CN107084674B - 调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，主要用于提高大型内孔特征的半径和轮廓参数的非接触式扫描测量精度，属于测量技术领域。该方法的实现过程需要借助于二维位移台和高精度圆环。该方法所包括的步骤为：(1)将测量装置安装于二维位移台上，并将其放置于圆环的内部；(2)通过测量装置的回转、激光位移传感器的输出以及二维位移台的运动，使回转台的回转轴线与圆环的几何轴线重合；(3)旋转调节手柄使激光位移传感器沿着与其出射激光束垂直的方向移动，直到出射激光束通过回转台的回转中心为止。本发明原理简单、使用方便，解决了大型内孔特征扫描测量过程中的关键问题，有助于提高其测量精度。

Description

调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法。
背景技术
在航空、航天、核能和船舶等领域中，大型内孔特征的半径和轮廓参数是基本的测量任务之一，例如航空发动机的机匣内壁、大型齿轮的轴孔和船体管道的截面等，其尺寸范围通常为Φ500～1000mm，而精度要求则为0.01～0.1mm。由于此类工件的内径尺寸精度是保证大型装备制造质量的一个重要因素，因而实现对这些大尺寸内径的尺寸参数的精确测量，具有很大的现实意义和应用价值。长期以来，在我国大型装备的制造过程中，对于大型轴孔零件内径的测量问题，通常采用弓高弦长法、内径千分尺和基线尺等进行测量，不仅操作不便、精度难以保证，而且人为因素影响较大。
随着测量技术的发展和进步，出现了许多大尺寸内径的测量方法。由于被测尺寸范围大而测量精度要求高，现有的测距传感器很难同时满足测量范围和精度的要求。因此，测量大尺寸内径一般采用相对测量法来实现，即将激光位移传感器安装在高精度的测量臂上，通过测量臂的整周回转带动激光位移传感器完成整个圆形截面的扫描测量。测量臂预先通过标定得到其真实长度L0，当测量臂的旋转角度为θ时，激光位移传感器测量的被测表面与传感器之间的距离为Δ(θ)，这样就可得到被测点处的半径R(θ)＝L0+Δ(θ)，此方法即为相对测量法。此过程中的关键环节就是激光位移传感器的出射激光束的调整问题，将激光位移传感器安装在测量臂上后，其出射激光束与测量臂的回转轴线处于空间交错的状态，此时不能直接通过L0与Δ(θ)的相加来获得R(θ)。而要实现被测点处的半径值R(θ)＝L0+Δ(θ)的目标，就需要将激光位移传感器的出射激光束调整到与测量臂的回转轴线垂直相交的状态。目前，针对此问题还没有较为成熟和有效的方法，只能通过装配和观察近似予以保证，这就导致了大尺寸内径测量系统的测量精度不高。因此，本发明所提供的一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，可以将激光位移传感器的出射激光束调整到与回转轴线垂直相交的位置，从而有助于提高大尺寸内径测量系统的测量精度，具有一定的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法。其目的是解决激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的调整难题，提高装置的测量精度，从而实现大尺寸内孔半径和轮廓参数的精确测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法所依托的测量装置包括激光位移传感器(1)、一维平移台(3)、传感器连接件(4)、回转台(5)和测量臂(6)；回转台(5)能够绕自身的回转轴线(7)进行360°整周回转，测量臂(6)的一端通过轴孔套装在回转台(5)的输出轴上，另一端通过安装板固定一维平移台(3)，并且使一维平移台(3)的一维工作台面(8)的运动方向与测量臂(6)的长度方向垂直；将传感器连接件(4)通过螺栓固定在一维平移台(3)的一维工作台面(8)上，将激光位移传感器(1)通过螺栓安装在传感器连接件(4)上，并调整激光位移传感器(1)的空间方位，使其出射激光束(2)的方向与测量臂(6)的长度方向平行。
本发明的特征在于，该方法的步骤如下：
步骤一、将测量装置固定在二维位移台(12)上，二维位移台(12)能够产生两个垂直方向上的直线运动；在开始调整前，将测量臂(6)所处的位置记为a，并将位置a处的回转台(5)中编码器的输出角度记为0°；然后将一个圆环(11)套装在二维位移台(12)和测量装置的外围，调整圆环(11)的几何轴线与回转台(5)的回转轴线(7)平行；以圆环(11)的几何中心为坐标原点建立平面直角坐标系，其x轴和y轴的方向分别与二维位移台(12)的两个垂直运动方向平行；
