CN110567366B - 一种非接触式激光测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式激光测量系统及其测量方法，包括测头，测头包括圆弧轨道，圆弧轨道上活动连接有激光传感器，圆弧轨道上同心设置有拾取激光传感器运动角度的感应同步器，圆弧轨道连接有连接轴，连接轴上设置有编码器。测量灵活、测量范围广，能拓展测量功能，提高测量精度。

Description

一种非接触式激光测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于几何测量工具技术领域，涉及一种非接触式激光测量系统，还涉及上述测量系统的测量方法。

背景技术

三坐标测量机是一种高精度、高效率、实现多功能测量的先进仪器，能够测量复杂三维零件的尺寸、形状和相互位置，并能实现整个测量过程的自动化与数据处理的数字化，因此得到了广泛的应用。在三坐标测量机的整个测量系统中，通过测头对被测对象的位置信息进行拾取。除了机械本体与外界因素外，测头是测量机实现高精度测量的关键。三坐标测量机的工作效率、测量功能及精度等与测头密切相关，所以说先进的测头是保证三坐标测量机的测量精度、测量功能、测量效率的重要条件之一。

传统的三坐标测量机由于结构、测量原理、环境和人为等因素的影响，在测量过程中不可避免地存在测量误差，从而降低了测量精度。在测量过程中，由于传统测头结构的局限性，无法对小孔、深盲孔和斜孔等类型的相关几何元素进行测量；在对柔软材质和超薄工件测量时，测头和物件的接触压力会使工件产生变形，无法精确测量被测物的实际尺寸，且会磨损测头；在数据处理时，还须对测量数据进行测头半径补偿，加大了工作量。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式激光测量系统，解决了现有技术中存在的无法对特殊类型的工件尺寸进行精确测量的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种非接触式激光测量系统，包括测头，测头包括圆弧轨道，圆弧轨道上活动连接有激光传感器，圆弧轨道上同心设置有拾取激光传感器运动角度的感应同步器，圆弧轨道连接有连接轴，连接轴上设置有编码器。

本发明的特点还在于：

还包括有驱动装置，驱动装置包括工作台，工作台上平行设置有一对滑轨，还包括有横梁，横梁上套接有滑块，连接轴一端竖直向下穿过滑块与圆弧轨道连接；横梁两端分别垂直连接有滑杆，每个滑杆与对应的滑轨活动连接。

圆弧轨道上设置有能沿其运动的滚珠，激光传感器固定在滚珠上。

本发明的另一目的是提供一种非接触式激光测量系统的测量方法。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种非接触式激光测量系统的测量方法，包括上述的测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定测头的坐标系原点位置和初始位置；

步骤2、调节激光传感器的光束到达被测点；

步骤3、获取测头的转动角度、测头的坐标系原点距离被测点的垂直距离L，根据测头的转动角度、距离L及测头的坐标系原点得到被测点位置坐标，被测点位置坐标为相对于测头坐标系原点的位置坐标；

