CN110398203A - 长距离激光测长方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光测距技术领域，公开了一种长距离激光测长方法及装置，包括测架以及固定在测架上的定位块、大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器；大量程激光位移传感器的量程大于最长工件与最短工件之差，大量程激光位移传感器与定位块之间在测量轴线上的距离大于最长工件的长度；小量程激光位移传感器位于大量程激光位移传感器与定位块之间且与定位块之间的距离不大于最短工件的长度；测架上安装有可沿测量轴线运送被测工件的伺服送料机构。本发明的长距离激光测长方法及装置中，被测工件被两次定位并伺服精确输送，从而将一个长距离分解为一个精度保证、长度确定的长距离和一个待测的短距离，最终测量精度由小量程传感器精度确定。

Description

长距离激光测长方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，具体地指一种长距离激光测长方法及装置。

背景技术

随着工业4.0的推广，数字制造、数字控制对被控制对象的数据要求越来越高，在长度测量方面，激光位移传感器因其测量精度稳定性好、精度高、非接触式安装使用方便、价格低廉等优点在自动化方面得到广泛应用。

以基恩士CMOS激光位移传感器为例：量程为55-75毫米的型号IL-065：F.S±10mm，测量长度线性度在量程的千分之一，测量长度误差在±10x0.001＝±0.01毫米以内；量程为1000-3500毫米的型号IL-2000：F.S±1250mm，测量长度线性度在量程的千分之1.6，测量长度误差在±1250x0.0016＝±2毫米以内(标准测试条件数值)。±2毫米的误差相对于有些应用无法接受，比如4000-6000mm长短不一的原材料分段下料时机械结构限制总长测长精度控制在±0.3毫米以内，现有价格适中又适合生产现场使用的激光位移传感器没有能满足这个要求的，并且实际工业现场误差大得更多。

尽管激光位移传感器有将近千分之一的相对测量精度，在长距离测量时千分之一的绝对误差远远超出了实际的长度精度要求，需要绝对精度(mm值)更高的测量方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种适用于提高长距离激光测长精度的长距离激光测长方法。

为实现上述目的，本发明所设计的长距离激光测长方法包括以下步骤：

步骤a，按照测量要求选择大量程激光位移传感器、小量程激光位移传感器及伺服送料机构，确定大量程激光位移传感器、小量程激光位移传感器相对定位块的安装位置；

在所述步骤a中，大量程激光位移传感器的量程大于一批待测工件中最长工件与最短工件之差，大量程激光位移传感器置于测架上且与定位块之间在测量轴线上的距离大于最长工件的长度；小量程激光位移传感器置于沿测量轴线方向固定的测架上且位于大量程激光位移传感器与定位块之间，与定位块之间在测量轴线上的距离不大于最短工件的长度；

步骤b，获得大量程激光位移传感器相对定位块在测量轴线上的距离记为大量程激光位移传感器位置值Z_初，获得小量程激光位移传感器相对定位块在测量轴线上的距离记为小量程激光位移传感器位置值Z_精；

步骤c，在测架上沿测量轴线用定位块定位被测工件的定位端面，用大量程激光位移传感器对测量端面进行测量，得到测量端面到大量程激光位移传感器沿测量轴线的距离，记为初测距离D_初；

步骤d，按照公式L_移＝Z_初-Z_精-D_初来计算服移动量L_移；

步骤e，移开定位块后伺服送料机构按照伺服移动量L_移沿着测量轴线移动被测工件；

步骤f，小量程激光位移传感器对被测工件的测量端面进行测量，得到测量端面到小量程激光位移传感器沿测量轴线的距离，记为终测距离D_终；

步骤g，按照公式l_精＝Z_精+L_移-D_终计算得到被测工件的精测长度l_精。

作为优选方案，在所述步骤b中，在测架上放置长度L₀的标准样件，标准样件的定位端面抵住定位块，大量程激光位移传感器测量标准样件的测量端面以获得标准样件的测量端面到大量程激光位移传感器的校准初测距离D_初0，大量程激光位移传感器位置值Z_初按照Z_初＝L₀+D_初0计算得到；移开定位块后由伺服送料机构沿测量轴线移动标准样件A₀，使得精测传感器测量标准样件的测量端面的读数为0，此时伺服送料机构沿测量轴线移动的位移记为校准伺服移动量L_移0，小量程激光位移传感器位置值Z_精按照Z_精＝L₀-L_移0计算得到。

