CN108519063A - 双量程复合的激光测头装置及其表面测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双量程复合的激光测头装置及其表面测量方法。现有激光测头的量程和精度往往难以兼顾。本发明装置包括第一移动平台、第一激光测头、第二移动平台、第二激光测头和挡光板。本发明方法中：若待测物表面最大高度差小于第一激光测头的量程R1，则关闭第二激光测头，用第一激光测头对待测物表面进行测量；若待测物表面最大高度差在R1～2R1之间，则构建第一引导测量单元对待测物表面进行测量；若待测物表面最大高度差在2R1～3R1之间，则构建第二引导测量单元对待测物表面进行测量。本发明利用引导测量单元，使主测头在线、快速实现量程回归，有效扩展高精度、小量程激光测头的应用范围，实现复杂表面形状高精度非接触式测量。
Description
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，具体涉及一种双量程复合的激光测头装置及其对复杂表面的测量方法。
背景技术
在光学仪器、新能源制备装备、机动车照明、运动保健和机械制造等领域，为了实现特殊的功能，有些零件的表面形状非常复杂，如菲涅尔棱镜表面、用于制氢的微反应器凸台阵列面、机动车灯罩上的反射棱锥阵列面、运动鞋鞋底花纹面、齿轮齿条的齿形面等。
为了保证这类零件的性能，需要对这类零件的表面形状或制造该类零件的模具的表面形状进行检测。目前，表面形状测量方法主要分为接触式和非接触式两类，其中非接触式测量具有测量速度快、无接触力、所获数据无需作半径补偿等优点，是形状测量的发展趋势。
非接触式测量方法中，点式三角法激光测头由于其设备便携、使用成本较低、所获数据容易处理、在非接触式测量传感器中精度较高等优点，在零件形状精密测量方面有广泛的应用。为了扩展测量范围与测量灵活性，激光测头一般搭载在三坐标测量机的竖直轴上执行测量任务。
目前应用点式激光测头进行零件表面形状测量时遇到的主要问题是超量程现象。执行测量任务时，为了保证测量结果的可靠性，一般选用测量精度较高的测头，但高精度激光测头的量程一般较小(如Keyence LK-H025型激光测头的量程为仅为6mm)，而复杂表面，如凸台阵列面，具有大量的起伏特征、跳跃特征，所以在测量过程中会频繁地出现超量程现象。
目前解决激光测头超量程现象的方法主要有以下四种：
(1)跟踪法。在测量过程中，测量系统实时监控被表面在激光测头量程中的位置，当被测表面靠近量程上限时，系统驱动三坐标测量竖直轴向上运动，使被测表面回到量程的中部；当被测表面靠近量程下限时，系统驱动三坐标测量机竖直轴向下运动，使被测表面回到量程的中部。
(2)调整法。当出现超量程现象时，系统先驱动三坐标测量机竖直轴向上运动，使被测表面回到量程的中部。如果竖直轴向上运动一个测量净空距离(激光测头下底面到量程中点之间的距离)后被测表面仍未出现在量程内，则系统驱动竖直轴向下运动，直至被测表面回到量程中部。
(3)改用大量程测头。首先测量或估算被测表面的总体高度差，然后选择量程大于总体高度差的激光测头进行测量。
(4)机器视觉引导法。先用3D立体视觉传感器或线、面激光扫描仪对被测表面进行全面扫描；然后对获得的表面数据进行处理，并把表面数据拟合成曲面，获得被测表面的粗模型；接着利用粗模型为激光测头规划测量路径；最后激光测头按测量路径进行扫描，获得最终的测量结果。
上述方法中，方法(1)控制策略简单，容易实现，对缓渐变表面有效。但对于具有阶跃特征，且阶跃特征之间的高度差大于测头量程的表面，方法(1)将无效，因为被测表面可能突然超出量程，测量机竖直轴无法及时调整。
当方法(1)无效时，可以使用方法(2)使被测表面重新回到量程内。但对于被测特征按阵列分布的表面(如制氢用的凸台阵列微反应器的表面)，可能每测量完其中一个特征后都会出现超量程现象，这样测量机就需要频繁地调整竖直轴高度解决超量程问题，竖直轴频繁调整将大量增加测量时间，影响测量效率。
方法(3)简单、直接，但激光测头的量程和精度是一对矛盾，量程大的测头测量精度一般较低，测量精度高的测头量程一般较小。当被测表面的总体高度差较大时，若直接使用大量程测头，测量结果可能不符合精度要求。
方法(4)利用“粗测量指导精测量”的思想，可以在保证测量精度的前提下较好地解决超量程问题，但测量过程需要使用价格相对较高的3D形貌测量设备，直接增加测量成本。同时，3D立体视觉传感器或线、面激光扫描仪获得是大量的散乱点云数据，数据处理与曲面拟合难度较大，且目前还没有比较成熟的处理工具。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双量程复合的激光测头装置及其对复杂表面的测量方法。
