CN111077115A - 一种用于逆反射测量的精密角度调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于逆反射测量的精密角度调节装置。其主要特征是，在XYZ三个方向上由伺服/步进电机驱动，每个轴有光栅尺/磁栅尺可以记录所在的位置，整个XYZ运动空间可以绕旋转轴A旋转运动轴B进行旋转。将运动平台调平并回机械零位，把逆反射体，即标志板、标线板、突起路标放置于X直线运动平台上，尽可能将逆反射体的几何中心置于Z直线运动平台的中心线上，测量逆反射体几何中心到X直线运动平台的垂直距离并记录。其优点是，实现样品全入射角逆反射系数自动测量，利用自动化控制技术，实现了逆反射样品被测表面参考中心的精准定位，从而提高逆反射系数的测量准确度，测试效率得到明显提升，将有利于推进逆反射系数特性研究的发展。

Description

一种用于逆反射测量的精密角度调节装置

技术领域

本发明涉及一种角度调节装置，特别是一种用于逆反射测量的精密角度调节装置。

背景技术

逆反射系数测量装置早在20世纪80年代就已经在市场上使用，近年来，欧盟国家提出最小逆反射系数，发达国家已经制定了相对完善的逆反射系数相关的标准并研发了相关装置，形成了EN12899“固定垂直位置的交通标志”和EN471“专业的高清晰度警示材料-测试方法和需求”等标准用于检测道路工作者所使用的最小逆反射系数，其中德国、瑞士等公司研发了逆反射测量装置及逆反射测量仪等相关仪器设备。美国于2003年通过了《交通控制设施设置手册》（MUTCD）进行修订，2007年MUTCD进行修订，提出了保证交通标志最低逆反射系数值的养护方法，并制定了ASTM E 808-2001等一系列相关标准。

2011年中国计量科学研究院研制成材料逆反射测量装置，测量结果不确定度达3.6%（k=2），但该装置只能实现立面标志等垂直放置逆反射体的测量，对于标线等平面测量的逆反射体无能为力。杭州远方科技集团公司在借鉴国内外相关产品的基础上，为一些机构定制逆反射测量装置，但量值不稳定，准确度不高且仅能用于立面逆反射体的测量。

交通运输部公路科学所的苏文英、朱传征等同志在标志、标线的逆反射系数测量方面做了大量的研究工作，积累了宝贵的经验。2011年，交通运输部公路科学研究所选择德国OPTRONIK公司生产的SMS10C型逆反射测量系统成功地建立了逆反射系数测量标准装置，但该装置在平面反射体测量方面仍存在数据不稳定的问题，且维护成本极其昂贵。

目前国内相关行业，通过不同的方式建立了测量逆反射体逆反射系数的装置，但仪器的稳定性和测量准确度参差不齐。这些因素导致生产企业对产品的性能评价和测量准确度无法进行有效控制，用户也缺少对逆反射体性能指标进行有效评测的手段。

近年来，国内基础加工制造领域有了很大进步，高精密运动控制系统已经出现，为多空间分布式逆反射系数测量标准装置的研制提供了强力的支撑。

现有的逆反射装置是将逆反射标准器放置于转台上，靠控制转台转轴的转动提供观测角度，这与规程中规定的以逆反射标体的中心为旋转点的要求并不完全一致，测量时机械结构围绕着机械轴心旋转，导致样品只能在一个角度处于参考中心，角度变换时样品中心就偏离了原有的中心位置，严重的影响测量结果。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足，提供一种用于逆反射测量的精密角度调节装置。

利用计算机、电子、传感器技术，开发的一种集成了自动调整姿态定位旋转中心、自动存储、自动温度修正功能的数字化测量系统。XYZ轴向运动由伺服/步进电机精密控制，两个旋转轴由带反馈的角编码器系统控制，内置的机械调整控制方案可以实现在三维空间内围绕特定的点旋转。不仅逆反射被测表面可以准确围绕参考中心转动而且可以实现样品全入射角逆反射系数自动测量。

