CN110220483A - 一种三轴平面度检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴平面度检测系统及其检测方法，包括基础组件、三轴滑动机构、工件定位平台、以及激光测量组件四部分。三轴滑动机构包括十字滑台和竖直滑台，由十字滑台带动被测工件在水平范围内移动，并与激光测量仪配合工作，采用工件移动而激光测量仪静止的测量方式，提高了测量结果的准确度，解决了当激光测量仪移动时，微小的振动都会对测量结果造成很大偏差，使得测量结果不够准确的问题。激光测量组件包括三组激光发射延长线互呈90°夹角的激光测量仪，通过三轴滑动机构与激光测量仪协调配合，使得该系统能够在一次工序内完成被测工件侧面与上表面平面度的测量，提高测量效率。

Description

一种三轴平面度检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种平面度检测系统，具体涉及一种三轴平面度检测系统及其检测方法。

背景技术

平面度误差是将被测实际表面与理想平面进行比较，两者之间的线值距离即为平面度误差值；或通过测量实际表面上若干点的相对高度差，再换算以线值表示的平面度误差值。较为常见的平面度测量方法通常有打表法和激光法两种，打表测量法是将被测零件和测微计放在标准平板上，以标准平板作为测量基准面，用测微计沿实际表面逐点或沿几条直线方向进行测量。而激光法是利用激光测距从而感知各点的距离，进而判断出其平面度。

激光法由于其快速、自动化的特性，适用于大规模生产的环境。

现有技术中激光法只存在一个轴，以这个轴为基准、一次只能测量一个表面，当工件为立方形、需要各个边都满足预定的平面度的时候，这种检测系统的弊端便显现出来，当测完一个表面后还需要人为将工件取出、随后换一个面重新定位、继续测量，这无疑降低了整体测量效率；同时，现有技术采用激光测量仪移动、而工件固定不动的方式，依靠激光测量仪不断移动测出工件表面的高度差，而当激光测量仪移动时，由于激光是从激光源头射向工件的，因此微小的振动都会被放大，从而对测量结果造成很大偏差。

发明内容

发明目的：提供一种三轴平面度检测系统及其检测方法，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种三轴平面度检测系统，包括基础组件、三轴滑动机构、工件定位平台、以及激光测量组件四部分。

其中，基础组件，包括大理石基座，以及安装在所述大理石基座上的防尘罩；

三轴滑动机构，包括固定安装在所述大理石基座上的十字滑台，以及固定安装在所述大理石基座上、且位于所述十字滑台一侧的竖直滑台；

工件定位平台，滑动设置在所述十字滑台上，包括表面粗糙度为Ra0.05的平面基板，以及固定在所述平面基板上表面边缘处的L形定位块；

激光测量组件，包括分别固定安装在所述工件定位平台相邻边的两侧、以及滑动设置在所述竖直滑台上的激光测量仪；三个激光测量仪的激光发射延长线互呈90°夹角。

在进一步的实施例中，所述大理石基座的下底面四角安装有橡胶脚垫。橡胶脚垫用于减震，防止设备工作时产生振动，导致被测工件在工件定位平台上产生偏移。

在进一步的实施例中，所述L形定位块与所述平面基板之间设有30°的过渡倒角，过渡倒角的设置一方面对于被测工件放置在工件定位平台上起到定位导向作用，另一方面能够由该过渡倒角去除边缘毛刺，防止尖锐的角落由毛刺划伤工件表面，影响其表面粗糙度。

在进一步的实施例中，所述激光测量仪包括激光位移传感器，所述激光位移传感器包括激光发射头，设置在所述激光发射头一侧的滤光镜，设置在所述滤光镜一侧的镜片组，以及设置在所述镜片组一侧的感光片。激光位移传感器用于感测物体表面距激光发射源的高度，通过固定激光发射源、而水平移动被测工件，使得激光位移传感器感知到物体表面各处的高度差，从而判定被测工件的平面度是否在预定范围内。

在进一步的实施例中，所述十字滑台包括一组相互垂直设置的直线滑组，分别包括固定在所述大理石基座上的X轴滑组，以及水平滑动设置在所述X轴滑组上的Y轴滑组。十字滑台用于驱动被测工件在驱动范围内的水平面内移动，从而配合固定不动的激光位移传感器，感测被测工件预定各点的平面度。