本发明双量程复合的激光测头装置，包括传感器主板、第一移动平台、第一激光测头、第二移动平台、第二激光测头和挡光板。所述第一激光测头的两个安装孔与第一移动平台的第一滑台台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定；第二激光测头的两个安装孔与第二移动平台的第二滑台台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定。挡光板的两个安装孔与第二滑台的下底面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定。所述挡光板的上表面设置黑色的植绒布，植绒布正对第二激光测头的第二测量光束。以第一激光测头下底面激光出射点为原点的右手直角坐标系OXYZ中，YOZ面垂直于第一激光测头的安装孔轴线，Z轴正方向与第一激光测头中第一激光器发出的第一测量光束出射方向相反。所述的第一滑台沿Y轴方向滑动，第二滑台沿Z轴方向滑动。所述的传感器主板由一体成型的第一连接板、第二连接板和传感器安装板组成。第一连接板和第二连接板相互垂直，第一连接板的安装面平行于XOZ面，第二连接板的安装面平行于XOY面；传感器安装板的安装面平行于YOZ面。第一连接板和第二连接板的安装面上各开设了与双圆头平键形状相同的四个调节孔。所述的第一移动平台的第一底座和第二移动平台的第二底座均固定在传感器安装板上。
所述的第一激光测头和第二激光测头型号相同；所述的第一激光测头包括第一激光器、第一位置敏感元件和第一接收透镜；所述的第二激光测头包括第二激光器、第二接收透镜和第二位置敏感元件；第一接收透镜光心到第一激光器发出的第一测量光束之间的距离、第二接收透镜光心到第二激光器发出的第二测量光束之间的距离均为d；第二激光器发出的第二测量光束所在直线与第二接收透镜光心确定的平面与YOZ平面重合，第一激光器发出的第一测量光束所在直线与第一接收透镜光心确定的平面也与YOZ平面重合。
所述的第一移动平台包括第一丝杆、第一滑台和第一底座；第一螺母固定在第一丝杆上；第一滑台与第一丝杆构成螺旋副，第一丝杆与第一底座的挡板构成转动副。挡板上设置第一锁紧螺钉，第一锁紧螺钉的中心轴线与第一丝杠的中心轴线垂直并相交。第一底座上外法向与Z轴正向平行的侧面上固定设有第一横向定标和第二横向定标；第一滑台的外法向与Z轴正向平行的侧面上设有横向游标。第一横向定标、第二横向定标和横向游标都呈片状，且为等腰三角形；第一横向定标和第二横向定标的顶角均指向X轴正向，横向游标的顶角指向X轴负向。
所述的第二移动平台包括第二滑台、第二丝杆和第二底座；第二螺母固定在第二丝杆上；第二滑台与第二丝杆构成螺旋副，第二丝杆与第二底座的挡板构成转动副，该挡板上设置了第二锁紧螺钉，第二锁紧螺钉的中心轴线与第二丝杠的中心轴线垂直并相交。第二移动平台的第二底座上外法向与Y轴负向平行的侧面上设有第一纵向定标和第二纵向定标；第二滑台的外法向与Y轴负向平行的侧面上设有纵向游标。第一纵向定标、第二纵向定标和纵向游标都呈片状，且为等腰三角形；第一纵向定标和第二纵向定标的顶角均指向X轴正向，纵向游标的顶角指向X轴负向。
第一移动平台、第二移动平台、第一横向定标、第二横向定标、横向游标、第一纵向定标、第二纵向定标和纵向游标之间的相互位置关系如下：
1)当横向游标与第一横向定标对齐，纵向游标与第一纵向定标对齐时，第一激光测头和第二激光测头有如下定位关系：第二激光测头的第二测量光束所在直线与第一激光测头的第一测量光束所在直线的距离为d；第二激光测头下底面到第一激光测头下底面的距离为dcotα，α为第一激光测头的第一测量光束与第一接收透镜主光轴之间的夹角。
2)当横向游标与第二横向定标对齐，纵向游标与第二纵向定标对齐时，第一激光测头和第二激光测头有如下定位关系：第二激光测头的第二测量光束所在直线与第一激光测头的第一测量光束所在直线的距离为2d；第二激光测头下底面到第一激光测头下底面的距离为2dcotα。
横向游标与第一横向定标对齐，纵向游标与第一纵向定标对齐时，第一测量光束、第二接收透镜和第二位置敏感元件构成第一引导测量单元。第一引导测量单元的量程为第二激光测头量程的2倍，且量程中心与第一激光测头的量程中心重合。横向游标与第二横向定标对齐，纵向游标与第二纵向定标对齐时，第一测量光束、第二接收透镜、第二位置敏感元件构成第二引导测量单元，第二引导测量单元的量程为第二激光测头量程的3倍，且量程中心与第一激光测头的量程中心重合。
所述的第一激光测头和第二激光测头均为基于点式三角测量法的激光位移传感器。
所述传感器主板、第一移动平台、第二移动平台和挡光板的材料均为铝合金。
该双量程复合的激光测头装置进行表面测量的方法，具体步骤如下：
