CN108489417A - 一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。现有解决超量程的复杂曲面测量方法效率低。本发明装置包括传感器主板、激光测头、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架、第一直角棱镜、第二棱镜架和第二直角棱镜。本发明通过改变激光测头外围的测量光路实现量程的改变，不需要改变激光测头的内部结构，使单个激光测头可以实现多种量程；变量程二次测量法在一定程度上解决了激光测头量程与精度之间的矛盾。

Description

一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法

技术领域

本发明属于物体表面形状激光非接触式精密测量技术领域，具体涉及一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。

背景技术

复杂曲面零件在航空航天装备、舰船推进装置、机动车、光学仪器等领域的应用非常广泛，如航空发动机叶片、舰船螺旋桨、汽车覆盖件、菲涅尔棱镜等。作为功能部件，零件上曲面的几何形状对其功能实现有很大影响，所以需要对功能型曲面的几何形状进行精密检测。

目前曲面测量方法主要分为接触式与非接触式两类，其中非接触式测量方法具有快速、无接触力、测量装置便捷、灵活性大等优点，是曲面检测的发展趋势。三角法激光测头是一种典型的非接触式测量传感器，在零件形状检测、曲面数字化测量领域有着广泛的应用。

用三角法激光测头测量复杂曲面时遇到的主要问题是传感器的量程与测量精度存在矛盾。当传感器的量程较大时，测量精度一般较低，测量结果可能不符合测量精度要求；当传感器的测量精度较高时，量程一般较小，对具有孔、洞、阶跃等特征的复杂曲面进行测量时可能会频繁地出现超量程现象。为了实现复杂曲面精密测量，需要选择测量精度高、量程小的激光测头，为了实现快速测量，需要在测量过程中避免超量程现象。目前主要有以下三种方法解决超量程问题：

(1)量程回归法。当出现超量程现象时，测量机及时调整竖直轴的高度，使待测曲面重新回到激光测头的量程范围内，然后继续测量。

(2)跟踪法。在扫描测量过程中，系统实时监控激光测头的输出值，当输出值靠近量程的上限时，系统控制测量机竖直轴向上运动，使被测点向量程的中点靠近；当输出值靠近量程的下限时，系统控制测量机竖直轴向下运动，使被测点向量程的中点靠近。

(3)多传感器集成法。先用3D视觉传感器、线激光扫描仪等快速三维形貌传感器对待测曲面进行全面扫描，并利用全面扫描获得数据为激光测头规划测量路径，然后激光测头按照测量路径对待测曲面进行精密、快速测量。

上述方法中，方法(1)简单、易于实现，对整体高度差变化不大的曲面比较有效。但使用该方法时，如果出现超量程现象，系统并不能识别待测曲面超出了量程的上限还是下限，为了避免激光测头与待测曲面发生碰撞，测量机竖直轴需要先往上运动，如果往上运动不能使待测曲面回到量程范围内，则再向下运动，使待测曲面回到量程范围内，往复调整过程将影响测量效率。此外，如果待测曲面的整体高度差变化较大，或曲面上存在较多的高度差超出量程范围的突变特征，则在测量过程中测量机需要频繁地进行量程回归操作，将严重影响测量效率。

方法(2)对缓渐变曲面比较有效，但如果待测曲面上存在较多的高度差超出量程范围的突变特征时，系统还是需要频繁地进行量程回归操作。

方法(3)可以较好地解决超量程问题，但需要三维形貌传感器介入测量过程，从而直接增加测量成本，且多传感器的集成需要进行标定与数据融合处理，测量过程相对更加繁琐。此外，三维形貌传感器获得是大量散乱点云数据，数据处理对计算机硬件、算法设计要求较高，处理过程比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。

本发明一种量程可变的激光测头装置，包括传感器主板、激光测头、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架、第一直角棱镜、第二棱镜架和第二直角棱镜。所述的传感器主板上端固定有连接板，连接板的上端面固定有连接柱；激光测头的若干安装孔与传感器主板侧面的凸台固定；以三坐标测量机的X轴为激光测头的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头的Z轴，YOZ面垂直于激光测头的安装孔轴线，以激光测头的测量光束发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正向成锐角；所述传感器主板的下端开设有四个接口安置孔，第一接口安置孔位于激光测头的测量光束发射点正下方，第二接口安置孔、第三接口安置孔和第四接口安置孔沿Y轴负方向依次远离激光测头；四个接口安置孔的孔径均为D，且四个接口安置孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内；相邻接口安置孔的中心线间距均为d，d取值为接收透镜光心到激光测头的测量光束的距离。

