CN110500958A - 一种激光扫描精密测头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光扫描精密测头装置，包括空心测杆、测球、激光源、第一分光镜、第二分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器、处理器，所述测球与所述空心测杆连接的球面设置有激光反射平面，所述处理器用于根据所述第一光电探测器、第二光电探测器所接收到的激光束的位置变化值，得到所述测球的位移量和空心测杆形变量。本发明同时使用第一分光镜、第二分光镜对激光源和激光反射平面射出的激光束进行反射和透射，处理器根据静止状态和工作状态时第一光电探测器、第二光电探测器上激光束的落点，计算出本装置在测量工作时，测球产生的水平位移量和空心测杆形变角度量，使得本装置最后的测量精度更高，且结构简单，易于批量生产。

Description

一种激光扫描精密测头装置

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种激光扫描精密测头装置。

背景技术

测头是精密测量仪的关键部位之一，作为传感器提供被测工件的几何位置信息，测头的发展水平直接影响着精密测量仪的测量精度与测量效率。精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头，目前以扫描式测头应用最为广泛。

目前的测头可以测出装置的水平位移，但是都忽视了在扫描测量时，空心测杆或测球发生的形变，这个形变会影响测头最后测量的值，使得被测工件的实际位移测量值存在误差，因此测量精度仍然有待提高。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种激光扫描精密测头装置。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种激光扫描精密测头装置，包括测量组件，所述测量组件包括测球和测杆，所述测杆为空心测杆，所述测球设置于所述空心测杆的一端，且所述测球与所述空心测杆连接的球面设置有激光反射平面，所述激光反射平面位于所述空心测杆的内部；

所述一种激光扫描精密测头装置还包括：

激光源，用于发射激光束；

分光镜，所述分光镜包括倾斜设置于所述空心测杆另一端的第一分光镜、与第一分光镜平行且设置于第一分光镜远离所述空心测杆一侧的第二分光镜；所述第一分光镜用于将激光源发射的激光束反射至激光反射平面，以及将激光反射平面反射的激光束透射至第二分光镜，所述第二分光镜用于将第一分光镜透射的激光束反射至第二光电探测器，以及透射至第一光电探测器；

光电探测器，所述光电探测器包括与所述第二分光镜平行且设置于第二分光镜一侧的第一光电探测器、与第一光电探测器平行且设置于第二分光镜另一侧的第二光电探测器；所述第一光电探测器用于接收第二分光镜透射的激光束，所述第二光电探测器用于接收第二分光镜反射的激光束；

处理器，用于根据所述第一光电探测器、第二光电探测器所接收到的激光束的位置变化值，得到所述测球的位移量和所述空心测杆的形变量。

当本装置进行测量工作时，会产生位移变化或者装置本身的空心测杆发生形变，因此在测量时，不能仅仅只测量装置的位移变化，这样是不准确的。本发明首先使用第一分光镜对激光源发射的激光束反射进入激光反射平面，并且还要接收激光反射平面反射回来的激光束；第一分光镜接收到激光反射平面反射回来的激光束后，再将其透射进入第二分光镜。如果装置在静止状态时，那么激光反射平面反射回第一分光镜上的激光束落点与激光源发射至第一分光镜上的激光束落点为同一个点；如果装置在测量状态下发生位移或形变时，那么激光束在第一分光镜上的落点则不为同一个点。接着，第二分光镜将接收到的第一分光镜透射的激光束都透射至第一光电探测器以及反射至第二光电探测器上，如果装置在静止状态时，那么第一光电探测器上的激光束落点为a点，第二光电探测器上的激光束落点为b点；如果装置在测量状态下发生位移或形变时，那么激光束在第一光电探测器和第二光电探测器上的落点即不为a点和b点，与静止状态下的落点有一定的差值，利用处理器分别对第一光电探测器和第二光电探测器上接收到的激光束落点差值进行计算，即可得到装置在测量状态下产生的位移量和空心测杆的形变量，使得测量精度更高，测量值更加准确。

更进一步地，为了更好地实现本发明，所述第一分光镜相对于激光反射平面的倾斜角度为45°。为了简化后期的计算过程，降低运算量，以及使得激光源向第一分光镜发射的激光束能垂直反射入激光反射平面，所以设计第一分光镜相对于激光反射平面的倾斜角度为45°。