步骤4、将步骤3得到的被测点位置坐标转化为相对于三坐标系原点的位置坐标。

步骤1中测头的坐标系原点为圆弧轨道的圆心(x₀，y₀，z₀)。

步骤2为：通过驱动装置调节测头在X、Y、Z三个方向上的位置，使激光传感器的光束到达被测点。

步骤2为：在被测范围内，驱动激光传感器在圆弧轨道上运动，使激光传感器的光束到达被测点。

步骤3为：通过感应同步器获取激光传感器的转动角度α₁，通过下式得到被测点位置坐标(x₁，y₁，z₁)：

L₁＝L×sec α₁ (1)；

x₀＝x₁ (2)；

|z₁-z₀|＝L₁×cosα₁ (3)；

|y₁-y₀|＝L₁×sinα₁ (4)；

其中，距离L通过激光传感器测量得到。

步骤2为：在被测范围内，驱动连接轴转动圆弧轨道，同时驱动激光传感器在圆弧轨道上运动，使激光传感器的光束到达被测点。

步骤3为：通过感应同步器获取激光传感器在圆弧轨道上的转动角度α₂，通过旋转编码器获取圆弧轨道的旋转角度β₂，则下式得到被测点位置坐标(x₂，y₂，z₂)：

L₂＝L×secα₂ (5)；

|Z₂-Z₀|＝L₂×cosα₂ (6)；

|y₂-y₀|＝L₂×sinα₂×cosβ₂ (7)；

|x₂-x₀|＝L₂×cosα₂×sinβ₂ (8)。

本发明的有益效果是：

本发明的非接触式激光测量系统，以光束作为测量手段，测量系统未直接接触被测物，从而消除因接触形变带来的测量误差；在传统的三维直线运动的基础上，通过圆弧轨道、滚珠、连接轴实现测头的二维角度的转动，能对各种柔软材质、易变形工件和异形曲面进行几何测量；本发明的测量方法，测量灵活、测量范围广，能拓展测量功能，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明一种非接触式激光测量系统的结构示意图；

图2是本发明一种非接触式激光测量系统的测头结构示意图；

图3是本发明一种非接触式激光测量系统的工作原理图；

图4是本发明一种非接触式激光测量系统的实物测量原理图；

图5是本发明一种非接触式激光测量系统的平面测量原理图。

图中，1.圆弧轨道，2.激光传感器，3.感应同步器，4.连接轴，5.编码器，6.工作台，7.滑轨，8.横梁，9.滑块，10.滑杆，11.滚珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种非接触式激光测量系统，如图1所示，包括测头，测头包括圆弧轨道1，圆弧轨道1上活动连接有激光传感器2，如图2所示，圆弧轨道1上设置有滚珠11，激光传感器2固定在滚珠11上，滚珠11带动激光传感器2在圆弧轨道1上运动，激光传感器2发出的光线在任意时刻都经过圆弧轨道1的圆心。圆弧轨道1上同心设置有感应同步器3，感应同步器3的定子安装在圆弧轨道1的中心位置，转子安装在激光传感器2上，感应同步器3用于拾取激光传感器2在圆弧轨道1上的运动角度。

激光传感器2为激光位移传感器，其型号为MPS-XXXS、IL-300、TFmini Plus中的任意一种。

感应同步器3为旋转式感应同步器，其型号为GJDCJXT或T2。

如图3所示，激光传感器2能够在圆弧轨道1上做圆弧运动，转动的角度α通过感应同步器3拾取到，定义由测头起始点逆时针转动为正，区间为(0～90°)，由测头起始点顺时针转动为负，区间为(-90°～0)，使得激光传感器2在被测范围内能进行任意角度旋转。即可实现被测范围内任意角度的几何测量，对于异型曲面也能得出较高精度的测量结果。圆弧轨道1连接有连接轴4，连接轴4上设置有编码器5，编码器5用于对圆弧轨道1绕连接轴4的旋转角度β进行拾取，定义绕z轴顺时针旋转为正，区间为(0～180°)，绕z轴逆时针旋转为负，区间为(-180°～0)。

还包括有驱动装置，驱动装置包括工作台6，工作台6上平行设置有一对滑轨7，还包括有横梁8，横梁8上套接有滑块9，连接轴4一端竖直向下穿过滑块9与圆弧轨道1连接；横梁8两端分别垂直连接有滑杆10，每个滑杆10与对应的滑轨7活动连接。

一种非接触式激光测量系统的测量方法，包括上述测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定测头的坐标系原点位置为圆弧轨道1的圆心(x₀，y₀，z₀)，在测量时同样也要确定测头的初始状态，当激光传感器2在圆弧轨道1上移动时以激光传感器1垂直于工作台6的位置为测头的初始位置。当圆弧轨道1在旋转时以圆弧轨道平行于yoz面为圆弧轨道的初始位置。在对被测物进行测量时，圆弧轨道1的旋转角度和激光传感器2的转动角度都是相对于测头系统初始状态的角度。