所述第一接口、第二接口、第三接口和第四接口的结构和尺寸完全一致；四个接口的外圆柱直径均为D。四个接口的接口端端面均开设有一个与外圆柱面同轴设置的接口孔，接口孔的底面开设有第一中心孔，第一中心孔内固定圆柱形的铁块，铁块的外端面与接口孔的底面平齐；接口孔的底面位于铁块外沿开设有两个定位孔，两个定位孔的中心线位于以接口孔中心线为中心线的同一个圆柱面上，且两个定位孔的中心线与接口孔的中心线位于同一平面内。

所述第一接口的尾部安装端固定在第一接口安置孔内，第二接口的尾部安装端固定在第二接口安置孔内，第三接口的尾部安装端固定在第三接口安置孔内，第四接口的尾部安装端固定在第四接口安置孔内；四个接口上的所有定位孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内。

所述第一棱镜架和第二棱镜架的结构和尺寸完全一致；第一棱镜架和第二棱镜架的接头端均为外凸的圆柱，且接头端的圆柱面直径等于第一接口的接口孔孔径。接头端端面开设有第二中心孔，第二中心孔内固定圆柱形的磁铁，磁铁的端面与接头端端面平齐。接头端端面位于磁铁外沿设有两个定位销，两个定位销的中心线位于以接头端圆柱面的中心线为中心线的同一圆柱面上，且两个定位销的中心线与接头端圆柱面的中心线位于同一平面内，两个定位销中心线之间的距离等于第一接口的两定位孔中心线之间的距离；定位销的外端设有倒角，定位销的直径等于第一接口的定位孔孔径；第一棱镜架和第二棱镜架的棱镜安装端为与各自接头端同轴设置的半圆柱体，半圆柱体上呈平面的侧面为装镜面，装镜面与两个定位销的中心线所在平面之间的夹角为45°。

所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的两端面均呈等腰直角三角形；第一直角棱镜固定在第一棱镜架上，且第一直角棱镜端面上的斜边所在面与第一棱镜架上的装镜面贴合，第一直角棱镜的外端面与第一棱镜架的棱镜安装端端面平齐。第二直角棱镜固定在第二棱镜架上，且第二直角棱镜端面上的斜边所在面与第二棱镜架上的装镜面贴合，第二直角棱镜的外端面与第二棱镜架的棱镜安装端端面平齐。

第一棱镜架安装在第一接口上，第二棱镜架安装在第二接口、第三接口或第四接口上；第一棱镜架与第一接口在装配状态下，第一直角棱镜端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴正向一致，激光测头的测量光束穿过该直角边所在面。第二棱镜架在装配状态下，第二直角棱镜端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴负向一致。

所述传感器主板、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架及第二棱镜架的材料均为铝合金。

所述的第一棱镜架安装在第一接口上的过程如下：两个定位销分别嵌入对应的一个定位孔内，接头端嵌入接口孔内，磁铁吸住铁块；第二棱镜架安装在第二接口、第三接口或第四接口上的过程同第一棱镜架在第一接口上的安装过程一样。

将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第二接口，激光测头的量程变为原来的2倍；将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第三接口，激光测头的量程变为原来的3倍；将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第四接口，激光测头的量程变为原来的4倍。

该量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，具体步骤如下：

步骤一、将传感器主板的连接柱与三坐标测量机竖直轴的下端固定。

步骤二、若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的1～2倍之间，则将第二棱镜架安装到第二接口上；若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的2～3倍之间，则第二棱镜架安装在第三接口上；若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的3～4倍之间，则第二棱镜架安装在第四接口上。

步骤三、进行一次测量如下：驱动三坐标测量机，以逐行扫描的方式对待测曲面进行测量，直至完成对待测曲面整个设定区域的测量，测得n个测点的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，i＝1,2,3,4,…n。

