CN108170096B - 一种多激光测头同步检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多激光测头同步检测的方法，属于机加工技术领域，在多激光测头检测系统中，将所有激光测头的工作模式设定为外部触发模式，在多激光测头检测系统中增加用于信号分频的分频电路，建立标准球的世界坐标系，激光测头之间的相对位置的校准采用标准球校准方式，根据激光测头之间的相对位置，计算出每个激光测头发出的扫描线相对于世界坐标系的坐标，测量出精准的工件尺寸，解决了多激光测头检测系统中，激光测头之间的相对位置的校准的技术问题；本发明测头相对位置的校准采用标准球(直径误差<1um)校准方式，各测头通过专门设计的顶点搜寻算法准确定位至标准球顶点位置。使得各测头位置度标定误差<5um。

Description

一种多激光测头同步检测的方法
技术领域
本发明属于机加工技术领域，特别涉及一种多激光测头同步检测的方法。
背景技术
随着CNC加工精度的日趋提高，加工工厂不可避免地需要增添很多精密检测设备，以对加工过程进行质量管控。其中之一的检测设备类型即为：非接触的激光位移检测设备，通常用于管控高度方向的检测精度。而随着对生产效率的要求进一步提升，检测设备通常会要求增加多传感器同步检测，通常分为多测头各自检测不同的零件，或多测头同步检测相同零件。尤其后者对于激光测头间相对位置、检测的同步性等要求较高。
现有多激光测头检测系统的客观缺点：
现有多测头系统检测时，各测头的起始、结束检测时间较为随机；受限于各传感器收到的检测指令的先后顺序，存在时间差。
各测头的采集节拍由各传感器内部时钟决定，非真正的同步检测。
现有系统测头间的相对位置标定方法较为原始，通常为人眼观察各测头光斑打至某一特征点，如十字交叉线上；误差达到几十微米，甚至几百微米。
发明内容
本发明的目的是提供一种多激光测头同步检测的方法，解决了多激光测头检测系统中，激光测头之间的相对位置的校准的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多激光测头同步检测的方法，包括如下步骤：
步骤1：在多激光测头检测系统中，将所有激光测头的工作模式设定为外部触发模式，外部触发模式所需的触发信号由多激光测头检测系统中的运动平台上的光栅尺提供；
步骤2：在多激光测头检测系统中增加用于信号分频的分频电路，光栅尺提供的信号为脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路的分频后，生成同步触发信号，多激光测头检测系统中的所有激光测头均连接一个激光控制器，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集；
步骤3：多激光测头检测系统与上位机通信，上位机获取所有激光测头测量的测量信息，上位机建立标准球的世界坐标系，上位机对激光测头之间的相对位置采用标准球校准方式校准，并通过顶点Q搜寻算法测量标准球顶点Q的定位，其步骤如下：
步骤S1：对多激光测头进行标定：首先每一个激光测头均对标准圆球进行扫描，标定标准球的顶点Q的世界坐标，每一个激光测头对应一个测量结果，任意一个激光测头标定标准球的顶点Q的世界坐标的步骤如下：
步骤A：扫描起始位置为激光测头接近标准球顶点Q的位置，根据标准球直径计算扫描起点和扫描长度；
步骤B：激光测头对标准球顶点Q的位置进行X轴和Y轴的扫描：首先沿X轴进行扫描，然后沿Y轴进行扫描，最后沿X轴再次进行扫描，记录激光测头行走路径，当激光测头完成一次扫描后，根据激光测头行走路径计算出标准球的顶点Q的X坐标Q(x)和Y坐标Q(y)；
步骤C：设定在Z轴上映射出标准球的投影圆，标准球的顶点Q将投影圆分为左半弧和右半弧；
激光测头沿Z轴扫描标准球，测量出投影圆在Z轴上的最大值Z0；