步骤一、使第一连接板与三坐标测量机竖直轴的测头座的侧面贴合，第二连接板与测头座的下底面贴合，并通过紧固螺钉将第一连接板和第二连接板固定在测头座上，使得第一激光测头的X轴、Y轴、Z轴的方向分别与三坐标测量机机器坐标系OMXMYMZM的XM轴、YM轴和ZM轴的方向一致；开启三坐标测量机。
步骤二、若待测物表面的最大高度差小于R1，则关闭第二激光测头，直接用第一激光测头对待测物表面进行测量，其中，第一激光测头及第二激光测头的量程均为R1；若待测物表面的最大高度差在R1～2R1之间，则进入步骤三；若待测物表面的最大高度差在2R1～3R1之间，则进入步骤四；
步骤三、构建第一引导测量单元，对待测物表面进行测量，具体步骤为：
3.1松开第一锁紧螺钉；
3.2旋转第一螺母，移动第一滑台，使横向游标的顶角与第一横向定标的顶角对齐；
3.3拧紧第一锁紧螺钉；
3.4松开第二锁紧螺钉；
3.5旋转第二螺母，移动第二滑台，使纵向游标的顶角与第一纵向定标的顶角对齐；
3.6拧紧第二锁紧螺钉；
3.7第一激光测头和第二激光测头均为开启状态；
3.8由第一激光测头对待测物表面进行测量，若第一激光测头出现超量程现象，则进入步骤3.9；若完成了待测物表面的测量，则进入步骤五；
3.9使待测物表面回到第一激光测头的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向上运动2h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向下运动2h1；完成量程回归操作后返回步骤3.8。
步骤四、构建第二引导测量单元，对待测物表面进行测量，具体步骤为：
4.1松开第一锁紧螺钉；
4.2旋转第一螺母，移动第一滑台，使横向游标的顶角与第二横向定标的顶角对齐；
4.3拧紧第一锁紧螺钉；
4.4松开第二锁紧螺钉；
4.5旋转第二螺母，移动第二滑台，使纵向游标的顶角与第二纵向定标的顶角对齐；
4.6拧紧第二锁紧螺钉；
4.7第一激光测头和第二激光测头均为开启状态；
4.8由第一激光测头对待测物表面进行测量，若第一激光测头出现超量程现象，则进入步骤4.9；若完成了待测物表面的测量，则进入步骤五；
4.9使待测物表面回到第一激光测头的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向上运动3h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向下运动3h1；完成量程回归操作后返回步骤4.8。
步骤五、测量结束，保存由第一激光测头获得的测量数据，以及每个测量数据对应的三坐标测量机上XM、YM、ZM轴的光栅尺读数。
本发明具有的有益效果是：
1、利用引导测量单元，能使主测头在线、快速实现量程回归，能有效扩展高精度、小量程激光测头的应用范围，实现复杂表面形状高精度非接触式测量。
2、利用两个移动平台调节两测头之间的相对位置关系，可以实现两种倍率逐级递增的引导量程，可以满足多种不同尺度的测量对象。
3、两个测头共用同一束测量光束(挡光板和植绒布遮挡了第二激光测头的第二测量光束)，两个测头的输出数据处于同一坐标系，数据处理无需标定与坐标变换，操作方便。
4、测头装置结构清晰、原理简单，容易实现。
附图说明
图1是本发明对待测物表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是本发明中第一移动平台的结构立体图；
图4是本发明中第二移动平台的结构立体图；
图5是本发明中挡光板的结构立体图；
图6是本发明中第一引导测量单元的构建与工作原理图。
图中：1、三坐标测量机竖直轴，2、测头座，3、传感器主板，3-1、第一连接板，3-2、第二连接板，3-3、调节孔，3-4、传感器安装板，4、第一移动平台，4-1、第一滑台，4-2、挡板，4-3、第一丝杠，4-4、第一螺母，4-5、第一锁紧螺钉，4-6、第一底座，4-7、第一横向定标，4-8、第二横向定标，4-9、横向游标，5、第一激光测头，5-1、第一激光器，5-2、第一测量光束，5-3、第一位置敏感元件，5-4、第一接收透镜，6、紧固螺钉，7、第二移动平台，7-1、第二滑台，7-2、第二螺母，7-3、第二锁紧螺钉，7-4、第二底座，7-5、第一纵向定标，7-6、第二纵向定标，7-7、纵向游标，8、第二激光测头，8-1、第二测量光束，8-2、第二位置敏感元件，8-3、第二接收透镜，9、挡光板，9-1、植绒布，10、待测物。
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所示，双量程复合的激光测头装置，包括传感器主板3、第一移动平台4、第一激光测头5、第二移动平台7、第二激光测头8和挡光板9。