作为优选方案，在所述步骤b中，精测传感器测量标准样件A₀的测量端面的读数达到要求长度测量误差的1/10以内时，视为精测传感器的读数为0。

作为优选方案，在所述步骤a中，伺服送料机构根据伺服位移控制误差小于要求长度测量误差来选取。

作为优选方案，在所述步骤a中，伺服送料机构的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差的1/4。

作为优选方案，在所述步骤a中，小量程激光位移传感器的量程小于要求长度测量误差与小量程激光位移传感器的线性度的比值，大于大量程激光位移传感器工件长度测量误差范围的两倍。

本发明的目的在于，提供一种适用于提高长距离激光测长精度的长距离激光测长装置。

为实现上述目的，本发明所设计的长距离激光测长装置包括测架以及沿测量轴线方向固定在所述测架上的定位块、大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器，所述定位块位于所述沿测量轴线上的一端；所述大量程激光位移传感器的量程大于一批待测工件中最长工件与最短工件之差，所述大量程激光位移传感器与所述定位块之间在测量轴线上的距离大于一批待测工件中最长的工件长度；所述小量程激光位移传感器位于所述大量程激光位移传感器与所述定位块之间且与所述定位块之间在测量轴线上的距离小于一批待测工件中最短的工件长度；所述测架上进一步安装有可沿所述沿测量轴线运送被测工件的伺服送料机构。

作为优选方案，所述伺服送料机构的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差。

作为优选方案，所述伺服送料机构的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差的1/4。

作为优选方案，所述小量程激光位移传感器的量程小于要求长度测量误差与小量程激光位移传感器的线性度的比值，大于大量程激光位移传感器工件长度测量误差范围的两倍。

本发明的有益效果是：本发明的长距离激光测长方法及装置中，被测工件被两次定位，二次定位伺服精确输送，从而将一个长距离分解为一个精度保证、长度确定的长距离和一个待测的短距离，采用一个大量程激光位移传感器初测和一个小量程激光位移传感器精测，在伺服精度更高的情况下最终测量精度由小量程传感器精度确定，最终绝对精度(mm值)提高倍数大致为大量程/小量程。

附图说明

图1为本发明优选实施例的长距离激光测长装置的结构示意图。

图2为图1中的长距离激光测长装置的大量程激光位移传感器的校准示意图。

图3为图1中的长距离激光测长装置的小量程激光位移传感器的校准示意图。

图4为本发明优选实施例的长距离激光测长方法的初测示意图。

图5为本发明优选实施例的长距离激光测长方法的精测示意图。

图中各部件标号如下：被测工件A(其中，定位端面A1、测量端面A2)、测架10、定位块20、大量程激光位移传感器30、小量程激光位移传感器40、伺服送料机构50。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，其为本发明优选实施例的长距离激光测长装置的结构示意图，其包括测架10、固定在测架10上预设位置的上的定位块20、大量程激光位移传感器30及小量程激光位移传感器40。请结合参阅图2和图3，被测工件A以长度方向水平的方式放置在测架10上。长距离激光测长装置中还在测架10上设置有伺服送料机构50，用以将被测工件A沿着测量轴线(水平方向)移动，进行二次测量。