步骤D：设定一个固定阈值△Z，设定测量规则为以Z0为起点，每次测量时，在Z轴的坐标Zi均减少△Z，激光测头测量规则在左半弧扫描测量出若干个提取点Mi，同时在右半弧扫描测量出若干个提取点Ni；提取点Mi对应的Z轴坐标为Mi(z)，提取点Ni对应的Z轴坐标为Ni(z)，根据以下公式计算顶点Q的粗略Z轴坐标Pi(z)：
Pi(z)＝{Mi(z)+Ni(z)}/2；
步骤E：根据以下公式计算出顶点Q的精准Z轴坐标Q(z)：
Q(z)＝{∑Pi(z)}/i；
所述步骤D和步骤E中，i的取值均为正整数，设定激光测头测量出的无效Z值为Za，j＝(Z0-Za)/△Z；i小于等于j；
步骤F：根据Q(x)、Q(y)和Q(z)确定顶点Q在世界坐标系中的精确坐标；
步骤S2：对所有激光测头按顺序编号，并将1号激光侧头作为主侧头，其他激光侧头相对主测头的位置偏移量；
步骤4：当对加工工件进行测量时，工件固定在多激光测头检测系统的运动平台上，光栅尺测量运动平台的移动距离，设定分频电路的分频比，运动平台每移动一段距离，光栅尺就会产生一个脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路的分频后，生成同步触发信号，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集，对工件所有部位采集完毕后，根据步骤3计算出的激光测头之间的相对位置，计算出每个激光测头发出的扫描线相对于世界坐标系的坐标，即，测量出精准的工件尺寸。
所述标准球的直径误差小于1um。
所述固定阈值△Z为0.01mm。
所述光栅尺用于测量所述运动平台的移动距离，测量精度为1um。
所述运动平台每移动1um的距离，所述光栅尺输出一个脉冲信号。
本发明所述的一种多激光测头同步检测的方法，解决了多激光测头检测系统中，激光测头之间的相对位置的校准的技术问题；本发明各激光测头的工作模式由连续工作模式修改为外部触发模式；触发信号由运动平台的光栅尺脉冲信号经过分频电路板分频后统一給至各传感器所在控制器；各控制器收到脉冲上升沿信号后，同步进行数据采集；本发明测头相对位置的校准采用标准球(直径误差<1um)校准方式，各测头通过专门设计的顶点搜寻算法准确定位至标准球顶点位置。使得各测头位置度标定误差<5um。
附图说明
图1是本发明的标准球校正系统示意图；
图2是本发明的步骤B的示意图；
图3是本发明的步骤C到步骤F的示意图；
图4是本发明的同步采集系统示意图。
具体实施方式
如图1-图4所示的一种多激光测头同步检测的方法，包括如下步骤：
步骤1：在多激光测头检测系统中，将标准球固设在运动平台上，将所有激光测头的工作模式设定为外部触发模式，外部触发模式所需的触发信号由多激光测头检测系统中的运动平台上的光栅尺提供；所述多激光测头检测系统为三激光平面度快速检测仪，所述三激光平面度快速检测仪为现有技术，固不详细叙述。
常用的多激光测头检测系统支持连续采集与外部触发采集，多激光测头检测系统提供软件接口用于切换工作模式，本发明在扫描开始前，通过软件设置自动切换激光系统工作模式为触发模式，扫描结束后再切换回连续模式。切换回连续模式，通常用于机台静止时仍能使得激光测头工作，检测软件在静止时仍能正常采集激光测头数据。
步骤2：在多激光测头检测系统中增加用于信号分频的分频电路，光栅尺提供的信号为脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路(所述分频电路为现有技术，故不详细叙述)的分频后，生成同步触发信号，多激光测头检测系统中的所有激光测头均连接一个激光控制器，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集；
步骤3：多激光测头检测系统与上位机通信，上位机获取所有激光测头测量的测量信息，上位机建立标准球的世界坐标系，上位机对激光测头之间的相对位置采用标准球校准方式校准，并通过顶点Q搜寻算法测量标准球顶点Q的定位，其步骤如下：