更进一步地，为了更好地实现本发明，还包括支撑座，所述支撑座的中部设置有通孔，且该通孔的直径大小与所述空心测杆的外径大小相同，所述支撑座设置于空心测杆远离测球的一端，且空心测杆穿过支撑座的通孔。所述支撑座用于对测杆和测球的运动进行控制。

更进一步地，为了更好地实现本发明，还包括簧片，所述簧片设置于支撑座的边缘，且与空心测杆平行；所述簧片上设置有通光孔。所述通光孔用于激光源向第一分光镜发射激光束时，激光束能从所述通光孔穿过，而不被簧片阻挡。

更进一步地，为了更好地实现本发明，所述簧片包括第一簧片、第二簧片，所述第一簧片、第二簧片均设置于支撑座的边缘，且第一簧片和第二簧片连接线的中点为所述支撑座的中心。采用两个簧片时，适用于本装置在进行一维测量时，给支撑座一个弹性力，使得完成测量工作后，支撑座能根据簧片的弹性力恢复到静止状态时的位置，与此同时，空心测杆和测球也能跟随支撑座恢复到静止状态的位置。

更进一步地，为了更好地实现本发明，还包括壳体，所述支撑座、簧片、第一分光镜设置于壳体内，所述簧片远离支撑座的一端与壳体固定连接。当本装置由测量状态要恢复至静止状态时，簧片与支撑座连接的一端拉动支撑座回到静止状态的位置。

更进一步地，为了更好地实现本发明，所述壳体内设置有黑色吸光材料，以便激光源发射的激光束经过第一分光镜透射后的激光在壳体内能被吸收，光电探测器散射的激光也能被吸收。

更进一步地，为了更好地实现本发明，所述第一分光镜相对固定于所述空心测杆。为了使激光源发射的激光束通过第一分光镜反射后能垂直射入激光反射平面的中心，因此使所述第一分光镜相对固定于所述空心测杆，使得本装置发生位移时，第一分光镜随之发生位移，这样不管空心测杆和测球怎么移动，第一分光镜总能将激光源发射的激光束反射至激光反射平面。

更进一步地，为了更好地实现本发明，所述第一光电探测器和第二光电探测器均为位置敏感探测器，属于半导体器件，一般做成PN结构，其工作原理是基于横向光电效应，能够用于位置坐标的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点

更进一步地，为了更好地实现本发明，还包括导向槽，所述支撑座设置在导向槽内，使得支撑座仅能在导向槽限定方向上移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明同时使用第一分光镜、第二分光镜对激光源和激光反射平面射出的激光束进行反射和透射，处理器根据静止状态和工作状态时第一光电探测器、第二光电探测器上激光束的落点，计算出本装置在测量工作时，产生的水平位移量和形变角度量，使得本装置最后的测量精度更高，且结构简单，易于批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明装置结构示意图以及静止状态时的光路示意图；

图2为图1所示的结构在测量状态下发生形变时的光路示意图；

图3为图1所示的结构在测量状态下未发生形变时的光路示意图；

图4为本发明包括两个簧片时支撑座的俯视图；

图5为本发明装置在检测状态下仅发生水平位移量时的示意图；

图6为本发明装置在检测状态下仅发生形变角度量时的示意图；

图7为本发明装置在检测状态下同时发生水平位移量和形变角度量时的示意图；

图8为本发明设置有导向槽的结构示意图。

主要元件符号说明

激光源101，第一光电探测器102，第二光电探测器103，第一分光镜104，第二分光镜105，测球200，激光反射平面201，空心测杆202，第一簧片203，第二簧片204，支撑座205，导向槽301。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种激光扫描精密测头装置，包括一个测球200、一根空心测杆202、一个激光源101、两个分光镜、两个光电探测器以及处理器；为了便于区分，两个分光镜分别定义为第一分光镜104、第二分光镜105，两个光电探测器分别定义为第一光电探测器102、第二光电探测器103。其中，所述测杆为空心测杆202，所述测球200设置于所述空心测杆202的一端，且所述测球200与所述空心测杆202连接的球面设置有激光反射平面201，所述激光反射平面201位于所述空心测杆202的内部，从图1中可以看出，当本装置在静止状态下，所述空心测杆202的在竖直方向上与所述激光反射平面201垂直。