本发明的长距离激光测长装置中设有三个水平方向位置固定点——可升降的定位块20、大量程激光位移传感器30、小量程激光位移传感器40。测长方向一端位置由定位块20固定，另一端大量程激光位移传感器30和小量程激光位移传感器40位置固定。本发明的长距离激光测长装置中设有一套测长方向、长度范围内直线移动的伺服送料机构50，其定位精度要求高于精测传感器40测量精度。如图2和图3中所示，测量前参照传感器说明书分别校准大量程激光位移传感器30、小量程激光位移传感器40读数：小量程激光位移传感器40退出测量区域，先在测架10上放置长度为L₀的高精度标准样件A₀，定位块20升起，标准样件A₀的一端抵住定位块20的定位端面，此时，大量程激光位移传感器30测量标准样件A₀测量端面获得标准样件A₀测量端面到大量程激光位移传感器30的距离，标准样件A₀测量端面到大量程激光位移传感器30的距离加上长度L₀为大量程激光位移传感器相对定位块20定位端面位置值，记为大量程激光位移传感器位置值Z_初；定位块20落下，由伺服送料机构50沿测量轴线移动标准样件A₀的测量端面(小量程激光位移传感器40适当时进入)，使得小量程激光位移传感器40读数为0(读数数值达到要求长度测量误差的1/10以内即视为读数为0，为量程中心点处)，此时标准样件A₀的长度L₀减去伺服机构50的校准伺服移动量L_移0为小量程激光位移传感器相对定位块20定位端面位置值，记为小量程激光位移传感器位置值Z_精。

如图4中所示，第一次测量(初测)时：小量程激光位移传感器40退出测量区域，被测工件A置于提供水平放置面的测架10上，被测工件A的长度方向上的定位端面A1(一端)被固定在测架10上的定位块20止挡，被测工件A的长度方向上的测量端面A2(另一端)由固定在测架10上的大量程激光位移传感器30测量，定位端面A1与大量程激光位移传感器30之间在测量轴线上的距离，记为初测距离D_初。

由大量程激光位移传感器位置值Z_初、小量程激光位移传感器位置值Z_精、初测距离D_初计算伺服移动量L_移，L_移＝Z_初-Z_精-D_初。

如图5中所示，第二次测量(精测)时：移开定位块20，安装在测架10上的伺服送料机构50沿着水平方向将被测工件A向着远离大量程激光位移传感器30的方向移动伺服移动量L_移，此时被测工件A的测量端面A2逐渐靠近并经过小量程激光位移传感器40(小量程激光位移传感器40适当时进入)，直至小量程激光位移传感器40读数接近0，记下精测传感器40终测度数D_终。

由终测距离D_终、伺服移动量L_移、小量程激光位移传感器位置值Z_精计算被测工件A的精测长度l_精，l_精＝Z_精+L_移-D_终。

以下将结合图4和图5对上述长距离激光测长装置的测量动作说明如下：

如图4所示，小量程激光位移传感器40退出测量区域，定位块20升起，被测工件A被输送到位测架10上，并靠上定位块20以将被测工件A的定位端面A1进行定位后，大量程激光位移传感器30初测被测工件A的测量端面A2的位置值。

大量程激光位移传感器30为激光位移传感器，初测得到被测工件A的测量端面A2到大量程激光位移传感器30的初测距离D_初。

在进行第二次测量前，计算伺服移动量L_移：

L_移＝Z_初-Z_精-D_初。

如图5所示，定位块20下降，伺服送料机构50按上述计算得到的伺服移动量L_移移动被测工件A，将被测工件A的测量端面A2(测量尾端)送至小量程激光位移传感器40测量范围(小量程激光位移传感器40的读数会接近0)，小量程激光位移传感器40进到位后进行第二次测量。由小量程激光位移传感器位置值Z_精、伺服移动量L_移和终测距离D_终计算被测工件A的精测长度l_精：

l_精＝Z_精+L_移-D_终。

测量完成后，小量程激光位移传感器40退回。

第一次测量得到的初测距离D_初用于计算伺服移动量L_移，用于将测量长度分解为伺服精确保证的一段定长较长长度和等待二次测量的较短长度，第二次测量得到的终测距离D_终用于计算被测工件A的精测长度l_精，也决定最终测量精度。针对一批长度变化相对较大的工件，为了提高测长精度，可采用上述长距离激光测长装置进行测量。