步骤S1：对多激光测头进行标定：首先每一个激光测头均对标准圆球进行扫描，标定标准球的顶点Q的世界坐标，每一个激光测头对应一个测量结果，任意一个激光测头标定标准球的顶点Q的世界坐标的步骤如下：
步骤A：扫描起始位置为激光测头接近标准球顶点Q的位置，根据标准球直径计算扫描起点和扫描长度；扫描起始位置为人眼观察的粗略顶点位置，判定标准可定为距离顶点四分之一半径位置偏差范围内，以常见的25mm的标准球为例，扫描起始位置距离顶点偏差在±3mm以内即可。
步骤B：如图2所示，图2中的虚线为激光测头的扫描路径，激光测头对标准球顶点Q的位置进行X轴和Y轴的扫描：首先沿X轴进行扫描，然后沿Y轴进行扫描，最后沿X轴再次进行扫描，记录激光测头行走路径，当激光测头完成一次扫描后，根据激光测头行走路径计算出标准球的顶点Q的X坐标Q(x)和Y坐标Q(y)；
步骤C：设定在Z轴上映射出标准球的投影圆，标准球的顶点Q将投影圆分为左半弧和右半弧；
激光测头沿Z轴扫描标准球，测量出投影圆在Z轴上的最大值Z0；
步骤D：设定一个固定阈值△Z，设定测量规则为以Z0为起点，每次测量时，在Z轴的坐标Zi均减少△Z，激光测头测量规则在左半弧扫描测量出若干个提取点Mi，同时在右半弧扫描测量出若干个提取点Ni；提取点Mi对应的Z轴坐标为Mi(z)，提取点Ni对应的Z轴坐标为Ni(z)，根据以下公式计算顶点Q的粗略Z轴坐标Pi(z)：
Pi(z)＝{Mi(z)+Ni(z)}/2；
步骤E：根据以下公式计算出顶点Q的精准Z轴坐标Q(z)：
Q(z)＝{∑Pi(z)}/i；
所述步骤D和步骤E中，i的取值均为正整数，设定激光测头测量出的无效Z值为Za，j＝(Z0-Za)/△Z；i小于等于j；
步骤F：根据Q(x)、Q(y)和Q(z)确定顶点Q在世界坐标系中的精确坐标；
步骤S2：对所有激光测头按顺序编号，并将1号激光侧头作为主侧头，其他激光侧头相对主测头的位置偏移量；
步骤4：当对加工工件进行测量时，工件固定在多激光测头检测系统的运动平台上，光栅尺测量运动平台的移动距离，设定分频电路的分频比，运动平台每移动一段距离，光栅尺就会产生一个脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路的分频后，生成同步触发信号，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集，如图4所示，假设为2分频，则2个脉冲信号对应一次采集信号；若原1个脉冲对应设备移动1um，则此工作状态下，多激光测头每个测头对应设备每移动2um采集一个数据点；对工件所有部位采集完毕后，根据步骤3计算出的激光测头之间的相对位置，计算出每个激光测头发出的扫描线相对于世界坐标系的坐标，即，测量出精准的工件尺寸。
所述标准球的直径误差小于1um。
所述固定阈值△Z为0.01mm。
所述光栅尺用于测量所述运动平台的移动距离，测量精度为1um。
所述运动平台每移动1um的距离，所述光栅尺输出一个脉冲信号。
本发明通过统一的硬件触发信号，使得各激光测头同步采集，采集数据可与实际的坐标位置准确对应；
本发明通过标准件标定位置度，标定精度可靠性高；标定算法设计巧妙，操作便捷。
本发明所述的一种多激光测头同步检测的方法，解决了多激光测头检测系统中，激光测头之间的相对位置的校准的技术问题；本发明各激光测头的工作模式由连续工作模式修改为外部触发模式；触发信号由运动平台的光栅尺脉冲信号经过分频电路板分频后统一給至各传感器所在控制器；各控制器收到脉冲上升沿信号后，同步进行数据采集；本发明测头相对位置的校准采用标准球(直径误差<1um)校准方式，各测头通过专门设计的顶点搜寻算法准确定位至标准球顶点位置。使得各测头位置度标定误差<5um。

Claims (5)