步骤四、若第二棱镜架安装在第二接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其中，h为激光测头的输出值，表示测点与激光测头量程中心点之间的距离；α为测量光束与接收透镜主光轴之间的夹角，为已知参数。若第二棱镜架安装在第三接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-2d，z_i-2dcotα+2h)，i＝1,2,3,4,…n；若第二棱镜架安装在第四接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-3d，z_i-3dcotα+3h)，i＝1,2,3,4,…n。

步骤五、首先用中值滤波法对n个测点的坐标值数据进行异常点剔除，然后用直线滑动平均法对剔除异常点后的坐标值数据进行数据平滑处理，最后激光测头针对每行坐标值数据分别规划一条二次测量路径。

步骤六、拆下第一棱镜架和第二棱镜架，进行二次测量如下：驱动三坐标测量机，使激光测头逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，且所取测点为二次测量路径的起点开始至末点的所有点。

步骤七、二次测量获得的测点坐标值数据作为最后的测量结果。

进一步，步骤四中，若第二棱镜架安装在第二接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其原理如下：设测点为K₂，K₂在位置敏感元件上对应的像点为S_K，S_K和K₂连线与A₁和B₁连线交于K₁，设K₁的坐标值为(x_i,y_i,z_i)，K₂的坐标值为(x,y,z)；激光测头的输出值h为K₁和M₁的距离；因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线在同一平面内，所以x＝x_i；又因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线之间的距离为d，所以y＝y_i-d。又

z＝z_i-FK₂ (1)

式中，FK₂为F和K₂的距离，F为K₁在A₂和B₂连线上的投影；而

FK₂＝FE+EK₂＝h+EK₂ (2)

式中，FE为F和E的距离，EK₂为E和K₂的距离，E为M₁在A₂和B₂连线上的投影；

又因为

EK₂＝EM₂-K₂M₂ (3)

式中，EM₂为E和M₂的距离，K₂M₂为K₂和M₂的距离；

由△CK₁M₁∽△CK₂M₂可得

K₂M₂＝2K₁M₁＝2h (4)

在△M₁EM₂中，EM₁＝d，∠M₁M₂E＝α，所以

EM₂＝dcotα (5)

式(4)和(5)代入式(3)得

EK₂＝dcotα–2h (6)

式(6)代入式(2)得

FK₂＝dcotα–h (7)

式(7)代入式(1)得

z＝z_i-dcotα+h (8)

进一步，步骤五中，激光测头针对某一行坐标值数据规划二次测量路径的方法，具体步骤如下：

1)当相邻测点之间的距离超过阈值时，该相邻的两测点归入不同区域，从而将测点分成多个区域；

2)每个区域中的所有测点通过最小二乘法拟合出一条三次B样条曲线段，三次B样条曲线段中保证各相邻拟合点的X轴坐标值差值相等；

3)将拟合后的各三次B样条曲线段同时向Z轴正向偏置距离f，其中，f为量程中点到激光测头下底面的距离，为已知参数。

4)从第一段三次B样条曲线段的起点开始逐个取拟合点作为测点，直至取到最后一段三次B样条曲线段的末点，这个取测点的路径即为激光测头针对该行的二次测量路径。

进一步，步骤六中，驱动三坐标测量机，使激光测头逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，具体为使测量光束与激光测头的下底面交点按二次测量路径运动。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过改变激光测头外围的测量光路实现量程的改变，不需要改变激光测头的内部结构，使单个激光测头可以实现多种量程。