激光源101，用于向第一分光镜104发射激光束。

第一分光镜104，倾斜设置于所述空心测杆202的另一端，用于将激光源101发射的激光束反射至测球200的激光反射平面201，并且还要接收所述激光反射平面201反射回来的激光束，第一分光镜104接收了所述激光反射平面201反射回来的激光束后，将该激光束透射至第二分光镜105上。如图1所示，本方案中，为了简化后期的计算过程，降低运算量，将第一分光镜104和第二分光镜105平行设置，且均相对于所述激光反射平面201的表面倾斜45°。由于本方案没有对分光镜的大小(长度)进行限定，因此在本装置静止状态和工作状态时，都能够接收到激光源101发射的激光束以及激光反射平面201反射回来的激光束即可。如图1所示，为方便观看和计算，尽量使得激光反射平面201的中心、第一分光镜104的中心、第二分光镜105的中心都在一条直线上，且该直线与所述激光反射平面201垂直。

第二分光镜105，用于接收第一分光镜104透射的激光反射平面201反射的激光束，并且将接收到的激光束反射至第二光电探测器103上以及透射至第一光电探测器102上。

第一光电探测器102，用于接收第二分光镜105透射的激光束，该激光束为第一分光镜104接收激光反射平面201反射的激光束后透射至第二分光镜105，然后再由第二分光镜105透射至第一光电探测器102的激光束。

第二光电探测器103，用于接收第二分光镜105反射的激光束，该激光束为第一分光镜104接收激光反射平面201反射的激光束后透射至第二分光镜105，然后再由第二分光镜105反射至第二光电探测器103的激光束。

所述第一光电探测器102与第二光电探测器103平行，且均与第二分光镜105平行，即也与第一分光镜104平行，且第一光电探测器102、第二光电探测器103分别设置于第二分光镜105的两侧，但第一光电探测器102和第二光电探测器103不以第二分光镜105对称；只需得知第二分光镜105与第一光电探测器102之间的垂线距离为L1，第二分光镜105与第二光电探测器103之间的垂线距离为L2。由于本方案没有对光电探测器的大小(长度)进行限定，因此在本装置静止状态和工作状态时，都能够接收到第二分光镜105透射或反射的激光束即可。

如图1所示，图中带箭头的线条为激光束的路径，当本装置静止，即本装置在没有工作的状态时，激光源101发射的激光束射入第一分光镜104后，第一分光镜104将激光束反射至激光反射平面201；激光反射平面201将接收到的激光束反射至第一分光镜104；第一分光镜104将激光反射平面201反射的激光束透射至第二分光镜105。第二分光镜105要将接收到的激光束反射至第二光电探测器103，以及透射至第一光电探测器102。此时我们定义在本装置静止状态时，第二分光镜105反射至第二光电探测器103上的激光束的落点为b点，第二分光镜105透射至第一光电探测器102上的激光束的落点为a点。

如图2所示，本装置工作状态时空心测杆202产生形变后，激光源101发射的激光束入射到第一分光镜104，第一分光镜104将该激光束反射至激光反射平面201，此时与空心测杆202变形前的光路相比，入射光路未变化，但是由于激光反射平面201发生了角度变化，所以第一分光镜104反射到激光反射平面201的落点发生了位移；第一分光镜104接收激光反射平面201反射的激光束，第一分光镜104将激光反射平面201反射的激光束透射到第二分光镜105，此时与空心测杆202变形前的光路相比，光路发生变化，激光反射平面201反射的激光束落在第一分光镜104的落点发生位移，相应地，第一分光镜104透射到第二分光镜105的激光束的落点也发生了位移，继而第二分光镜105分别反射至第二光电探测器103和透射至第一光电探测器102的落点均发生了位移。如图2所示，此时我们定义在本装置工作状态时空心测杆202产生形变后，第二分光镜105反射至第二光电探测器103上的激光束的落点为b`点，第二分光镜105透射至第一光电探测器102上的激光束的落点为a`点。