步骤二、启动激光位移传感器(1)，使其出射激光束(2)投射在圆环(11)的内圆柱面上，将此时的激光位移传感器(1)的输出记为L1；然后控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到180°的位置b处，将此时的激光位移传感器(1)的输出记为L2；计算Δy＝L1-L2的值，如果Δy>0，则L1>L2，控制二维位移台(12)向y轴正方向移动(L1-L2)/2；如果Δy<0，则L1<L2，控制二维位移台(12)向y轴负方向移动(L2-L1)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δy的值接近于激光位移传感器(1)的标称精度值，此时可以认为L1与L2的值相等，将此时的状态定义为回转台(5)的回转中心位于x轴上；
步骤三、控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到90°的位置c处，将此时的激光位移传感器(1)的输出记为L3；然后控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到270°的位置d处，将此时的激光位移传感器(1)的输出记为L4；计算Δx＝L3-L4的值，如果Δx>0，则L3>L4，控制二维位移台(12)向x轴负方向移动(L3-L4)/2；如果Δx<0，则L3<L4，控制二维位移台(12)向x轴正方向移动(L4-L3)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δx的值接近于激光位移传感器(1)的标称精度值，此时可以认为L3与L4的值相等，将此时的状态定义为回转台(5)的回转中心位于y轴上；
步骤四、经过上述步骤二和步骤三，回转台(5)的回转轴线(7)与圆环(11)的几何轴线重合，旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)，使激光位移传感器(1)沿着垂直于其出射激光束(2)的方向运动，同时记录激光位移传感器(1)的输出，当该输出达到最大值时，停止旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)并拧紧锁紧螺钉(9)，将此时的状态定义为激光位移传感器(1)的出射激光束(2)通过回转台(5)的回转中心。
在上述调整过程中，当激光位移传感器(1)的出射激光束(2)逐渐逼近回转台(5)的回转中心时，激光位移传感器(1)的输出将会逐渐变大；当激光位移传感器(1)的输出第一次达到最大值时，则反向旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)并比较激光位移传感器(1)的输出，进行反复移动和比较，直到相邻被测点处的激光位移传感器(1)的输出无突变时，停止旋转调节手柄(10)，并拧紧锁紧螺钉(9)进行锁紧和防松，此时激光位移传感器(1)的出射激光束(2)正好通过回转台(5)的回转中心，从而实现了调整激光位移传感器(1)的出射激光束(2)通过回转中心的方法。
所述圆环(11)的材质为T10或者GCr15，经过热处理、渗碳等工艺，表面硬度为HRC58～63，其内圆柱面经过精密研磨处理，直径精度在±0.01mm以内，圆柱度小于0.01mm。
该方法所依托的测量装置中的一维平移台(3)包括一维工作台面(8)、锁紧螺钉(9)和调节手柄(10)；旋转调节手柄(10)可以驱动一维工作台面(8)运动，当一维工作台面(8)到达所需位置后，通过锁紧螺钉(9)进行锁紧和防松。
激光位移传感器(1)为基于点结构光的光学测距传感器，可以通过所发射出的出射激光束(2)对被测物体的位移进行非接触式测量，输出传感器与被测物体之间的距离信息，并且具有较高的采样频率和分辨率。
本发明所提供的一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，以二维位移台和圆环作为辅助工具，解决了激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的调整难题，可以应用于现有的非接触式的大尺寸内径扫描测量装置中，以改进现有装置中存在的不足并提高装置的测量精度，从而实现大尺寸内孔半径和轮廓参数的精确测量。
按照本发明所提供的方法对非接触式大尺寸内径扫描测量装置进行调整，确保了装置中的激光位移传感器的出射激光束通过回转中心，因而可以直接应用于大尺寸内径特征的精确测量。在应用过程中，将经过调整的测量装置安装在被测大尺寸孔径的内部，使测量装置的回转轴线与被测孔径的几何轴线平行，通过回转台带动激光位移传感器实现回转运动，即可实现被测孔径圆周方向上的高精度扫描测量。
附图说明
图1为本发明所依托的测量装置的整体结构示意图；
图2为一维平移台的结构示意图；
图3为测量臂处于0°和180°位置处的示意图；
图4为测量臂处于90°和270°位置处的示意图；
图5为调整激光束通过回转中心的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详述：