2、本发明变量程二次测量法在一定程度上解决了激光测头量程与精度之间的矛盾，利用单个激光测头就可以实现复杂曲面精密、快速地非接触式测量。

3、本发明利用磁力实现棱镜架的快速装卸，装卸过程简单、快捷。

4、本发明的测头装置结构简单、成本低、易于实现。

附图说明

图1是本发明对待测曲面进行测量时的示意图；

图2是本发明中传感器主板的结构立体图；

图3是本发明中第一接口的结构立体图；

图4是本发明中第一棱镜架的结构立体图；

图5是本发明中第二棱镜架安装在第二接口时的工作原理图；

图6是待测曲面的某一行经本发明一次测量后获得的测点坐标值数据；

图7是本发明中二测量路径的规划原理图。

图中：1、三坐标测量机竖直轴，2、传感器主板，2-1、连接柱，2-2、连接板，2-3、凸台，2-4、螺纹孔，2-5、第一接口安置孔，2-6、第二接口安置孔，2-7、第三接口安置孔，2-8、第四接口安置孔，3、激光测头，3-1、点式激光器，3-2、位置敏感元件，3-3、接收透镜，4、螺钉，5、第一接口，5-1、接口孔，5-2、定位孔，5-3，铁块，6、第二接口，7、第三接口，8、第四接口，9、第一棱镜架，9-1、接头端，9-2、磁铁，9-3、定位销，9-4、装镜面，10、第一直角棱镜，11、第二棱镜架，12、第二直角棱镜，13、测量光束，14、待测曲面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种量程可变的激光测头装置，包括传感器主板2、激光测头3、第一接口5、第二接口6、第三接口7、第四接口8、第一棱镜架9、第一直角棱镜10、第二棱镜架11和第二直角棱镜12。

如图1和2所示，传感器主板2上端固定有连接板2-2，连接板2-2的上端面固定有连接柱2-1；激光测头3的两个安装孔与传感器主板2侧面的凸台2-3上的两个螺纹孔2-4分别通过螺钉4固定。激光测头3采用三角测量法激光位移传感器。以三坐标测量机的X轴为激光测头3的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头3的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头3的Z轴，YOZ面垂直于激光测头3的安装孔轴线，以激光测头3的测量光束13发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正方向成锐角。

如图1、2和3所示，传感器主板2的下端开设有四个接口安置孔，第一接口安置孔2-5位于激光测头3的测量光束13发射点正下方，第二接口安置孔2-6、第三接口安置孔2-7和第四接口安置孔2-8沿Y轴负方向依次远离激光测头3。四个接口安置孔的孔径均为D，且四个接口安置孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内。相邻接口安置孔的中心线间距均为d，d取值为接收透镜3-3光心到激光测头3的测量光束13的距离。

如图1和3所示，第一接口5、第二接口6、第三接口7和第四接口8的结构和尺寸完全一致；四个接口的外圆柱直径均为D。四个接口的接口端端面均开设有一个与外圆柱面同轴设置的接口孔5-1，接口孔的底面开设有第一中心孔，第一中心孔内固定圆柱形的铁块5-3，铁块5-3的外端面与接口孔5-1的底面平齐；接口孔5-1的底面位于铁块5-3外沿开设有两个定位孔5-2，两个定位孔5-2的中心线位于以接口孔5-1中心线为中心线的同一个圆柱面上，且两个定位孔5-2的中心线与接口孔5-1的中心线位于同一平面内。

如图1和2所示，第一接口5的尾部安装端固定在第一接口安置孔2-5内，第二接口6的尾部安装端固定在第二接口安置孔2-6内，第三接口7的尾部安装端固定在第三接口安置孔2-7内，第四接口8的尾部安装端固定在第四接口安置孔2-8内；四个接口上的所有定位孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内。

如图3和4所示，第一棱镜架9和第二棱镜架11的结构和尺寸完全一致；第一棱镜架9和第二棱镜架11的接头端9-1均为外凸的圆柱，且接头端9-1的圆柱面直径等于第一接口5的接口孔5-1孔径。接头端端面开设有第二中心孔，第二中心孔内固定圆柱形的磁铁9-2，磁铁9-2的端面与接头端端面平齐。接头端9-1端面位于磁铁9-2外沿设有两个定位销9-3，两个定位销9-3的中心线位于以接头端9-1圆柱面的中心线为中心线的同一圆柱面上，且两个定位销9-3的中心线与接头端9-1圆柱面的中心线位于同一平面内，两个定位销9-3中心线之间的距离等于第一接口5的两定位孔5-2中心线之间的距离；定位销9-3的外端设有倒角，定位销9-3的直径等于第一接口5的定位孔5-2孔径；第一棱镜架9和第二棱镜架11的棱镜安装端为与各自接头端9-1同轴设置的半圆柱体，半圆柱体上呈平面的侧面为装镜面9-4，装镜面9-4与两个定位销9-2的中心线所在平面之间的夹角为45°。