如图1、3和4所示，第一移动平台4和第二移动平台7固定在传感器主板3上。第一激光测头5的两个安装孔与第一移动平台4的第一滑台4-1台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉6固定；第二激光测头8的两个安装孔与第二移动平台7的第二滑台7-1台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定。挡光板9的两个安装孔与第二滑台7-1的下底面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定。以第一激光测头5下底面激光出射点为原点的右手直角坐标系OXYZ中，YOZ面垂直于第一激光测头5的安装孔轴线，Z轴正方向与第一激光测头5中第一激光器5-1发出的第一测量光束5-2出射方向相反。
如图1和6所示，第一滑台4-1沿Y轴方向滑动，第二滑台7-1沿Z轴方向滑动。第一激光测头5和第二激光测头8为型号相同的基于点式三角测量法的激光位移传感器。第一激光测头5包括第一激光器5-1、第一位置敏感元件5-3和第一接收透镜5-4；第二激光测头8包括第二激光器、第二接收透镜8-3和第二位置敏感元件8-2；第一接收透镜5-4光心到第一激光器5-1发出的第一测量光束5-2之间的距离、第二接收透镜8-3光心到第二激光器发出的第二测量光束8-1之间的距离均为d；第二激光器发出的第二测量光束8-1所在直线与第二接收透镜8-3光心确定的平面与YOZ平面重合，第一激光器5-1发出的第一测量光束5-2所在直线与第一接收透镜5-4光心确定的平面也与YOZ平面重合。
如图2所示，传感器主板3由一体成型的第一连接板3-1、第二连接板3-2和传感器安装板3-4组成。第一连接板3-1和第二连接板3-2相互垂直，第一连接板3-1的安装面平行于XOZ面，第二连接板3-2的安装面平行于XOY面；传感器安装板3-4的安装面平行于YOZ面。第一连接板3-1和第二连接板3-2的安装面上各开设了与双圆头平键形状相同的四个调节孔3-3。安装时，第一连接板3-1与三坐标测量机竖直轴1的测头座2的侧面贴合，第二连接板3-2与测头座的下底面贴合，调节孔是为了安装时可以在水平、竖直方向上作适当调整，以便第一连接板和第二连接板与测头座的侧面与下底面贴紧。
如图3所示，第一移动平台4为丝杆驱动的导轨式滑动平台，包括第一丝杆4-3、第一滑台4-1和第一底座4-6；通过旋转固定在第一丝杆4-3上的第一螺母4-4实现第一滑台4-1的移动，其中，第一滑台4-1与第一丝杆4-3构成螺旋副，第一丝杆4-3与第一底座4-6的挡板4-2构成转动副。挡板4-2上设置了第一锁紧螺钉4-5，第一锁紧螺钉4-5的中心轴线与第一丝杠4-3的中心轴线垂直并相交，第一锁紧螺钉4-5旋紧时与第一丝杆4-3接触并产生压紧力。第一底座4-6上外法向与Z轴正向平行的侧面上固定设有第一横向定标4-7和第二横向定标4-8；第一滑台4-1的外法向与Z轴正向平行的侧面上设有横向游标4-9。第一横向定标4-7、第二横向定标4-8和横向游标4-9都呈片状，且为等腰三角形，其中第一横向定标4-7和第二横向定标4-8的顶角均指向X轴正向，横向游标4-9的顶角指向X轴负向。
如图4所示，第二移动平台7的结构和尺寸与第一移动平台4完全一致，第二移动平台7包括第二滑台7-1、第二丝杆和第二底座7-4；通过旋转固定在第二丝杆上的第二螺母7-2实现第二滑台7-1的移动，其中，第二滑台7-1与第二丝杆构成螺旋副，第二丝杆与第二底座7-4的挡板构成转动副，该挡板上设置了第二锁紧螺钉7-3，第二锁紧螺钉7-3的中心轴线与第二丝杠的中心轴线垂直并相交，第二锁紧螺钉7-3旋紧时与第二丝杆接触并产生压紧力。第二移动平台7的第二底座7-4上外法向与Y轴负向平行的侧面上设有第一纵向定标7-5和第二纵向定标7-6；第二滑台7-1的外法向与Y轴负向平行的侧面上设有纵向游标7-7。第一纵向定标7-5、第二纵向定标7-6和纵向游标7-7都呈片状，且为等腰三角形，其中第一纵向定标7-5和第二纵向定标7-6的顶角均指向X轴正向，纵向游标7-7的顶角指向X轴负向。
如图1和5所示，挡光板9的上表面设置黑色的植绒布9-1，植绒布9-1正对第二激光测头8的第二测量光束8-1。
第一移动平台4、第二移动平台7、第一横向定标4-7、第二横向定标4-8、横向游标4-9、第一纵向定标7-5、第二纵向定标7-6和纵向游标7-7之间的相互位置关系如下：
1)当横向游标4-9与第一横向定标4-7对齐，纵向游标7-7与第一纵向定标7-5对齐时，第一激光测头5和第二激光测头8有如下定位关系：第二激光测头8的第二测量光束8-1所在直线与第一激光测头5的第一测量光束5-2所在直线的距离为d；第二激光测头8下底面到第一激光测头5下底面的距离为dcotα，α为第一激光测头5的第一测量光束5-2与第一接收透镜5-4主光轴之间的夹角。