步骤2、调节激光传感器2的光束到达被测点；

步骤3、获取测头的转动角度、测头的坐标系原点距离被测点的垂直距离L，根据测头的转动角度、距离L及测头的坐标系原点得到被测点位置坐标，被测点位置坐标为相对于测头坐标系原点的位置坐标；

步骤4、将步骤3得到的被测点位置坐标转化为相对于三坐标系原点的位置坐标。

如图4所示，在测量时测量所得点C的坐标为相对于测头坐标系原点B₁的位置坐标，而测头坐标系原点B₁在整个测量过程中都与三坐标坐标原点O有确定的相对关系。这样，所测点C的位置坐标就可以映射到三坐标坐标系中。同样的，所测点D的位置坐标及所有被测点的坐标也都可以映射到三坐标坐标系中，这样即实现了对坐标的统一。

实施例1

如图5所示，在被测范围内，比如对于形状不规则的平面，首先确定测头的坐标系原点和初始位置，此时激光传感器2位于yoz平面内，设定激光传感器2与圆弧轨道1此时处于的a位置为测头的初始位置，以圆弧轨道1的圆心为测头坐标系的原点即点B(x₀，y₀，z₀)；驱动激光传感器2在圆弧轨道1上运动，使激光传感器2的光束到达被测点，通过感应同步器3获取激光传感器2的转动角度α₁，此时α＝α₁，β＝β₁＝0，其中，距离L通过激光传感器2测量得到，在圆弧轨道1上移动激光传感器2到b，使光点到达被测点，此时激光传感器2测量点的坐标为(x₁,y₁,z₁)，因为激光传感器2发出的光线在任意时刻都通过圆弧轨道1的圆心位置，且L与L₁在同一平面即(yoz)内，通过下式得到被测点位置坐标(x₁,y₁,z₁)：

L₁＝L×secα₁ (1)；

x₀＝x₁ (2)；

|Z₁-Z₀|＝L₁×cosα₁ (3)；

|y₁-y₀|＝L₁×sinα₁ (4)；

三坐标测量机在测量时首先要对三坐标坐标原点定标，设三坐标坐标原点O为(X₀，Y₀，Z₀)，由于测头坐标系原点B在整个测量过程中都与三坐标原点O有确定的相对关系，即可求得被测点在三坐标系下的位置坐标(X₁，Y₁，Z₁)：

X₁＝x₁+X₀ (7)；

Y₁＝y₁+Y₀ (8)；

Z₁＝Z₁+Z₀ (9)；

这样就可以求得被测点相对于三坐标系原点下的位置坐标(X₁，Y₁，Z₁)，实现了坐标统一。

实施例2

当对任意平面进行测量时如图5所示，将圆弧轨道1绕连接轴4顺时针旋转β角度，激光传感器2逆时针旋转α角度到达被测点。此时，激光传感器2发出的光线与测头坐标系原点(x₀，y₀，z₀)不在同一平面，即α＝α₂，β＝β₂，激光传感器2通过圆弧轨道1圆心射出的光线路径L₂可通过激光三角法得出，根据测量空间关系得到被测点位置坐标(x₂，y₂，z₂)：

L₂＝L×secα₂ (5)；

|Z₂-Z₀|＝L₂×cosα₂ (6)；

|y₂-y₀|＝L₂×sinα₂×cosβ₂ (7)；

|x₂-x₀|＝L₂×cosα₂×sinβ₂ (8)。

将点(x₂，y₂，z₂)转化到三坐标坐标系下，得到相对于三坐标系原点的位置坐标(X₂，Y₂，Z₂)：

X₂＝x₂+X₀ (10)；

Y₂＝y₂+Y₀ (11)；

Z₂＝Z₂+Z₀ (12)。

实施例3

当测头系统对实物进行测量时，如图4所示，首先确定测头坐标系的原点坐标B₀(x₀，y₀，z₀)，通过滑块9、滑杆10移动实现X、Y、Z轴的移动、滚珠11带动激光传感器2在圆弧轨道1上运动，使激光传感器2发出的光线到达被测点C，通过计算就可得到C点相对于测头坐标系原点的位置坐标(x₃，y₃，z₃)，同理，移动测头通过计算可以得出被测点D的位置坐标(x₄，y₄，z₄)；位置坐标(x₃，y₃，z₃)和位置坐标(x₄，y₄，z₄)与实施例2的方法相同，对点C、D点位置坐标数据处理就可以得到C、D两点之间的距离。当对某一数据测量完成后，移动测头，重复上述步骤，就能得出被测物的完整信息。