如图1所示，第一直角棱镜10和第二直角棱镜12的两端面均呈等腰直角三角形；第一直角棱镜10固定在第一棱镜架9上，且第一直角棱镜10端面上的斜边所在面与第一棱镜架9上的装镜面9-4贴合，第一直角棱镜10的外端面与第一棱镜架9的棱镜安装端端面平齐。第二直角棱镜12固定在第二棱镜架11上，且第二直角棱镜端面上的斜边所在面与第二棱镜架11上的装镜面9-4贴合，第二直角棱镜的外端面与第二棱镜架11的棱镜安装端端面平齐。

如图1、3和4所示，第一棱镜架9安装在第一接口5上，安装过程如下：两个定位销9-3分别嵌入对应的一个定位孔5-2内，接头端9-1嵌入接口孔5-1内，磁铁9-2吸住铁块5-3。第一棱镜架9与第一接口5在装配状态下，第一直角棱镜10端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴正向一致，激光测头3的测量光束13穿过该直角边所在面。

第二棱镜架11安装在第二接口6、第三接口7或第四接口8上，安装过程同第一棱镜架9在第一接口5上的安装过程一样。第二棱镜架11在装配状态下，第二直角棱镜12端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴负向一致。

传感器主板2、第一接口5、第二接口6、第三接口7、第四接口8、第一棱镜架9及第二棱镜架11的材料均为铝合金。

如图5所示，未装配棱镜架时，激光测头3的量程为R₁，R₁取值为A₁和B₁的距离，其中，A₁为量程R₁的上限，B₁为量程R₁的下限，M₁为量程R₁的中点。A₁和B₁的距离与激光测头3中位置敏感元件3-2的工作范围S₁S₂存在对应关系。当第一棱镜架9安装至第一接口5，第二棱镜架11安装至第二接口6，量程扩大原理如下：点式激光器3-1发出的测量光束13在第一直角棱镜10端面上的斜边所在面上P₁处发生全反射，入射方向由Z轴负向变为Y轴负向；接着在第二直角棱镜12端面上的斜边所在面上P₂处再次发生全反射，入射方向由Y轴负向恢复为Z轴负向；因为第一棱镜架9和第二棱镜架11的轴心距为d，所以经过两次反射后测量光束13向Y轴负向偏置了距离d；此时，位置敏感元件3-2的工作范围S₁S₂对应的量程变为R₂，R₂取值为A₂和B₂的距离，其中，A₂为量程R₂的上限，B₂为量程R₂的下限，M₂为量程R₂的中点；由△CA₁B₁∽△CA₂B₂，且接收透镜3-3光心C到A₁和B₁连线的距离为d，C到A₂和B₂连线的距离为2d，得R₂＝2R₁，所以，第一棱镜架9安装至第一接口5，第二棱镜架11安装至第二接口6后，激光测头3的量程变为原来的2倍。

同理，将第一棱镜架9安装至第一接口5，第二棱镜架11安装至第三接口7，激光测头3的量程变为原来的3倍；将第一棱镜架9安装至第一接口5，第二棱镜架11安装至第四接口8，激光测头3的量程变为原来的4倍。

该量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，具体步骤如下：

步骤一、将传感器主板2的连接柱2-1与三坐标测量机竖直轴1的下端固定。

步骤二、若待测曲面14的最大高度处于激光测头3量程的1～2倍之间，则将第二棱镜架11安装到第二接口6上；若待测曲面14的最大高度处于激光测头3量程的2～3倍之间，则第二棱镜架11安装在第三接口7上；若待测曲面14的最大高度处于激光测头3量程的3～4倍之间，则第二棱镜架11安装在第四接口8上。

步骤三、进行一次测量如下：驱动三坐标测量机，以逐行扫描的方式对待测曲面14进行测量，直至完成对待测曲面14整个设定区域的测量，测得n个测点的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，i＝1,2,3,4,…n。

步骤四、若第二棱镜架11安装在第二接口6上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其中，h为激光测头3的输出值，表示测点与激光测头3量程中心点之间的距离；α为测量光束13与接收透镜主光轴之间的夹角，为已知参数。若第二棱镜架11安装在第三接口7上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-2d，z_i-2dcotα+2h)，i＝1,2,3,4,…n；若第二棱镜架11安装在第四接口8上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-3d，z_i-3dcotα+3h)，i＝1,2,3,4,…n。