本发明的目的是这样实现的，包括控制程序，N个模块，其特征是，模块与模块连接，启动软件程序，进入界面；软件界面包含参数设置模块、测量设置模块、零位设置模块，先点击参数设置模块，在参数设置模块中设置每个轴的运动速度和逆反射样品参考中心的位置，再点击零位设置模块，在零位设置模块中设置好系统零位。再点击测量设置模块，模块二中有测量模式一模块和测量模式二模块，其中测量模式一模块即围绕轴A旋转测量，即可设置入射角变化的组数和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数；测量模式二模块是围绕逆反射体几何中心所在的平面的参考中心进行测量。模式一启动测量模块是测量测量模式一模块界面内的测量开关，点击模式一启动测量模块可直接将参数设置模块和零位设置模块中设置的参数配置激活，并按照测量模式一模块设置入射角变化的组数和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数进行旋转。测量程序模块是测量模式一模块中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块是测量程序执行情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入参数设置测量结束模块，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入测量结束模块，结束测量。模式二启动测量模块是测量模式二模块界面内的测量开关，点击模式二启动测量模块可直接将参数设置模块和零位设置模块中设置的参数配置激活，并按照测量模式二模块设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，驱动各机械结构按照设定的入射角组数围绕样品中心进行旋转。测量程序模块是测量模式二模块中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块是测量程序执行的情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入测量结束模块，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入测量结束模块，结束测量。

工作原理：

该装置可在XYZ三个方向上由伺服/步进电机驱动，每个轴有光栅尺/磁栅尺可以记录所在的位置，整个XYZ运动空间可以绕旋转轴A旋转运动轴B进行旋转。将运动平台调平并回机械零位，把逆反射体，即标志板、标线板、突起路标放置于X直线运动平台上，尽可能将逆反射体的几何中心置于Z直线运动平台的中心线上，测量逆反射体几何中心到X直线运动平台的垂直距离并记录。

软件系统中存在两种测量模式：模式一是围绕旋转轴进行旋转测量；模式二是围绕逆反射样品被测表面几何中心进行旋转测量。其中模式一由电机直接驱动绕旋转运动轴A进行高精度旋转，模式二根据特定点的位置计算出XYZ运动坐标，保证逆反射体围绕着特定点进行旋转。模式二提供的运动方式可以保证逆反射体测量过程中围绕逆反射体中心进行旋转，减小测量的重复性误差，省去了传统测量过程中每次调整角度需要重新对中的问题。输出端与接口连接。

本发明的有益效果

利用计算机、电子、传感器技术开发的一种集成自动调整姿态定位旋转中心、自动存储、自动温度修正功能的数字化测量系统。XYZ轴向运动由伺服/步进电机精密控制，两个旋转轴由带反馈的角编码器系统控制，内置的机械调整控制方案可以实现在三维空间内围绕特定的点旋转。逆反射被测表面可以准确围绕参考中心转动，并可以实现样品全入射角逆反射系数自动测量，实现了利用自动化控制技术，实现了逆反射样品被测表面参考中心的精准定位，从而提高逆反射系数的测量准确度，测试效率得到明显提升，将有利于推进逆反射系数特性研究的大力发展。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的硬件连接图

图3是本发明逆反射系数测量原理

图4是本发明参考中心与角度调节机构关系示意图

图5是本发明入射角变化时X轴Y轴移动量值图

图6是逆反射测量的精密角度控制装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明

由图1可知，参数设置模块1：具有参数设功能，用来设置每个轴的运动速度、逆反射样品参考中心的位置；测量设置模块2是提供测量模式一模块4和测量模式二模块5的测量模式。零位设置模块3：具有零位设置的功能，可将运动平台调平并运动到机械零位，可实现对测量位置的存储；测量模式一模块4：是测量模式1即围绕轴A旋转测量；可设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数；测量模式二模块5是测量模式2即围绕逆反射体几何中心所在的平面的参考中心进行测量。根据参数设置模块1中输入的参考中心位置和零位设置模块3中的机械零位。可设定入射角的组数和测量的时间间隔，实现逆反射被测表面围绕着参考中心调整入射角。模式一启动测量模块6是测量模式一模块4中的开始测量开关，参数设置模块1中参数设置完成，零位设置模块3中零位设置完成，测量模式一模块4中的入射角组数和测量时间间隔设置完成后，点击模式一启动测量模块6启动测量程序。模式二启动测量模块7是测量模式二模块5中的开始测量开关，测量设置模块2中参数设置完成，零位设置模块3中零位设置完成，测量模式二模块5中的入射角组数和测量时间间隔设置完成后，点击模式一启动测量模块6启动测量程序。测量程序模块8是测量模式一模块4中测量模式1的程序执行过程；测量程序模块9是测量模式二模块5中测量模式2的程序执行过程；参数设置测量程序执行检查模块10是测量程序执行的情况的检查与反馈；参数设置测量结束模块11是测量程序完成。