2)当横向游标4-9与第二横向定标4-8对齐，纵向游标7-7与第二纵向定标7-6对齐时，第一激光测头5和第二激光测头8有如下定位关系：第二激光测头8的第二测量光束8-1所在直线与第一激光测头5的第一测量光束5-2所在直线的距离为2d；第二激光测头8下底面到第一激光测头5下底面的距离为2dcotα。
如图6所示，横向游标4-9与第一横向定标4-7对齐，纵向游标7-7与第一纵向定标7-5对齐时，第一测量光束5-2、第二接收透镜8-3和第二位置敏感元件8-2构成第一引导测量单元。第一引导测量单元的量程为第二激光测头8量程的2倍，且量程中心与第一激光测头5的量程中心重合，其原理如下：
第二激光测头8的量程为R1＝A21B21，A21B21为A21和B21的距离，R1对应第二位置敏感元件8-2的工作范围S21S22，S21S22为S21和S22的距离，B21在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S21，A21在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S22，第二激光测头8的量程中心M21在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S20。第一激光测头5的量程为A11B11，A11B11为A11和B11的距离，A11B11对应第一位置敏感元件5-3的工作范围S11S12，S11S12为S11和S12的距离，A11在第一位置敏感元件5-3上的对应位置点为S12，B11在第一位置敏感元件5-3上的对应位置点为S11，第一激光测头5的量程中心M11在第一位置敏感元件5-3上的对应位置点为S10。
由第一测量光束5-2、第二接收透镜8-3和第二位置敏感元件8-2构成的第一引导测量单元的量程为R2＝A22B22，A22B22为A22和B22的距离，A22在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S22，B22在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S21。由△C2B21A21∽△C2B22A22得
式中，C2T2为C2和T2的距离，T2为第二接收透镜8-3光心C2在A21和B21连线上的投影。C2F为C2和F的距离，F为C2在A22和B22连线上的投影。
因为C2T2＝d，C2F＝2d，所以
由式(2)得A22B22＝2A21B21，即R2＝2R1，所以第一引导测量单元的量程为第二激光测头8量程的2倍。
第二接收透镜8-3光心C2与M21的连线交第一测量光束5-2所在直线于点M22，则由△C2B21M21∽△C2B22M22、△C2M21A21∽△C2M22A22可得
式中，B21M21为B21和M21的距离，B22M22为B22和M22的距离，M21A21为M21和A21的距离，M22A22为M22和A22的距离，C2M21为C2和M21的距离，C2M22为C2和M22的距离。
由式(3)可得
因为B21M21＝M21A21，所以B22M22＝M22A22，即M22为A22B22的中点，所以M22为第一引导测量单元的量程中心。
下面证明第一引导测量单元的量程中心与第一激光测头5的量程中心重合：
由图6可得
M11M22＝FM22-FG-GO-OM11 (5)
式中，M11M22为M11和M22的距离；FM22为F和M22的距离；FG为F和G的距离，G为O2在A22和B22连线上的投影，O2为第二测量光束8-1与第二激光测头8下底面的交点；GO为G和O的距离，O为第一测量光束5-2与第一激光测头5下底面的交点。
又因为
OM11＝T1M11-T1O (6)
式中，T1M11为T1和M11的距离，T1为第一接收透镜5-4光心C1在A22和B22连线上的投影；T1O为T1和O的距离。
式(6)代入式(5)得
M11M22＝FM22-FG-GO-T1M11+T1O (7)
在△C2FM22中，C2F＝2d，∠FM22C2＝∠T2M21C2＝α，∠C2FM22＝90°，所以
FM22＝2dcotα (8)
因为第一激光测头5和第二激光测头8型号相同，所以
FG＝T2O2＝T1O (9)
式中，T2O2为T2和O2的距离。
GO为第二激光测头8下底面到第一激光测头5下底面的距离，取值为dcotα，即
GO＝dcotα (10)
在△C1T1M11中，C1T1＝d，∠C1M11T1＝α，∠C1T1M11＝90°，所以
T1M11＝dcotα (11)
式(8)、(9)、(10)和(11)代入式(7)得
M11M22＝2dcotα-T1O-dcotα-dcotα+T1O＝0 (12)