1.一种多激光测头同步检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在多激光测头检测系统中，将所有激光测头的工作模式设定为外部触发模式，外部触发模式所需的触发信号由多激光测头检测系统中的运动平台上的光栅尺提供；
步骤2：在多激光测头检测系统中增加用于信号分频的分频电路，光栅尺提供的信号为脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路的分频后，生成同步触发信号，多激光测头检测系统中的每一个激光测头分别连接一个激光控制器，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集；
步骤3：多激光测头检测系统与上位机通信，上位机获取所有激光测头测量的测量信息，上位机建立标准球的世界坐标系，上位机对激光测头之间的相对位置采用标准球校准方式校准，并通过顶点Q搜寻算法测量标准球顶点Q的定位，其步骤如下：
步骤S1：对多激光测头进行标定：首先每一个激光测头均对标准圆球进行扫描，标定标准球的顶点Q的世界坐标，每一个激光测头对应一个测量结果，任意一个激光测头标定标准球的顶点Q的世界坐标的步骤如下：
步骤A：扫描起始位置为激光测头接近标准球顶点Q的位置，根据标准球直径计算扫描起点和扫描长度；
步骤B：激光测头对标准球顶点Q的位置进行X轴和Y轴的扫描：首先沿X轴进行扫描，然后沿Y轴进行扫描，最后沿X轴再次进行扫描，记录激光测头行走路径，当激光测头完成一次扫描后，根据激光测头行走路径计算出标准球的顶点Q的X坐标Q(x)和Y坐标Q(y)；
步骤C：设定在Z轴上映射出标准球的投影圆，标准球的顶点Q将投影圆分为左半弧和右半弧；
激光测头沿Z轴扫描标准球，测量出投影圆在Z轴上的最大值Z0；
步骤D：设定一个固定阈值△Z，设定测量规则为以Z0为起点，每次测量时，在Z轴的坐标Zi均减少△Z，激光测头测量规则在左半弧扫描测量出若干个提取点Mi，同时在右半弧扫描测量出若干个提取点Ni；提取点Mi对应的Z轴坐标为Mi(z)，提取点Ni对应的Z轴坐标为Ni(z)，根据以下公式计算顶点Q的粗略Z轴坐标Pi(z)：
Pi(z)＝{Mi(z)+Ni(z)}/2；
步骤E：根据以下公式计算出顶点Q的精准Z轴坐标Q(z)：
Q(z)＝{∑Pi(z)}/i；
所述步骤D和步骤E中，i的取值均为正整数，设定激光测头测量出的无效Z值为Za，j＝(Z0-Za)/△Z；i小于等于j；
其中，Z0为激光测头沿Z轴扫描标准球，测量出投影圆在Z轴上的最大值；
步骤F：根据Q(x)、Q(y)和Q(z)确定顶点Q在世界坐标系中的精确坐标；
步骤S2：对所有激光测头按顺序编号，并将1号激光侧头作为主侧头，其他激光侧头相对主测头的位置偏移量；
步骤4：当对加工工件进行测量时，工件固定在多激光测头检测系统的运动平台上，光栅尺测量运动平台的移动距离，设定分频电路的分频比，运动平台每移动一段距离，光栅尺就会产生一个脉冲信号，该脉冲信号经过分频电路的分频后，生成同步触发信号，同步触发信号由分频电路同步发送给所有激光控制器，每一个激光控制器均在接收到同步触发信号的上升沿时，控制与其对应连接的激光测头进行数据采集，对工件所有部位采集完毕后，根据步骤3计算出的激光测头之间的相对位置，计算出每个激光测头发出的扫描线相对于世界坐标系的坐标，即，测量出精准的工件尺寸。
2.如权利要求1所述的一种多激光测头同步检测的方法，其特征在于:所述标准球的直径误差小于1um。
3.如权利要求1所述的一种多激光测头同步检测的方法，其特征在于:所述固定阈值△Z为0.01mm。
4.如权利要求1所述的一种多激光测头同步检测的方法，其特征在于:所述光栅尺用于测量所述运动平台的移动距离，测量精度为1um。
5.如权利要求4所述的一种多激光测头同步检测的方法，其特征在于:所述运动平台每移动1um的距离，所述光栅尺输出一个脉冲信号。
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