通过以上方式，本发明的非接触式激光测量系统，以光束作为测量手段，测量系统未直接接触被测物，从而消除因接触形变带来的测量误差；在传统的三维直线运动的基础上，通过圆弧轨道、滚珠、连接轴实现测头的二维角度的转动，能对各种柔软材质、易变形工件和异形曲面进行几何测量；测量灵活、测量范围广，能拓展测量功能，提高测量精度。

Claims (3)

1.一种非接触式激光测量系统的测量方法，采用非接触式激光测量系统进行测量，包括测头，所述测头包括圆弧轨道(1)，所述圆弧轨道(1)上活动连接有激光传感器(2)，所述圆弧轨道(1)上同心设置有拾取激光传感器(2)运动角度的感应同步器(3)，所述圆弧轨道(1)连接有连接轴(4)，所述连接轴(4)上设置有编码器(5)；还包括有驱动装置，所述驱动装置包括工作台(6)，所述工作台(6)上平行设置有一对滑轨(7)，还包括有横梁(8)，所述横梁(8)上套接有滑块(9)，所述连接轴(4)一端竖直向下穿过滑块(9)与圆弧轨道(1)连接；所述横梁(8)两端分别垂直连接有滑杆(10)，每个所述滑杆(10)与对应的滑轨(7)活动连接；所述圆弧轨道(1)上设置有能沿其运动的滚珠(11)，所述激光传感器(2)固定在滚珠(11)上，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定测头的坐标系原点位置和初始位置，所述测头的坐标系原点为圆弧轨道(1)的圆心(x₀，y₀，z₀)；

步骤2、通过驱动装置调节测头在X、Y、Z三个方向上的位置，使所述激光传感器(2)的光束到达被测点；

步骤3、若被测范围内为不规则平面，通过所述感应同步器(3)获取激光传感器(2)的转动角度α₁，通过所述激光传感器(2)测量得到测头的坐标系原点距离被测点的垂直距离L，通过下式得到被测点位置坐标(x₁，y₁，z₁)：

L₁＝L×secα₁ (1)；

x₀＝x₁ (2)；

|z₁-z₀|＝L₁×cosα₁ (3)；

|y₁-y₀|＝L₁×sinα₁ (4)；

上式中，L₁表示转动激光传感器α₁角度时激光到平面的距离；

若被测范围内为任意平面，通过感应同步器(3)获取激光传感器(2)在圆弧轨道(1)上的转动角度α₂，通过旋转编码器(5)获取圆弧轨道(1)的旋转角度β₂，通过所述激光传感器(2)测量得到测头的坐标系原点距离被测点的垂直距离L，则下式得到被测点位置坐标(x₂，y₂，z₂)：

L₂＝L×secα₂ (5)；

|z₂-z₀|＝L₂×cosα₂ (6)；

|y₂-y₀|＝L₂×sinα₂×cosβ₂ (7)；

|x₂-x₀|＝L₂×cosα₂×sinβ₂ (8)；

上式中，L₂表示转动激光传感器α₂角度时激光到平面的距离；

步骤4、将步骤3得到的被测点位置坐标转化为相对于三坐标系原点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式激光测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤2为：若被测范围内为不规则平面，驱动激光传感器(2)在圆弧轨道(1)上运动，使所述激光传感器(2)的光束到达被测点。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式激光测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤2为：若被测范围内为任意平面，在被测范围内，驱动连接轴(4)转动圆弧轨道(1)，同时驱动激光传感器(2)在圆弧轨道(1)上运动，使所述激光传感器(2)的光束到达被测点。

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