由式(12)得，M22与M11重合，所以M22位于第一激光测头5的量程中心，所以由第一测量光束5-2、第二接收透镜8-3和第二位置敏感元件8-2构成的第一引导测量单元的量程中心与第一激光测头5的量程中心重合。
同理，横向游标4-9与第二横向定标4-8对齐，纵向游标7-7与第二纵向定标7-6对齐时，第一测量光束5-2、第二接收透镜8-3、第二位置敏感元件8-2构成第二引导测量单元，第二引导测量单元的量程为第二激光测头8量程的3倍，且量程中心与第一激光测头5的量程中心重合，其原理可以参考第一引导测量单元的形成原理。
如图6所示，第一引导测量单元的输出值为第二激光测头8输出值的2倍，其原理如下：当被测点处于量程中心的上方且离开激光测头量程中心的距离为h时输出值为-h，当被测点处于量程中心的下方且离开激光测头量程中心的距离为h时输出值为+h。设测点为E22，E22在第二位置敏感元件8-2上的对应位置点为S2E，E22和S2E连线与A21和B21连线交于E21。则第二激光测头8的输出值为-h1，h1＝E21M21，E21M21为E21和M21的距离，输出值为负值是因为E21处于第二激光测头8量程中心的上方。第一引导测量单元的输出值为-h2，h2＝E22M22，E22M22为E22和M22的距离。因为△C2M21E21∽△C2M22E22，所以
由式(13)得E22M22＝2E21M21，即h2＝2h1。所以第一引导测量单元的输出值为-2h1，即第一引导测量单元的输出值为第二激光测头8输出值的2倍。
同理，第二引导测量单元的输出值为第二激光测头8输出值的3倍，其原理可以参考第一引导测量单元的输出值的确定原理。
传感器主板3、第一移动平台4、第二移动平台7和挡光板9的材料均为铝合金。
该双量程复合的激光测头装置进行表面测量的方法，具体步骤如下：
步骤一、使第一连接板3-1与三坐标测量机竖直轴1的测头座2的侧面贴合，第二连接板3-2与测头座的下底面贴合，并通过紧固螺钉将第一连接板3-1和第二连接板3-2固定在测头座2上，使得第一激光测头5的X轴、Y轴、Z轴的方向分别与三坐标测量机机器坐标系OMXMYMZM的XM轴、YM轴和ZM轴的方向一致；开启三坐标测量机。
步骤二、若待测物10表面的最大高度差小于R1，则关闭第二激光测头8，直接用第一激光测头5对待测物10表面进行测量；若待测物10表面的最大高度差在R1～2R1之间，则进入步骤三；若待测物10表面的最大高度差在2R1～3R1之间，则进入步骤四；
步骤三、构建第一引导测量单元，对待测物10表面进行测量，具体步骤为：
3.1松开第一锁紧螺钉4-5；
3.2旋转第一螺母4-4，移动第一滑台4-1，使横向游标4-9的顶角与第一横向定标4-7的顶角对齐；
3.3拧紧第一锁紧螺钉4-5；
3.4松开第二锁紧螺钉7-3；
3.5旋转第二螺母7-2，移动第二滑台7-1，使纵向游标7-7的顶角与第一纵向定标7-5的顶角对齐；
3.6拧紧第二锁紧螺钉7-3；
3.7第一激光测头5和第二激光测头8均为开启状态；
3.8由第一激光测头5对待测物10表面进行测量，若第一激光测头5出现超量程现象，则进入步骤3.9；若完成了待测物10表面的测量，则进入步骤五；
3.9使待测物10表面回到第一激光测头5的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头8的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴1向上运动2h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴1向下运动2h1；完成量程回归操作后返回步骤3.8。
步骤四、构建第二引导测量单元，对待测物10表面进行测量，具体步骤为：
4.1松开第一锁紧螺钉4-5；
4.2旋转第一螺母4-4，移动第一滑台4-1，使横向游标4-9的顶角与第二横向定标4-8的顶角对齐；
4.3拧紧第一锁紧螺钉4-5；
4.4松开第二锁紧螺钉7-3；
4.5旋转第二螺母7-2，移动第二滑台7-1，使纵向游标7-7的顶角与第二纵向定标7-6的顶角对齐；
4.6拧紧第二锁紧螺钉7-3；
4.7第一激光测头5和第二激光测头8均为开启状态；
4.8由第一激光测头5对待测物10表面进行测量，若第一激光测头5出现超量程现象，则进入步骤4.9；若完成了待测物10表面的测量，则进入步骤五；
4.9使待测物10表面回到第一激光测头5的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头8的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴1向上运动3h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴1向下运动3h1；完成量程回归操作后返回步骤4.8。