步骤五、首先用中值滤波法对n个测点的坐标值数据进行异常点剔除，然后用直线滑动平均法对剔除异常点后的坐标值数据进行数据平滑处理，最后激光测头3针对每行坐标值数据分别规划一条二次测量路径。

步骤六、拆下第一棱镜架9和第二棱镜架11，进行二次测量如下：驱动三坐标测量机，使激光测头3逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，且所取测点为二次测量路径的起点开始至末点的所有点。

步骤七、二次测量获得的测点坐标值数据作为最后的测量结果。

步骤四中，若第二棱镜架11安装在第二接口6上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其原理如图5所示，设测点为K₂，K₂在位置敏感元件3-2上对应的像点为S_K(A₂和B₂对应的像点分别为S₂和S₁)，S_K和K₂连线与A₁和B₁连线交于K₁，设K₁的坐标值为(x_i,y_i,z_i)，K₂的坐标值为(x,y,z)；激光测头3的输出值h为K₁和M₁的距离；因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线在同一平面内，所以x＝x_i；又因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线之间的距离为d，所以y＝y_i-d。又如图5所示，得

z＝z_i-FK₂ (1)

式中，FK₂为F和K₂的距离，F为K₁在A₂和B₂连线上的投影；而

FK₂＝FE+EK₂＝h+EK₂ (2)

式中，FE为F和E的距离，EK₂为E和K₂的距离，E为M₁在A₂和B₂连线上的投影；

又因为

EK₂＝EM₂-K₂M₂ (3)

式中，EM₂为E和M₂的距离，K₂M₂为K₂和M₂的距离；

由△CK₁M₁∽△CK₂M₂可得

K₂M₂＝2K₁M₁＝2h (4)

在△M₁EM₂中，EM₁＝d，∠M₁M₂E＝α，所以

EM₂＝dcotα (5)

式(4)和(5)代入式(3)得

EK₂＝dcotα–2h (6)

式(6)代入式(2)得

FK₂＝dcotα–h (7)

式(7)代入式(1)得

z＝z_i-dcotα+h (8)

同理，第二棱镜架11安装在第三接口7上和第二棱镜架11安装在第四接口8上时测点的坐标值改写原理可以参考第二棱镜架11安装在第二接口6上时测点的坐标值改写原理。

如图6所示为待测曲面14的某一行经一次测量后获得的测点坐标值数据，且坐标值数据已经过步骤四及步骤五的异常点剔除和数据平滑处理，则步骤五中，激光测头3针对该行规划二次测量路径的方法，具体步骤如下：

1)当相邻测点之间的距离超过阈值时，该相邻的两测点归入不同区域，从而将测点分成多个区域(本实施例中该行被分成了4个区域)；

2)每个区域中的所有测点通过最小二乘法拟合出一条三次B样条曲线段，三次B样条曲线段中保证各相邻拟合点的X轴坐标值差值相等；

3)如图7所示，将拟合后的各三次B样条曲线段同时向Z轴正向偏置距离f，其中，f为量程中点到激光测头3下底面的距离，为已知参数。

4)从第一段三次B样条曲线段的起点S开始逐个取拟合点作为测点，直至取到最后一段三次B样条曲线段的末点T，这个取测点的路径即为激光测头3针对该行的二次测量路径。

步骤六中，驱动三坐标测量机，使激光测头3逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，具体为使测量光束与激光测头3的下底面交点按二次测量路径运动；由于测量光束与激光测头3的下底面交点到测点的距离为f时，测点刚好处于量程中点，这样二次测量时，可以获得最佳的测量精度。

Claims (8)

1.一种量程可变的激光测头装置，包括传感器主板、激光测头、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架、第一直角棱镜、第二棱镜架和第二直角棱镜，其特征在于：所述的传感器主板上端固定有连接板，连接板的上端面固定有连接柱；激光测头的若干安装孔与传感器主板侧面的凸台固定；以三坐标测量机的X轴为激光测头的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头的Z轴，YOZ面垂直于激光测头的安装孔轴线，以激光测头的测量光束发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正向成锐角；所述传感器主板的下端开设有四个接口安置孔，第一接口安置孔位于激光测头的测量光束发射点正下方，第二接口安置孔、第三接口安置孔和第四接口安置孔沿Y轴负方向依次远离激光测头；四个接口安置孔的孔径均为D，且四个接口安置孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内；相邻接口安置孔的中心线间距均为d，d取值为接收透镜光心到激光测头的测量光束的距离；