在进一步的实施例中，所述X轴滑组和Y轴滑组为行星伺服电动缸，所述Y轴滑组固定在所述X轴滑组的滑动块上。行星伺服电动缸由伺服电机驱动控制，相较于气缸，行星伺服电动缸采用蜗杆、滑块、滚珠、推杆配合的方式，将蜗杆的转动转变为推杆的直线运动，从而能够更精确的控制推杆的移动距离。

在进一步的实施例中，位于工件定位平台相邻边两侧的激光测量仪分别定义为X激光测量仪和Y激光测量仪；位于工件定位平台上部的激光测量仪定义为Z激光测量仪；所述X激光测量仪、Y激光测量仪、Z激光测量仪的激光路径为笛卡尔正交坐标系分布。X激光测量仪和Y激光测量仪用于测量被测工件的侧表面，Z激光测量仪用于测量被测工件的上表面，三个激光测量仪同时工作，从而可以在不改变工位的情况下直接做到物体的侧表面和上表面的测量，提高工作效率，避免多次上下料。

一种三轴平面度检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、操作人员将被检测工件放置在平面基板上，并将被检测工件的直角边紧贴L形定位块；

S2、操作人员双手同时按下中控台上的两个启动按钮，启动设备；

S3、Z激光测量仪首先启动，激光发射头发射出可见激光射向被测工件表面，经物体反射的激光通过滤光镜进入镜片组，被内部的感光片接收，数字信号处理器根据感光片受光的位置计算出传感器和被测工件之间的距离；

S4、十字滑台启动，带动被测工件定位平台在水平面内以S形方式移动，在被测工件移动的同时Z激光测量仪全程工作；

S5、感光片受光的位置随着被测工件的平面度变化发生变化，若全程感光片受光的位置最大值与最小值之差在阈值以内，则判定为平面度合格；反之则不合格；

S6、X激光测量仪和Y激光测量仪用于感知被测工件的侧表面，方法同上述S3至S5。

在进一步的实施例中，所述激光测量仪的计算过程包括以下步骤：

A1、测得激光光束的发射源与滤光镜之间的夹角记为；

A2、测得激光经过工件表面反射后摄入镜片组的光线与其法向夹角记为；

A3、测得感光片与镜片组之间形成的夹角记为；

A4、测得感光片上接收到的聚焦激光的偏移距离记为；

A5、镜片组与工件表面的激光路径长度记为a，感光片与镜片组之间的激光路径长度记为b；

A6、根据公式计算出工件表面沿其法向的移动距离，即平面度公差。

有益效果：本发明涉及一种三轴平面度检测系统及其检测方法，通过设置三轴滑动机构、工件定位平台、激光测量组件，具体的，三轴滑动机构包括十字滑台和竖直滑台，由十字滑台带动被测工件在水平范围内移动，并与激光测量仪配合工作，采用工件移动而激光测量仪静止的测量方式，提高了测量结果的准确度，解决了当激光测量仪移动时，微小的振动都会对测量结果造成很大偏差，使得测量结果不够准确的问题。激光测量组件包括三组激光发射延长线互呈90°夹角的激光测量仪，通过三轴滑动机构与激光测量仪协调配合，使得该系统能够在一次工序内完成被测工件侧面与上表面平面度的测量，提高测量效率，通过在平面基板上表面边缘处设置L形定位块，便于操作人员轻松将被测工件定位在平面基板上，在进一步的实施例中，L形定位块与平面基板之间设有30°的过渡倒角，过渡倒角的设置一方面对于被测工件放置在工件定位平台上起到定位导向作用，另一方面能够由该过渡倒角去除边缘毛刺，防止尖锐的角落由毛刺划伤工件表面，影响其表面粗糙度。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明中工件定位平台的立体图。