步骤五、测量结束，保存由第一激光测头5获得的测量数据，以及每个测量数据对应的三坐标测量机上XM、YM、ZM轴的光栅尺读数。
如图6所示，当测点超出了第一激光测头5的上量程极限点时，完成量程回归的原理如下：设测点为E22，第二激光测头8的输出值为-h1。因为E22超出了第一激光测头5的上量程极限点A11，所以E22在第一位置敏感元件5-3上没有像点，从而第一激光测头5没有位移输出信号，即第一激光测头5出现了超量程现象。但E22在第一引导测量单元的量程R2内，且输出为-h2。要使被测点E22返回到第一激光测头5的量程中心M11处，整个激光测头装置需要向上运动h2。又因为第一引导测量单元的输出值为第二激光测头8输出值的2倍，即-h2＝-2h1，所以整个激光测头装置需要向上运动2h1。所以当第二激光测头8的输出值为-h1时，只需驱动三坐标测量机竖直轴1向上运动2h1就能使被测点回到第一激光测头5的量程中心处。
同理，当测点超出了第一激光测头5的下量程极限点B11，第二激光测头8的输出值为+h1时，第一引导测量单元的输出为+h2，要使被测点返回到第一激光测头5的量程中心M11处，整个激光测头装置需要向下运动h2。又因为第一引导测量单元的输出值为第二激光测头8输出值的2倍，即+h2＝+2h1，所以整个激光测头装置需要向下运动2h1。所以当第二激光测头8的输出值为+h1时，只需驱动三坐标测量机竖直轴1向下运动2h1就能使被测点回到第一激光测头5的量程中心处。
同理，第一激光测头5出现超量程现象，且激光测头装置使用的是第二引导测量单元，量程返回原理可以参考激光测头装置使用第一引导测量单元时的量程返回原理。
Claims (4)
1.双量程复合的激光测头装置，包括传感器主板、第一移动平台、第一激光测头、第二移动平台、第二激光测头和挡光板，其特征在于：所述第一激光测头的两个安装孔与第一移动平台的第一滑台台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定；第二激光测头的两个安装孔与第二移动平台的第二滑台台面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定；挡光板的两个安装孔与第二滑台的下底面上的两个螺纹孔分别通过紧固螺钉固定；所述挡光板的上表面设置黑色的植绒布，植绒布正对第二激光测头的第二测量光束；以第一激光测头下底面激光出射点为原点的右手直角坐标系OXYZ中，YOZ面垂直于第一激光测头的安装孔轴线，Z轴正方向与第一激光测头中第一激光器发出的第一测量光束出射方向相反；所述的第一滑台沿Y轴方向滑动，第二滑台沿Z轴方向滑动；所述的传感器主板由一体成型的第一连接板、第二连接板和传感器安装板组成；第一连接板和第二连接板相互垂直，第一连接板的安装面平行于XOZ面，第二连接板的安装面平行于XOY面；传感器安装板的安装面平行于YOZ面；第一连接板和第二连接板的安装面上各开设了与双圆头平键形状相同的四个调节孔；所述的第一移动平台的第一底座和第二移动平台的第二底座均固定在传感器安装板上；
所述的第一激光测头和第二激光测头型号相同；所述的第一激光测头包括第一激光器、第一位置敏感元件和第一接收透镜；所述的第二激光测头包括第二激光器、第二接收透镜和第二位置敏感元件；第一接收透镜光心到第一激光器发出的第一测量光束之间的距离、第二接收透镜光心到第二激光器发出的第二测量光束之间的距离均为d；第二激光器发出的第二测量光束所在直线与第二接收透镜光心确定的平面与YOZ平面重合，第一激光器发出的第一测量光束所在直线与第一接收透镜光心确定的平面也与YOZ平面重合；
所述的第一移动平台包括第一丝杆、第一滑台和第一底座；第一螺母固定在第一丝杆上；第一滑台与第一丝杆构成螺旋副，第一丝杆与第一底座的挡板构成转动副；挡板上设置第一锁紧螺钉，第一锁紧螺钉的中心轴线与第一丝杠的中心轴线垂直并相交；第一底座上外法向与Z轴正向平行的侧面上固定设有第一横向定标和第二横向定标；第一滑台的外法向与Z轴正向平行的侧面上设有横向游标；第一横向定标、第二横向定标和横向游标都呈片状，且为等腰三角形；第一横向定标和第二横向定标的顶角均指向X轴正向，横向游标的顶角指向X轴负向；
所述的第二移动平台包括第二滑台、第二丝杆和第二底座；第二螺母固定在第二丝杆上；第二滑台与第二丝杆构成螺旋副，第二丝杆与第二底座的挡板构成转动副，该挡板上设置了第二锁紧螺钉，第二锁紧螺钉的中心轴线与第二丝杠的中心轴线垂直并相交；第二移动平台的第二底座上外法向与Y轴负向平行的侧面上设有第一纵向定标和第二纵向定标；第二滑台的外法向与Y轴负向平行的侧面上设有纵向游标；第一纵向定标、第二纵向定标和纵向游标都呈片状，且为等腰三角形；第一纵向定标和第二纵向定标的顶角均指向X轴正向，纵向游标的顶角指向X轴负向；
