块和实际测量模块同时对工件表面进行扫描测量，实际测量位置敏感元件和辅助测量位置敏感元件均将被测点汇聚的像离光轴成像基点的距离信号传给计算机，计算机判断被测点在实际测量位置敏感元件上是否汇聚成像；若汇聚成像，直接进入步骤五；若没有汇聚成像，则计算机根据被测点在辅助测量位置敏感元件上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用基于激光三角法原理的测量值表达式算得被测点与测量基点的距离，并控制三坐标测量机Z轴调整高度，高度调整值为被测点与测量基点的距离，使得被测点处于实际测量模块的测量范围内；

步骤五、计算机根据被测点在实际测量位置敏感元件上汇聚的像离光轴成像基点的距离信号，采用测量值表达式算得被测点与测量基点的距离。