以下将结合具体的实例按照顺序说明本发明的长距离激光测长方法的具体步骤：

步骤a，按照测量要求选择大量程激光位移传感器30、小量程激光位移传感器40及伺服送料机构50，确定大量程激光位移传感器30、小量程激光位移传感器40相对定位块20的安装位置。

大量程激光位移传感器30的量程按照被测工件A的长度波动范围进行选取，大量程激光位移传感器30的量程需大于一批待测工件中最长工件与最短工件之差。大量程激光位移传感器30置于测架10上，与定位块20之间在测量轴线上的距离大于一批待测工件中最长的工件长度。

比如被测工件A的长度在4000～6000mm范围波动，大量程激光位移传感器30可选量程为2500mm的IL-2000激光位移传感器(读数范围-1500至+1000，读数为零时测量端面A2距大量程激光位移传感器30自身端面2000mm，读数越大离端面越近)，大量程激光位移传感器位置要保证被测工件A的测量端面A2距大量程激光位移传感器30自身端面距离1000～3500mm，测量误差±1250x0.0016＝±2mm。

小量程激光位移传感器40的量程按照被测工件A的要求长度测量误差与小量程激光位移传感器40的线性度的比值进行选取。小量程激光位移传感器40置于测架10上且位于大量程激光位移传感器30与定位块20之间，与距离定位块20之间在测量轴线上的距离小于一批待测工件中最短的工件长度。

比如长度为6000mm的被测工件A要求长度测量误差小于±0.15mm，小量程传感器40线性度选取0.0015，小量程激光位移传感器40的最大量程应小于±0.15/0.0015＝±100mm。小量程激光位移传感器40可选量程为±20mm的IL-100激光位移传感器(读数为零时测量端面A2距离小量程激光位移传感器40自身端面100mm)，小量程激光位移传感器40的位置保证被测工件A的测量端面A2距小量程激光位移传感器40自身端面距离80～120mm，±20mm量程远大于大量程激光位移传感器±2mm测量误差的两倍，保证二次测量能够全部进入小量程激光位移传感器40的测量范围。

如以上IL-2000激光位移传感器(大量程激光位移传感器30)固定在离定位块20约7000mm的位置(大约被测工件A的长度等于其平均长度5000mm时大量程激光位移传感器30读数为零的位置)，IL-100激光位移传感器(小量程激光位移传感器40)固定在离定位块20约4100mm的位置(大约被测工件A的长度最短4000mm时小量程激光位移传感器40读数为零的位置)，以保证伺服送料只往一个方向输送且送料距离较短。

伺服送料机构50根据伺服位移控制误差需小于被测工件A的要求长度测量误差来选取，伺服送料机构50的伺服位移控制误差小于实际要求长度测量误差(mm值)的1/4。

比如6000mm的被测工件A的要求长度测量误差小于±0.15mm，此时伺服送料机构50的伺服位移控制误差需小于±0.0375mm。

步骤b，获得大量程激光位移传感器30相对定位块20在测量轴线上的距离记为大量程激光位移传感器位置值Z_初，获得小量程激光位移传感器40相对定位块20在测量轴线上的距离记为小量程激光位移传感器位置值Z_精。

请参阅图2，先在测架10上放置长度L₀为5000mm标准样件A₀，定位块20升起，标准样件A₀的定位端面抵住定位块20，大量程激光位移传感器30测量的标准样件A₀的测量端面，获得标准样件A₀的测量端面到大量程激光位移传感器30的校准初测距离D_初0，校准初测距离D_初0加上标准样件A₀的长度L₀(5000mm)记为大量程激光位移传感器位置值Z_初，即Z_初＝L₀+D_初0。

请参阅图3，定位块20落下，由伺服送料机构50沿测量轴线移动标准样件A₀的测量端面，使得精测传感器40的读数为0(读数数值达到要求长度测量误差的1/10以内即视为读数为0)，标准样件A₀的长度L₀(5000mm)减去伺服送料机构50的校准伺服移动量L_移0记为小量程激光位移传感器位置值Z_精，即Z_精＝L₀-L_移0。