可以看出，在第一光电探测器102上，本装置静止状态时落入的a点与工作状态空心测杆202发生形变后落入的a`点之间的位置变化值为X1；在第二光电探测器103上，本装置静止状态时落入的b点与工作状态空心测杆202发生形变后落入的b`点之间的位置变化值为X2。使用处理器，根据所述第一光电探测器102、第二光电探测器103所接收到的激光束的位置变化值，得到所述空心测杆202的变形量。

更进一步地，作为一种可实施方式，还包括支撑座205、簧片，所述支撑座205的中部设置有通孔，且该通孔的直径大小与所述空心测杆202的外径大小相同，所述支撑座205设置于空心测杆202远离测球200的一端，且空心测杆202穿过支撑座205的通孔。如图1所示，所述簧片设置于支撑座205的边缘，且与空心测杆202平行，所述簧片包括第一簧片203、第二簧片204，所述第一簧片203、第二簧片204均设置于支撑座205的边缘，且第一簧片203和第二簧片204连接线的中点为所述支撑座205的中心，如图4所示为支撑座205的俯视图。本方案使用两个簧片，适用于本装置在进行一维测量时，给支撑座205一个弹性力，使得完成测量工作后，支撑座205能根据簧片的弹性力恢复到静止状态时的位置，与此同时，空心测杆202和测球200也能跟随支撑座205恢复到静止状态的位置。

需要说明的是，所述一维测量是指本装置仅进行前后或左右的测量，即仅在固定方向上进行测量。更详细来讲，本装置还包括壳体，所述支撑座205、簧片、第一分光镜104设置于壳体内，第一分光镜104透射激光需通过吸光材料吸收，例如黑色壳体材料吸收，所述簧片远离所述支撑座205的一端与壳体固定连接。那么如图3所示，为一维测量时装置发生的位移，即装置在进行面向纸张的左右方向上测量，此时簧片的一端与壳体固定连接，装置的测球200、空心测杆202、第一分光镜104同时进行左右位移，当测量工作结束后，第一簧片203和第二簧片204给支撑座205施加的弹性力将支撑座205拉回静止状态时的位置，同时测球200、空心测杆202、第一分光镜104也回到静止状态时的位置。为了在静止状态下使激光源101发射的激光束通过第一分光镜104反射后能射入激光反射平面201的中心，因此使所述第一分光镜104相对固定于所述空心测杆202，使得本装置发生位移时，第一分光镜104随之发生位移，这样不管空心测杆202和测球200怎么移动，第一分光镜104总能将激光源101发射的激光束反射至激光反射平面201。但是第二分光镜105、光电探测器不随着支撑座205的移动而移动，只要第一分光镜104透射的激光束能落在第二分光镜105上即可。另外，所述簧片上设置有通光孔(未在图中示出)，以便激光源101能通过簧片上的通光孔将激光束射入第一分光镜104，且激光源101入射至第一分光镜104后透射光也可通过簧片上的通光孔，然后通过吸光材料进行吸收(图中未示出)。

本实施例中所使用的第一光电探测器102和第二光电探测器103可选用常用的位置敏感探测器(PositionSensitiveDetector，简称PSD)，属于半导体器件，一般做成PN结构，其工作原理是基于横向光电效应，能够用于位置坐标的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。

本装置在进行测量工作的过程中，会产生水平位移量、形变角度量，或者水平位移量和形变角度量同时发生。

当仅发生水平位移量时(包括面向纸张前后或左右移动)，如图5所示，第二分光镜105反射至第一光电探测器102的落点a`与静止状态时的落点a之间的位置变化值为X1，第二分光镜105反射至第二光电探测器103的落点b`与静止状态时的落点b之间的位置变化值为X2，此时X1与X2相等。换句话说，如果处理器计算出X1与X2相等时，则说明本装置在测量时仅发生了水平位移量，而没有发生形变。

当仅发生形变角度量时，如图6所示，h1为静止状态时激光反射平面201与第二分光镜105上激光束的落点处的垂直距离，h2为静止状态时激光反射平面201与第一光电探测器102上激光束的落点处的垂直距离，α为静止状态时第二分光镜105反射至第二光电探测器103的激光束与第二分光镜105表面的夹角角度，β为产生形变时激光反射平面201反射的激光束经第一分光镜104和第二分光镜105以此透射后的光路与静止时的该条光路之间的夹角角度，其余参数解释与仅发生水平位移量时相同。那么根据几何关系可得到：