双击软件图标，打开软件，进入界面；软件界面包含参数设置模块1、测量设置模块2、零位设置模块3，先点击参数设置模块1在参数设置模块1中设置每个轴的运动速度和逆反射样品参考中心的位置，再点击零位设置模块3在零位设置模块3中设置好系统零位。再点击测量设置模块2，模块二中有测量模式一模块4和测量模式二模块5其中测量模式一模块4是测量模式1即围绕轴A旋转测量，即可设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数；测量模式二模块5是测量模式2即围绕逆反射体几何中心所在的平面的参考中心进行测量。模式一启动测量模块6是测量测量模式一模块4界面面内的测量开关，点击模式一启动测量模块6可直接将参数设置模块1和零位设置模块3中设置的参数配置激活，并按照测量模式一模块4设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数进行旋转。测量程序模块8是测量模式一模块4中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块10是测量程序执行的情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入参数设置测量结束模块11，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入参数设置测量结束模块11，结束测量。模式二启动测量模块7是测量测量模式二模块5界面面内的测量开关，点击模式二启动测量模块7可直接将参数设置模块1和零位设置模块3中设置的参数配置激活，并按照测量模式二模块5设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，驱动各机械结构按照设定的入射角组数围绕样品中心进行旋转。测量程序模块9是测量模式二模块5中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块10是测量程序执行的情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入参数设置测量结束模块11，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入参数设置测量结束模块11，结束测量。

由图2可知，中央处理器分别与存储模块、传输模块、接口模块、电源连接。电源为中央处理器和接口模块提供电能，接口模块用来实现与X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B的连接，实现通讯功能，并与显示屏连接进行显示，传输模块与控制系统连接，用来实现控制系统与中央处理器的通讯，将软件程序中配置的移动速度、参考中心参数、机械零位、开始测量等指令通过传输模块送到中央处理器，中央处理器将控制系统发送的指令通过接口模块分别传送到X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B、显示屏上，并将X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B的运动信息通过通讯模块反馈给中央处理器，再通过传输模块反馈给控制系统，通过接口模块同时在显示屏上显示各运动机构的位置。

由图3可知：逆反射测量原理

图中所示1、样品参考中心，2、参考轴，3、光接收器，4、标准A光源。

行业标准JT/T688-2007中将逆反射定义为：反射光从接近入射光的反方向返回的一种反射，当入射光方向在较大范围变化时仍能保持这种性质。逆反射测量装置是依据逆反射定义，直接测量逆反射样品逆反射性能的系统。逆反射测量装置利用标准A光源4模拟夜间机动车前照灯的照射，以微光照度计等感光器件模拟视觉系统，逆反射样品放置于距离光源15m-30m距离处，通过变换逆反射样品的位置改变入射角β，通过调整微光照度计等感光器件位置调整观测角α对逆反射材料（设施）的逆反射性能指标进行测量。入射角β是指照明轴与参考轴2之间的夹角，由标准A光源、逆反射样品参考中心1之间的位置决定；观测角是指照明轴与观测轴之间的夹角，是由标准A光源4、光接收器3和逆反射样品参考中心1三者之间的几何位置决定。

由图4、图5可知逆反射系数测量的精密角度调节算法分析：

逆反射系数测量装置角度调节算法分析

多维运动平台可直接实现以旋转轴A和旋转轴B的中心线为旋转中心进行调节，但样品的参考中心与轴A和轴B的旋转中并不重合，结合实际测量过程中逆反射样品测量经验，探究多维运动平台与逆反射样品参考中心的通用集合关系。