所述第一接口、第二接口、第三接口和第四接口的结构和尺寸完全一致；四个接口的外圆柱直径均为D；四个接口的接口端端面均开设有一个与外圆柱面同轴设置的接口孔，接口孔的底面开设有第一中心孔，第一中心孔内固定圆柱形的铁块，铁块的外端面与接口孔的底面平齐；接口孔的底面位于铁块外沿开设有两个定位孔，两个定位孔的中心线位于以接口孔中心线为中心线的同一个圆柱面上，且两个定位孔的中心线与接口孔的中心线位于同一平面内；

所述第一接口的尾部安装端固定在第一接口安置孔内，第二接口的尾部安装端固定在第二接口安置孔内，第三接口的尾部安装端固定在第三接口安置孔内，第四接口的尾部安装端固定在第四接口安置孔内；四个接口上的所有定位孔的中心线位于平行XOY面的同一平面内；

所述第一棱镜架和第二棱镜架的结构和尺寸完全一致；第一棱镜架和第二棱镜架的接头端均为外凸的圆柱，且接头端的圆柱面直径等于第一接口的接口孔孔径；接头端端面开设有第二中心孔，第二中心孔内固定圆柱形的磁铁，磁铁的端面与接头端端面平齐；接头端端面位于磁铁外沿设有两个定位销，两个定位销的中心线位于以接头端圆柱面的中心线为中心线的同一圆柱面上，且两个定位销的中心线与接头端圆柱面的中心线位于同一平面内，两个定位销中心线之间的距离等于第一接口的两定位孔中心线之间的距离；定位销的外端设有倒角，定位销的直径等于第一接口的定位孔孔径；第一棱镜架和第二棱镜架的棱镜安装端为与各自接头端同轴设置的半圆柱体，半圆柱体上呈平面的侧面为装镜面，装镜面与两个定位销的中心线所在平面之间的夹角为45°；

所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的两端面均呈等腰直角三角形；第一直角棱镜固定在第一棱镜架上，且第一直角棱镜端面上的斜边所在面与第一棱镜架上的装镜面贴合，第一直角棱镜的外端面与第一棱镜架的棱镜安装端端面平齐；第二直角棱镜固定在第二棱镜架上，且第二直角棱镜端面上的斜边所在面与第二棱镜架上的装镜面贴合，第二直角棱镜的外端面与第二棱镜架的棱镜安装端端面平齐；

第一棱镜架安装在第一接口上，第二棱镜架安装在第二接口、第三接口或第四接口上；第一棱镜架与第一接口在装配状态下，第一直角棱镜端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴正向一致，激光测头的测量光束穿过该直角边所在面；第二棱镜架在装配状态下，第二直角棱镜端面上的一条直角边所在面的外法向量方向与Z轴负向一致。

2.根据权利要求1所述的一种量程可变的激光测头装置，其特征在于：所述传感器主板、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架及第二棱镜架的材料均为铝合金。

3.根据权利要求1所述的一种量程可变的激光测头装置，其特征在于：所述的第一棱镜架安装在第一接口上的过程如下：两个定位销分别嵌入对应的一个定位孔内，接头端嵌入接口孔内，磁铁吸住铁块；第二棱镜架安装在第二接口、第三接口或第四接口上的过程同第一棱镜架在第一接口上的安装过程一样。

4.根据权利要求1所述的一种量程可变的激光测头装置，其特征在于：将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第二接口，激光测头的量程变为原来的2倍；将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第三接口，激光测头的量程变为原来的3倍；将第一棱镜架安装至第一接口，第二棱镜架安装至第四接口，激光测头的量程变为原来的4倍。

5.根据权利要求1所述的一种量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一、将传感器主板的连接柱与三坐标测量机竖直轴的下端固定；