X1/sin(β)＝h2/sin(180-β-α) (1)

X2/sin(β)＝h1/sin(180-β-α) (2)

得：

X1/(sin(β)*h2)＝X2/(sin(β)*h1) (3)

根据三角关系即可计算出角度β，即得到产生形变后的角度值。同时形变角度带来的测头位移变化可通过三角关系即可算出。

当同时发生水平位移量和形变角度量时，如图7所示，L1为第二分光镜105与第一光电探测器102之间的垂线距离，L2为第二分光镜105与第二光电探测器103之间的垂线距离，X为装置水平位移量，其余参数解释与仅发生形变角度量时相同。为方便观看计算，将第二光电探测器103相对原来的位置以第二分光镜105对称设置，根据几何关系可得到：

(X1-X2)/sin(β)＝(L1-L2)/sin(180-β-α) (4)

根据式(4)可以计算出角度β，即得到产生的形变角度量。

同时，装置的水平位移量为：

X＝X1-h2*sin(β)/sin(180-β-α) (5)

综上所述，本发明同时使用第一分光镜104、第二分光镜105对激光源101和激光反射平面201射出的激光束进行反射和透射，处理器根据静止状态和工作状态时第一光电探测器102、第二光电探测器103上激光束的落点，计算出本装置在测量工作时，产生的水平位移量和形变角度量，使得本装置最后的测量精度更高，且结构简单，易于批量生产。更进一步地，为了更好地实现本发明，如图8所示，避免支撑座205在测量过程中发生角度变化，还包括导向槽301，所述支撑座205设置在导向槽301内，使得支撑座205仅能在导向槽301限定方向上移动。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光扫描精密测头装置，包括测量组件，所述测量组件包括测球和测杆，其特征在于：所述测杆为空心测杆，所述测球设置于所述空心测杆的一端，且所述测球与所述空心测杆连接的球面设置有激光反射平面，所述激光反射平面位于所述空心测杆的内部；

所述一种激光扫描精密测头装置还包括：

激光源，用于发射激光束；

分光镜，所述分光镜包括倾斜设置于所述空心测杆另一端的第一分光镜、与第一分光镜平行且设置于第一分光镜远离所述空心测杆一侧的第二分光镜；所述第一分光镜用于将激光源发射的激光束反射至激光反射平面，以及将激光反射平面反射的激光束透射至第二分光镜，所述第二分光镜用于将第一分光镜透射的激光束反射至第二光电探测器，以及透射至第一光电探测器；

光电探测器，所述光电探测器包括与所述第二分光镜平行且设置于第二分光镜一侧的第一光电探测器、与第一光电探测器平行且设置于第二分光镜另一侧的第二光电探测器；所述第一光电探测器用于接收第二分光镜透射的激光束，所述第二光电探测器用于接收第二分光镜反射的激光束；

处理器，用于根据所述第一光电探测器、第二光电探测器所接收到的激光束的位置变化值，得到所述测球的位移量和所述空心测杆的形变量。

2.根据权利要求1所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述第一分光镜相对于激光反射平面的倾斜角度为45°。

3.根据权利要求1所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：还包括支撑座，所述支撑座的中部设置有通孔，且该通孔的直径大小与所述空心测杆的外径大小相同，所述支撑座设置于空心测杆远离测球的一端，且空心测杆穿过支撑座的通孔。

4.根据权利要求3所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：还包括簧片，所述簧片设置于支撑座的边缘，且与空心测杆平行；所述簧片上设置有通光孔。

5.根据权利要求4所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述簧片包括第一簧片、第二簧片，所述第一簧片、第二簧片均设置于支撑座的边缘，且第一簧片和第二簧片连接线的中点为所述支撑座的中心。

6.根据权利要求4-5任一项所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：还包括壳体，所述支撑座、簧片、第一分光镜设置于壳体内，且所述簧片远离支撑座的一端与壳体固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述壳体内设置有黑色吸光材料。

8.根据权利要求6所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述第一分光镜相对固定于所述空心测杆。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器均为位置敏感探测器。

10.根据权力要求1-5任一项所述的一种激光扫描精密测头装置，其特征在于：所述支撑座设置在导向槽内，使得支撑座仅能在导向槽限定方向上移动。