步骤c，在测架10上沿测量轴线用定位块20定位被测工件A的定位端面A1，用大量程激光位移传感器30对测量端面A2进行测量得到初测距离D_初。

定位块20升起，小量程激光位移传感器40缩回，将被测工件A沿测量轴线方向放置在测架10上，使被测工件A测量轴线方向上的定位端面A1与定位块20抵接，测量轴线方向上的测量端面A2位于大量程激光位移传感器30的测量范围内，大量程激光位移传感器30测量与被测工件A的测量端面之间的距离，得到初测距离D_初。

步骤d，由大量程激光位移传感器位置值Z_初、小量程激光位移传感器位置值Z_精及初测距离D_初计算伺服移动量L_移。

伺服移动量L_移的计算公式为：L_移＝Z_初-Z_精-D_初。

步骤e，移开定位块20，伺服送料机构50按照伺服移动量L_移沿着测量轴线移动被测工件A使测量端面A2接近小量程激光位移传感器40。

定位块20移开落下，伺服送料机构50按照伺服移动量L_移在测量轴线上沿着远离大量程激光位移传感器30方向移动被测工件A，使被测工件A的测量端面A2置于小量程激光位移传感器40测量范围内。

伺服移动量L_移的计算理论上二次定位被测工件A的测量端面A2移位至小量程精测位感器40读数为零的位置，二次定位完成后小量程激光位移传感器40实际读数值为大量程激光位移传感器30的测长偏差，小量程激光位移传感器40的量程大于大量程激光位移传感器30工件长度测量误差范围的两倍(包含Z_初、D_初偏差)，加上伺服送料机构(50)的伺服位移控制误差及小量程激光位移传感器40长度测量误差，保证二次定位后测量端面A2进入小量程激光位移传感器40的测量范围。

步骤f，小量程激光位移传感器40就位，测量与被测工件A的测量端面A2之间的距离，得到终测距离D_终。

小量程激光位移传感器40测量就位，对被测工件A的侧两端面A2进行测量，得到终测距离D_终。

步骤g，由小量程激光位移传感器40零点与定位块20之间的小量程激光位移传感器位置值Z_精、伺服移动量L_移和终测距离D_终计算被测工件A的精测长度l_精。

精测长度l_精的计算公式为：l_精＝Z_精+L_移-D_终。

对被测工件A的测量完成后，即可进行下一工件测量。

步骤h，小量程激光位移传感器40退回，再放置另一被测工件，重复步骤c至步骤g。

本发明的长距离激光测长方法及装置中，被测工件A被两次定位，伺服精确输送，从而将一个长距离分解为一个精度保证、长度确定的长距离和一个待测的短距离，采用一个大量程激光位移传感器初测和一个小量程激光位移传感器精测。被测工件一端固定后大量程传感器初测全长，然后伺服送料精确定位，将被测工件另一端精确地送入精测传感器量程范围，精测短距离，小量程传感器保证测量精度，在伺服精度更高的情况下最终测量精度由小量程传感器精度确定，最终绝对精度(mm值)提高倍数大致为大量程/小量程。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种长距离激光测长方法，包括以下步骤：

步骤a，按照测量要求选择大量程激光位移传感器(30)、小量程激光位移传感器(40)及伺服送料机构(50)，确定大量程激光位移传感器(30)、小量程激光位移传感器(40)相对定位块(20)的安装位置；

在所述步骤a中，大量程激光位移传感器(30)的量程大于一批待测工件中最长工件与最短工件之差，大量程激光位移传感器(30)置于测架(10)上且与定位块(20)之间在测量轴线上的距离大于最长工件的长度；小量程激光位移传感器(40)置于沿测量轴线方向固定的测架(10)上且位于大量程激光位移传感器(30)与定位块(20)之间，与定位块(20)之间在测量轴线上的距离不大于最短工件的长度；

步骤b，获得大量程激光位移传感器(30)相对定位块(20)在测量轴线上的距离记为大量程激光位移传感器位置值Z_初，获得小量程激光位移传感器(40)相对定位块(20)在测量轴线上的距离记为小量程激光位移传感器位置值Z_精；