图4为本发明中三轴滑动机构的立体图。

图5为本发明中激光测量组件的内部结构示意图。

图6为本发明中激光测量组件的测量与计算原理图。

图中各附图标记为：大理石基座1、防尘罩2、X激光测量仪3、平面基板4、Z激光测量仪5、竖直滑台6、工件7、十字滑台8、X轴滑组801、Y轴滑组802、滑动块803、L形定位块9、过渡倒角901、Y激光测量仪10、伺服电机11、中控台12、激光发射头13、滤光镜14、镜片组15、感光片16。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图6所示，本发明公开了一种三轴平面度检测系统及其检测方法。一种三轴平面度检测系统，包括大理石基座1、防尘罩2、十字滑台8、竖直滑台6、平面基板4、L形定位块9、激光测量仪。所述大理石基座1为三轴滑动机构、工件7定位平台、激光测量组件起支撑稳固作用，大理石的密度高、且实心，能够稳固的作为基座，防止装置出现抖动。所述大理石基座1上安装有防尘罩2，所述十字滑台8固定在所述大理石基座1上，所述大理石基座1的下底面四角安装有橡胶脚垫。橡胶脚垫用于减震，防止设备工作时产生振动，导致被测工件7在工件7定位平台上产生偏移，所述竖直滑台6固定安装在所述大理石基座1上、且位于所述十字滑台8的一侧，所述平面基板4的表面粗糙度为Ra0.05，所述L形定位块9固定在所述平面基板4的上表面的边缘处，所述L形定位块9与所述平面基板4之间设有30°的过渡倒角901，过渡倒角901的设置一方面对于被测工件7放置在工件7定位平台上起到定位导向作用，另一方面能够由该过渡倒角901去除边缘毛刺，防止尖锐的角落由毛刺划伤工件7表面，影响其表面粗糙度。所述激光测量仪为三个，分别固定安装在所述工件7定位平台相邻边的两侧、以及滑动设置在竖直滑台6上，三个激光测量仪的激光发射延长线互呈90°夹角。所述激光测量仪包括激光位移传感器，所述激光位移传感器包括激光发射头13、滤光镜14、镜片组15、感光片16，所述激光发射头13用于发出激光，所述滤光镜14设置在所述激光发射头13的一侧，所述镜片组15设置在所述滤光镜14的一侧，所述感光片16设置在所述镜片组15的一侧。激光位移传感器用于感测物体表面距激光发射源的高度，通过固定激光发射源、而水平移动被测工件7，使得激光位移传感器感知到物体表面各处的高度差，从而判定被测工件7的平面度是否在预定范围内。所述十字滑台8包括一组相互垂直设置的直线滑组，分别包括固定在所述大理石基座1上的X轴滑组801，以及水平滑动设置在所述X轴滑组801上的Y轴滑组802。十字滑台8用于驱动被测工件7在驱动范围内的水平面内移动，从而配合固定不动的激光位移传感器，感测被测工件7预定各点的平面度。更为具体的，所述X轴滑组801和Y轴滑组802同为行星伺服电动缸，所述Y轴滑组802固定在所述X轴滑组801的滑动块803上。行星伺服电动缸由伺服电机11驱动控制，相较于气缸，行星伺服电动缸采用蜗杆、滚珠、推杆配合的方式，将蜗杆的转动转变为推杆的直线运动，从而能够更精确的控制推杆的移动距离。位于工件7定位平台相邻边两侧的激光测量仪分别定义为X激光测量仪3和Y激光测量仪10；位于工件7定位平台上部的激光测量仪定义为Z激光测量仪5；所述X激光测量仪3、Y激光测量仪10、Z激光测量仪5的激光路径为笛卡尔正交坐标系分布。X激光测量仪3和Y激光测量仪10用于测量被测工件7的侧表面，Z激光测量仪5用于测量被测工件7的上表面，三个激光测量仪同时工作，从而可以在不改变工位的情况下直接做到物体的侧表面和上表面的测量，提高工作效率，避免多次上下料。