步骤二、若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的1～2倍之间，则将第二棱镜架安装到第二接口上；若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的2～3倍之间，则第二棱镜架安装在第三接口上；若待测曲面的最大高度处于激光测头量程的3～4倍之间，则第二棱镜架安装在第四接口上；

步骤三、进行一次测量如下：驱动三坐标测量机，以逐行扫描的方式对待测曲面进行测量，直至完成对待测曲面整个设定区域的测量，测得n个测点的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，i＝1,2,3,4,…n；

步骤四、若第二棱镜架安装在第二接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其中，h为激光测头的输出值，表示测点与激光测头量程中心点之间的距离；α为测量光束与接收透镜主光轴之间的夹角，为已知参数；若第二棱镜架安装在第三接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-2d，z_i-2dcotα+2h)，i＝1,2,3,4,…n；若第二棱镜架安装在第四接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-3d，z_i-3dcotα+3h)，i＝1,2,3,4,…n；

步骤五、首先用中值滤波法对n个测点的坐标值数据进行异常点剔除，然后用直线滑动平均法对剔除异常点后的坐标值数据进行数据平滑处理，最后激光测头针对每行坐标值数据分别规划一条二次测量路径；

步骤六、拆下第一棱镜架和第二棱镜架，进行二次测量如下：驱动三坐标测量机，使激光测头逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，且所取测点为二次测量路径的起点开始至末点的所有点；

步骤七、二次测量获得的测点坐标值数据作为最后的测量结果。

6.根据权利要求5所述的一种量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，其特征在于：步骤四中，若第二棱镜架安装在第二接口上，则把n个测点的坐标值分别改写为(x_i，y_i-d，z_i–dcotα+h)，i＝1,2,3,4,…n，其原理如下：设测点为K₂，K₂在位置敏感元件上对应的像点为S_K，S_K和K₂连线与A₁和B₁连线交于K₁，设K₁的坐标值为(x_i,y_i,z_i)，K₂的坐标值为(x,y,z)；激光测头的输出值h为K₁和M₁的距离；因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线在同一平面内，所以x＝x_i；又因为A₁和B₁连线与A₂和B₂连线之间的距离为d，所以y＝y_i-d；又

z＝z_i-FK₂ (1)

式中，FK₂为F和K₂的距离，F为K₁在A₂和B₂连线上的投影；

而

FK₂＝FE+EK₂＝h+EK₂ (2)

式中，FE为F和E的距离，EK₂为E和K₂的距离，E为M₁在A₂和B₂连线上的投影；

又因为

EK₂＝EM₂-K₂M₂ (3)

式中，EM₂为E和M₂的距离，K₂M₂为K₂和M₂的距离；

由△CK₁M₁∽△CK₂M₂可得

K₂M₂＝2K₁M₁＝2h (4)

在△M₁EM₂中，EM₁＝d，∠M₁M₂E＝α，所以

EM₂＝dcotα (5)

式(4)和(5)代入式(3)得

EK₂＝dcotα–2h (6)

式(6)代入式(2)得

FK₂＝dcotα–h (7)

式(7)代入式(1)得

z＝z_i-dcotα+h (8)。

7.根据权利要求5所述的一种量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，其特征在于：步骤五中，激光测头针对某一行坐标值数据规划二次测量路径的方法，具体步骤如下：

1)当相邻测点之间的距离超过阈值时，该相邻的两测点归入不同区域，从而将测点分成多个区域；

2)每个区域中的所有测点通过最小二乘法拟合出一条三次B样条曲线段，三次B样条曲线段中保证各相邻拟合点的X轴坐标值差值相等；

3)将拟合后的各三次B样条曲线段同时向Z轴正向偏置距离f，其中，f为量程中点到激光测头下底面的距离，为已知参数；

4)从第一段三次B样条曲线段的起点开始逐个取拟合点作为测点，直至取到最后一段三次B样条曲线段的末点，这个取测点的路径即为激光测头针对该行的二次测量路径。

8.根据权利要求5所述的一种量程可变的激光测头装置进行曲面测量的方法，其特征在于：步骤六中，驱动三坐标测量机，使激光测头逐行扫描时按步骤五提供的各行对应的二次测量路径运动，具体为使测量光束与激光测头的下底面交点按二次测量路径运动。