步骤c，在测架(10)上沿测量轴线用定位块(20)定位被测工件(A)的定位端面(A1)，用大量程激光位移传感器(30)对测量端面(A2)进行测量，得到测量端面(A2)到大量程激光位移传感器(30)沿测量轴线的距离，记为的初测距离D_初；

步骤d，按照公式L_移＝Z_初-Z_精-D_初来计算服移动量L_移；

步骤e，移开定位块(20)后伺服送料机构(50)按照伺服移动量L_移沿着测量轴线移动被测工件(A)；

步骤f，小量程激光位移传感器(40)对被测工件(A)的测量端面(A2)进行测量，得到测量端面(A2)到小量程激光位移传感器(40)沿测量轴线的距离，记为终测距离D_终；

步骤g，按照公式l_精＝Z_精+L_移-D_终计算得到被测工件(A)的精测长度l_精。

2.根据权利要求1所述的长距离激光测长方法，其特征在于：在所述步骤b中，在测架(10)上放置长度L₀的标准样件(A₀)，标准样件(A₀)的定位端面抵住定位块(20)，大量程激光位移传感器(30)测量标准样件(A₀)的测量端面以获得标准样件(A₀)的测量端面到大量程激光位移传感器(30)的校准初测距离D_初0，大量程激光位移传感器位置值Z_初按照Z_初＝L₀+D_初0计算得到；移开定位块(20)后由伺服送料机构(50)沿测量轴线移动标准样件(A₀)，使得精测传感器(40)测量标准样件(A₀)的测量端面的读数为0，此时伺服送料机构(50)沿测量轴线移动的位移记为校准伺服移动量L_移0，小量程激光位移传感器位置值Z_精按照Z_精＝L₀-L_移0计算得到。

3.根据权利要求2所述的长距离激光测长方法，其特征在于：在所述步骤b中，精测传感器(40)测量标准样件A₀的测量端面的读数达到要求长度测量误差的1/10以内时，视为精测传感器(40)的读数为0。

4.根据权利要求1或2所述的长距离激光测长方法，其特征在于：在所述步骤a中，伺服送料机构(50)根据伺服位移控制误差小于要求长度测量误差来选取。

5.根据权利要求4所述的长距离激光测长方法，其特征在于：在所述步骤a中，伺服送料机构(50)的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差的1/4。

6.根据权利要求1所述的长距离激光测长方法，其特征在于：在所述步骤a中，小量程激光位移传感器(40)的量程小于要求长度测量误差与小量程激光位移传感器(40)的线性度的比值，且大于大量程激光位移传感器(30)工件长度测量误差范围的两倍。

7.一种采用如权利要求1中所述长距离激光测长方法的长距离激光测长装置，其特征在于：包括测架(10)以及沿测量轴线方向固定在所述测架(10)上的定位块(20)、大量程激光位移传感器(30)和小量程激光位移传感器(40)，所述定位块(20)位于所述沿测量轴线上的一端；所述大量程激光位移传感器(30)的量程大于一批待测工件中最长工件与最短工件之差，所述大量程激光位移传感器(30)与所述定位块(20)之间在测量轴线上的距离大于一批待测工件中最长的工件长度；所述小量程激光位移传感器(40)位于所述大量程激光位移传感器(30)与所述定位块(20)之间且与所述定位块(20)之间在测量轴线上的距离不大于一批待测工件中最短的工件长度；所述测架(10)上进一步安装有可沿所述沿测量轴线运送被测工件的伺服送料机构(50)。

8.根据权利要求7所述的长距离激光测长装置，其特征在于：所述伺服送料机构(50)的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差。

9.根据权利要求8所述的长距离激光测长方法，其特征在于：所述伺服送料机构(50)的伺服位移控制误差小于要求长度测量误差的1/4。

10.根据权利要求8所述的长距离激光测长装置，其特征在于：所述小量程激光位移传感器(40)的量程小于要求长度测量误差与所述小量程激光位移传感器(40)的线性度的比值，且大于大量程激光位移传感器(30)工件长度测量误差范围的两倍。