根据上述技术方案，本发明对于被测工件7的平面度具体的检测方法如下：首先，操作人员将被检测工件7放置在平面基板4上，并将被检测工件7的直角边紧贴L形定位块9，L形定位块9为基准面，被测工件7紧贴L形定位块9的目的是使其正确定位，激光测量仪以紧靠L形定位块9的面作为基准面测量其他面的平面度。其中，平面基板4的表面粗糙度为Ra0.05，平面基板4与被测工件7的底面直接接触，故首先需要保证其表面粗糙度在期望范围内，确保平面基板4不会对被测工件7的上表面的平面度造成累计误差。值得一提的是，我们在L形定位块9与平面基板4之间设置30°的过渡倒角901，一方面对于被测工件7放置在工件7定位平台上起到定位导向作用，另一方面能够由该过渡倒角901去除边缘毛刺，防止尖锐的角落由毛刺划伤工件7表面，影响其表面粗糙度。当被测工件7正确放置在平面基板4上、并与L形定位块9的两个基准面紧贴完毕后，操作人员双手同时按下中控台12上的两个启动按钮，启动设备。“同时按下中控台12上的两个启动按钮”这一步起到防误触的作用，操作人员必须双手同时按下两侧的启动按钮后设备才启动，有效避免了误触。设备启动后，Z激光测量仪5首先启动，激光发射头13发射出可见激光射向被测工件7上表面，经物体反射的激光通过滤光镜14进入镜片组15，被内部的感光片16接收，数字信号处理器根据感光片16受光的位置计算出传感器和被测工件7之间的距离；接着，十字滑台8启动，带动被测工件7定位平台在水平面内以S形方式移动，在被测工件7移动的同时Z激光测量仪5全程工作；感光片16受光的位置随着被测工件7的平面度变化发生变化，若全程感光片16受光的位置最大值与最小值之差在阈值以内，则系统判定被测工件7的平面上的最低点与最高点之差在预设范围内，则判定为平面度合格；反之则不合格；在Z激光测量仪5工作完成后，得出被测工件7的上表面平面度值。接着Z激光测量仪5停止工作，改由X激光测量仪3工作。X激光测量仪3启动后，激光发射头13发射出可见激光射向被测工件7上表面，经物体反射的激光通过滤光镜14进入镜片组15，被内部的感光片16接收，数字信号处理器根据感光片16受光的位置计算出传感器和被测工件7之间的距离；接着X轴滑组801滑动，利用伺服电机11驱动蜗杆转动，从而带动转动套设在蜗杆上的滑块沿蜗杆的轴向滑动，进而带动与滑块连接的推杆做出直线运动。在X轴滑组801带动被测工件7沿X轴方向移动的同时X激光测量仪3全程工作，感光片16受光的位置随着被测工件7的平面度变化发生变化，若全程感光片16受光的位置最大值与最小值之差在阈值以内，则系统判定被测工件7的平面上的最低点与最高点之差在预设范围内，则判定为平面度合格。在X激光测量仪3工作完成后，得出被测工件7的侧表面平面度值。接着X激光测量仪3停止工作，改由Y激光测量仪10工作。Y激光测量仪10启动后，激光发射头13发射出可见激光射向被测工件7上表面，经物体反射的激光通过滤光镜14进入镜片组15，被内部的感光片16接收，数字信号处理器根据感光片16受光的位置计算出传感器和被测工件7之间的距离；接着Y轴滑组802滑动，利用伺服电机11驱动蜗杆转动，从而带动转动套设在蜗杆上的滑块沿蜗杆的轴向滑动，进而带动与滑块连接的推杆做出直线运动。在Y轴滑组802带动被测工件7沿Y轴方向移动的同时Y激光测量仪10全程工作，感光片16受光的位置随着被测工件7的平面度变化发生变化，若全程感光片16受光的位置最大值与最小值之差在阈值以内，则系统判定被测工件7的平面上的最低点与最高点之差在预设范围内，则判定为平面度合格。在Y激光测量仪10工作完成后，得出被测工件7的另一个侧表面平面度值。

对于激光测量仪，具体的工作过程如下：本发明涉及到的激光位移传感器采用三角测量法计算测量。由激光发射头13发出可见激光，该激光射向被测工件7的表面，由于工件7的表面具有平面度差异，即放大来看就是带有凹凸不平的“沟壑”。激光射向工件7表面后被这些“沟壑”反射回镜片组15，最终由镜片组15聚焦至感光片16，根据工件7表面的不同深度，感光片16接收到的激光位置也存在差异，由于激光位移传感器的激光发射角度与被测工件7的基准面保持垂直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置在感光片16上的成像都会不同程度得出现偏焦现象，根据感光片16接收到的激光位置即可推算出反射激光与物体之间的夹角。而激光发射源与感光片16之间的位置为已知量，由此根据相似三角形定理即可计算出激光位移传感器与被测工件7表面的距离，根据距离差即可计算出工件7表面的凹凸程度，即平面度。根据相似三角形原理，工件7表面沿其法向的移动距离、即“沟壑”的深度x则通过以下公式计算得出：