参见附图1～5所示，该种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法所依托的测量装置包括德国米铱公司的optoNCDT 2300-20型激光位移传感器1、微纳光科公司的WN110TM25L型一维平移台3、传感器连接件4、伺服回转台5和测量臂6等。伺服回转台5能够绕自身轴线7进行360°整周回转，测量臂6的一端通过轴孔套装在伺服回转台5的输出轴上，另一端通过安装板固定一维平移台3，并且使一维平移台3的一维工作台面8的运动方向与测量臂6的长度方向垂直；将传感器连接件4通过螺栓固定在一维平移台3的一维工作台面8上，将激光位移传感器1通过螺栓安装在传感器连接件4上，并调整激光位移传感器1的空间方位，使其出射激光束2的方向与测量臂6的长度方向平行；
所述测量装置中的手动一维平移台3包括一维工作台面8、锁紧螺钉9和调节手柄10；旋转调节手柄10可以驱动一维工作台面8运动，当一维工作台面8到达所需位置后，通过锁紧螺钉9进行锁紧和防松；
该方法所依托的测量装置中的激光位移传感器1为基于点结构光的光学测距传感器。
该方法的步骤如下：
步骤一、将测量装置固定在二维位移台12上，二维位移台12能够产生两个垂直方向上的直线运动；在调整前，将测量臂6所处的位置记为a，并将位置a处的伺服回转台5中的编码器的输出角度记为0°；然后将一个圆环11套装在二维位移台12和测量装置的外围，调整圆环11的几何轴线与伺服回转台5的回转轴线7平行；以圆环11的几何中心为坐标原点建立平面直角坐标系，其x轴和y轴的方向分别与二维位移台12的两个垂直运动方向平行；
步骤二、启动激光位移传感器1，使其出射激光束2投射在圆环11的内圆柱面上，记录此时激光位移传感器1的输出，将该输出记为L1；然后控制伺服回转台5使其带动测量臂6旋转到180°位置b处，记录位置b处的激光位移传感器1的输出，将该输出记为L2；计算Δy＝L1-L2的值，如果Δy>0，说明L1>L2，则控制二维位移台12向y轴正方向移动(L1-L2)/2；如果Δy<0，说明L1<L2，则控制二维位移台12向y轴负方向移动(L2-L1)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δy的值接近于激光位移传感器1的标称精度值，此时可以认为L1与L2的值相等，将此时的状态定义为伺服回转台5的回转中心位于x轴上；
步骤三、控制伺服回转台5带动测量臂6旋转到90°位置c处，记录位置c处的激光位移传感器1的输出，将该输出记为L3；然后控制伺服回转台5带动测量臂6旋转到270°位置d处，记录位置d处的激光位移传感器1的输出，将该输出记为L4；计算Δx＝L3-L4的值，如果Δx>0，说明L3>L4，则控制二维位移台12向x轴负方向移动(L3-L4)/2；如果Δx<0，说明L3<L4，则控制二维位移台12向x轴正方向移动(L4-L3)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δx值接近于激光位移传感器1的标称精度值，此时可以认为L3与L4的值相等，将此时的状态定义为伺服回转台5的回转中心位于y轴上；
步骤四、经过上述步骤二和步骤三，伺服回转台5的回转轴线7与圆环11的几何轴线重合，旋转手动的一维平移台3的调节手柄10，使激光位移传感器1沿着垂直于其激光束2的方向运动，同时记录激光位移传感器1的输出，当该输出达到最大值时，停止旋转一维平移台3的调节手柄10并拧紧锁紧螺钉9，则此时激光位移传感器1的出射激光束2通过回转台5的回转中心；
当激光位移传感器1的出射激光束2逐渐接近伺服回转台5的回转中心时，激光位移传感器1的输出将会逐渐变大；当激光位移传感器1的输出第一次达到最大值时，则反向旋转一维平移台3的调节手柄10并比较激光位移传感器1的输出，进行反复移动和比较，直到相邻被测点处的激光位移传感器1输出无突变时，则停止旋转调节手柄10，并拧紧锁紧螺钉9进行锁紧进和防松，此时激光位移传感器1的出射激光束2正好通过伺服回转台5的回转中心，从而实现了调整激光位移传感器1的出射激光束2通过回转中心的方法。
所述圆环11的材质为T10或者GCr15，经过热处理、渗碳等工艺，表面硬度为HRC58～63，其内圆柱面经过精密研磨处理，直径精度在±0.01mm以内，圆柱度小于0.01mm。

Claims (4)