第一移动平台、第二移动平台、第一横向定标、第二横向定标、横向游标、第一纵向定标、第二纵向定标和纵向游标之间的相互位置关系如下：
1)当横向游标与第一横向定标对齐，纵向游标与第一纵向定标对齐时，第一激光测头和第二激光测头有如下定位关系：第二激光测头的第二测量光束所在直线与第一激光测头的第一测量光束所在直线的距离为d；第二激光测头下底面到第一激光测头下底面的距离为dcotα，α为第一激光测头的第一测量光束与第一接收透镜主光轴之间的夹角；
2)当横向游标与第二横向定标对齐，纵向游标与第二纵向定标对齐时，第一激光测头和第二激光测头有如下定位关系：第二激光测头的第二测量光束所在直线与第一激光测头的第一测量光束所在直线的距离为2d；第二激光测头下底面到第一激光测头下底面的距离为2dcotα；
横向游标与第一横向定标对齐，纵向游标与第一纵向定标对齐时，第一测量光束、第二接收透镜和第二位置敏感元件构成第一引导测量单元；第一引导测量单元的量程为第二激光测头量程的2倍，且量程中心与第一激光测头的量程中心重合；横向游标与第二横向定标对齐，纵向游标与第二纵向定标对齐时，第一测量光束、第二接收透镜、第二位置敏感元件构成第二引导测量单元，第二引导测量单元的量程为第二激光测头量程的3倍，且量程中心与第一激光测头的量程中心重合。
2.根据权利要求1所述的双量程复合的激光测头装置，其特征在于：所述的第一激光测头和第二激光测头均为基于点式三角测量法的激光位移传感器。
3.根据权利要求1所述的双量程复合的激光测头装置，其特征在于：所述传感器主板、第一移动平台、第二移动平台和挡光板的材料均为铝合金。
4.根据权利要求1、2或3所述双量程复合的激光测头装置进行表面测量的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、使第一连接板与三坐标测量机竖直轴的测头座的侧面贴合，第二连接板与测头座的下底面贴合，并通过紧固螺钉将第一连接板和第二连接板固定在测头座上，使得第一激光测头的X轴、Y轴、Z轴的方向分别与三坐标测量机机器坐标系OMXMYMZM的XM轴、YM轴和ZM轴的方向一致；开启三坐标测量机；
步骤二、若待测物表面的最大高度差小于R1，则关闭第二激光测头，直接用第一激光测头对待测物表面进行测量，其中，第一激光测头及第二激光测头的量程均为R1；若待测物表面的最大高度差在R1～2R1之间，则进入步骤三；若待测物表面的最大高度差在2R1～3R1之间，则进入步骤四；
步骤三、构建第一引导测量单元，对待测物表面进行测量，具体步骤为：
3.1松开第一锁紧螺钉；
3.2旋转第一螺母，移动第一滑台，使横向游标的顶角与第一横向定标的顶角对齐；
3.3拧紧第一锁紧螺钉；
3.4松开第二锁紧螺钉；
3.5旋转第二螺母，移动第二滑台，使纵向游标的顶角与第一纵向定标的顶角对齐；
3.6拧紧第二锁紧螺钉；
3.7第一激光测头和第二激光测头均为开启状态；
3.8由第一激光测头对待测物表面进行测量，若第一激光测头出现超量程现象，则进入步骤3.9；若完成了待测物表面的测量，则进入步骤五；
3.9使待测物表面回到第一激光测头的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向上运动2h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向下运动2h1；完成量程回归操作后返回步骤3.8；
步骤四、构建第二引导测量单元，对待测物表面进行测量，具体步骤为：
4.1松开第一锁紧螺钉；
4.2旋转第一螺母，移动第一滑台，使横向游标的顶角与第二横向定标的顶角对齐；
4.3拧紧第一锁紧螺钉；
4.4松开第二锁紧螺钉；
4.5旋转第二螺母，移动第二滑台，使纵向游标的顶角与第二纵向定标的顶角对齐；
4.6拧紧第二锁紧螺钉；
4.7第一激光测头和第二激光测头均为开启状态；
4.8由第一激光测头对待测物表面进行测量，若第一激光测头出现超量程现象，则进入步骤4.9；若完成了待测物表面的测量，则进入步骤五；
4.9使待测物表面回到第一激光测头的量程中心处，具体如下：读取第二激光测头的输出值，当输出值为-h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向上运动3h1；当输出值为+h1时，驱动三坐标测量机竖直轴向下运动3h1；完成量程回归操作后返回步骤4.8；
步骤五、测量结束，保存由第一激光测头获得的测量数据，以及每个测量数据对应的三坐标测量机上XM、YM、ZM轴的光栅尺读数。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20191213 |