其中，激光光束的发射源与滤光镜14之间的夹角记为，激光经过工件表面反射后摄入镜片组15的光线与其法向夹角记为，感光片16与镜片组15之间形成的夹角记为，感光片16上接收到的聚焦激光的偏移距离记为，镜片组15与工件7表面的激光路径长度记为a，感光片16与镜片组15之间的激光路径长度记为b。

同时，激光光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种三轴平面度检测系统，其特征是包括：

基础组件，包括大理石基座，以及安装在所述大理石基座上的防尘罩；

三轴滑动机构，包括固定安装在所述大理石基座上的十字滑台，以及固定安装在所述大理石基座上、且位于所述十字滑台一侧的竖直滑台；

工件定位平台，滑动设置在所述十字滑台上，包括表面粗糙度为Ra0.05的平面基板，以及固定在所述平面基板上表面边缘处的L形定位块；

激光测量组件，包括分别固定安装在所述工件定位平台相邻边的两侧、以及滑动设置在所述竖直滑台上的激光测量仪；三个激光测量仪的激光发射延长线互呈90°夹角。

2.根据权利要求1所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：所述大理石基座的下底面四角安装有橡胶脚垫。

3.根据权利要求1所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：所述L形定位块与所述平面基板之间设有30°的过渡倒角。

4.根据权利要求1所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：所述激光测量仪包括激光位移传感器，所述激光位移传感器包括激光发射头，设置在所述激光发射头一侧的滤光镜，设置在所述滤光镜一侧的镜片组，以及设置在所述镜片组一侧的感光片。

5.根据权利要求1所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：所述十字滑台包括一组相互垂直设置的直线滑组，分别包括固定在所述大理石基座上的X轴滑组，以及水平滑动设置在所述X轴滑组上的Y轴滑组。

6.根据权利要求5所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：所述X轴滑组和Y轴滑组为行星伺服电动缸，所述Y轴滑组固定在所述X轴滑组的滑动块上。

7.根据权利要求6所述的一种三轴平面度检测系统，其特征在于：位于工件定位平台相邻边两侧的激光测量仪分别定义为X激光测量仪和Y激光测量仪；位于工件定位平台上部的激光测量仪定义为Z激光测量仪；所述X激光测量仪、Y激光测量仪、Z激光测量仪的激光路径为笛卡尔正交坐标系分布。

8.一种三轴平面度检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、操作人员将被检测工件放置在平面基板上，并将被检测工件的直角边紧贴L形定位块；

S2、操作人员双手同时按下中控台上的两个启动按钮，启动设备；

S3、Z激光测量仪首先启动，激光发射头发射出可见激光射向被测工件表面，经物体反射的激光通过滤光镜进入镜片组，被内部的感光片接收，数字信号处理器根据感光片受光的位置计算出传感器和被测工件之间的距离；

S4、十字滑台启动，带动被测工件定位平台在水平面内以S形方式移动，在被测工件移动的同时Z激光测量仪全程工作；

S5、感光片受光的位置随着被测工件的平面度变化发生变化，若全程感光片受光的位置最大值与最小值之差在阈值以内，则判定为平面度合格；反之则不合格；

S6、X激光测量仪和Y激光测量仪用于感知被测工件的侧表面，方法同上述S3至S5。

9.根据权利要求8所述的一种三轴平面度检测系统的检测方法，其特征在于，所述激光测量仪的计算过程包括以下步骤：

A1、测得激光光束的发射源与滤光镜之间的夹角记为；

A2、测得激光经过工件表面反射后摄入镜片组的光线与其法向夹角记为；

A3、测得感光片与镜片组之间形成的夹角记为；

A4、测得感光片上接收到的聚焦激光的偏移距离记为；

A5、镜片组与工件表面的激光路径长度记为a，感光片与镜片组之间的激光路径长度记为b；

A6、根据公式计算出工件表面沿其法向的移动距离，即平面度公差。