1.一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，该方法所依托的测量装置包括激光位移传感器(1)、一维平移台(3)、传感器连接件(4)、回转台(5)和测量臂(6)；回转台(5)能够绕自身的回转轴线(7)进行360°整周回转；测量臂(6)的一端通过轴孔套装在回转台(5)的输出轴上，另一端通过安装板固定一维平移台(3)，并且使一维平移台(3)的一维工作台面(8)的运动方向与测量臂(6)的长度方向垂直；将传感器连接件(4)通过螺栓固定在一维平移台(3)的一维工作台面(8)上，将激光位移传感器(1)通过螺栓安装在传感器连接件(4)上，并调整激光位移传感器(1)的空间方位，使其出射激光束(2)的方向与测量臂(6)的长度方向平行，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤一、将测量装置固定在二维位移台(12)上，二维位移台(12)能够产生两个垂直方向上的直线运动；在开始调整前，将测量臂(6)所处的位置记为a，并将位置a处的回转台(5)中编码器的输出角度记为0°；然后将一个圆环(11)套装在二维位移台(12)和测量装置的外围，调整圆环(11)的几何轴线与回转台(5)的回转轴线(7)平行；以圆环(11)的几何中心为坐标原点建立平面直角坐标系，其x轴和y轴的方向分别与二维位移台(12)的两个垂直运动方向平行；
步骤二、启动激光位移传感器(1)，使其出射激光束(2)投射在圆环(11)的内圆柱面上，记录此时激光位移传感器(1)的输出，将该输出记为L1；然后控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到180°的位置b处，记录位置b处的激光位移传感器(1)的输出，将该输出记为L2；计算Δy＝L1-L2的值，如果Δy>0，说明L1>L2，则控制二维位移台(12)向y轴正方向移动，移动距离为(L1-L2)/2；如果Δy<0，说明L1<L2，则控制二维位移台(12)向y轴负方向移动，移动距离为(L2-L1)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δy的值接近于激光位移传感器(1)的标称精度值，此时可以认为L1与L2的值相等，并将此时的状态定义为回转台(5)的回转中心位于x轴上；
步骤三、控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到90°的位置c处，记录位置c处的激光位移传感器(1)的输出，将该输出记为L3；然后控制回转台(5)带动测量臂(6)旋转到270°的位置d处，记录位置d处的激光位移传感器(1)的输出，将该输出记为L4；计算Δx＝L3-L4的值，如果Δx>0，说明L3>L4，则控制二维位移台(12)向x轴负方向移动，移动距离为(L3-L4)/2；如果Δx<0，说明L3<L4，则控制二维位移台(12)向x轴正方向移动，移动距离为(L4-L3)/2；重复此步骤的上述操作，直到Δx的值接近于激光位移传感器(1)的标称精度值，此时可以认为L3与L4的值相等，并将此时的状态定义为回转台(5)的回转中心位于y轴上；
步骤四、经过上述步骤二和步骤三，使得回转台(5)的回转轴线(7)与圆环(11)的几何轴线重合；旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)，使激光位移传感器(1)沿着垂直于其出射激光束(2)的方向运动，同时记录激光位移传感器(1)的输出，当该输出达到最大值时，停止旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)并拧紧锁紧螺钉(9)，则此时激光位移传感器(1)的出射激光束(2)通过回转台(5)的回转中心；
在步骤四的调整过程中，当激光位移传感器(1)的出射激光束(2)逐渐逼近回转台(5)的回转中心时，激光位移传感器(1)的输出将会逐渐变大；当激光位移传感器(1)的输出第一次达到最大值时，则反向旋转一维平移台(3)的调节手柄(10)并比较激光位移传感器(1)的输出，进行反复移动和比较，直到相邻被测点处的激光位移传感器(1)的输出无突变时，则停止旋转调节手柄(10)，并拧紧锁紧螺钉(9)进行锁紧和防松，此时激光位移传感器(1)的出射激光束(2)正好通过回转台(5)的回转中心，从而实现了调整激光位移传感器(1)的出射激光束(2)通过回转中心的方法。
2.根据权利要求1所述的一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，其特征在于：所述圆环(11)的材质为T10或者GCr15，经过热处理、渗碳工艺，表面硬度为HRC58～63，其内圆柱面经过精密研磨处理，直径精度在±0.01mm以内，圆柱度小于0.01mm。
3.根据权利要求1所述的一种调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，其特征在于：该方法所依托的测量装置中的一维平移台(3)包括一维工作台面(8)、锁紧螺钉(9)和调节手柄(10)；旋转调节手柄(10)可以驱动一维工作台面(8)运动，当一维工作台面(8)到达所需位置后，通过锁紧螺钉(9)进行锁紧和防松。
4.根据权利要求1所述的调整激光位移传感器的出射激光束通过回转中心的方法，其特征在于：激光位移传感器(1)为基于点结构光的光学测距传感器。
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