由图4可知，将逆反射样品垂直放置于样品平台1上，逆反射样品2被测表面与过轴A中心线且垂直于平台表面的面重合，逆反射样品被测面的几何中心为参考中心M，过M且垂直于轴A中心线的剖面图，其中O为轴A中心线上一点，OPMQ在一条直线上，P为逆反射体样品与样品平台接触点。调整平台位置，使光源中心与被测样品中心重合，此时照明轴与垂直于样品表面的参考轴重合，入射角为0。以O为圆心，OPMQ为Y轴，OX为X轴，建立直角坐标系，其中OM=R，OP为轴A的中心线到平台表面的距离r，即OP=r，PM为逆反射样品2测试面参考中心距离平台表面的垂直距离d，即PM=d，R=OM=OP+PM=r+d，逆反射样品2被测面参考中心坐标为M(0,R)。

依据GB/T18833-2012中规定各类反光膜的入射角定义，调整入射角时，应以M为转动中心，将逆反射样品调整一定的角度β，即将图中PMQ以M为圆心旋转至P”MQ”的位置，此时∠PMP”=β。而机械平台旋转时，只能以轴A的中心线为轴心进行转动，即旋转至OP’M’，此时∠MOM’=β。此时逆反射体的几何中心由M转移到M’的位置，照明轴落在逆反射体被测面几何中心的上方，此时M’坐标为（Rsinβ,Rcosβ）。将平台沿X轴负方向运动Rsinβ，沿Y轴正方向运动R（1-cosβ），逆反射样品参考中心由M’位置移动到M位置。

由图5可知，当R=1，β∈（-90°,90°），当β∈（-90°，90°）内任意角度时，为实现逆反射样品围绕参考中心旋转β角，X轴Y轴需要对应调整的距离和方向。

由图6可知，1、X直线运动平台；2、Y直线运动平台；3、支架；4、旋转运动轴A；5、Z直线运动平台；6、旋转运动轴B；7、光栅尺/磁栅尺；8、伺服/步进电机。

其中X直线运动平台1、Y直线运动平台2、Z直线运动平台5负责在三维空间内调整被测逆反射体的中心位置，旋转运动轴A 4、旋转运动轴B 6可以调整样品所在三维空间的位置。1 X直线运动平台1、Y直线运动平台2、Z直线运动平台5、由伺服电机进行驱动和控制，配合光栅尺作为运动直线距离的测量和反馈装置，旋转运动轴A 4、旋转运动轴B6由伺服电机进行控制由高精度编码器进行定位和计算旋转角度。

Claims (5)

1.一种用于逆反射测量的精密角度调节装置，包括控制程序，N个模块，其特征是，模块与模块连接，启动软件程序，进入界面；软件界面包含参数设置模块、测量设置模块、零位设置模块，先点击参数设置模块，在参数设置模块中设置每个轴的运动速度和逆反射样品参考中心的位置，再点击零位设置模块，在零位设置模块中设置好系统零位。再点击测量设置模块，模块二中有测量模式一模块和测量模式二模块，其中测量模式一模块即围绕轴A旋转测量，即可设置入射角变化的组数和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数；测量模式二模块是围绕逆反射体几何中心所在的平面的参考中心进行测量。模式一启动测量模块是测量测量模式一模块界面内的测量开关，点击模式一启动测量模块可直接将参数设置模块和零位设置模块中设置的参数配置激活，并按照测量模式一模块设置入射角变化的组数和测量时间间隔，由电机直接驱动绕轴A依次旋转至设定的入射角组数进行旋转。测量程序模块是测量模式一模块中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块是测量程序执行情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入参数设置测量结束模块，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入测量结束模块，结束测量。模式二启动测量模块是测量模式二模块界面内的测量开关，点击模式二启动测量模块可直接将参数设置模块和零位设置模块中设置的参数配置激活，并按照测量模式二模块设置入射角变化的组数，和测量时间间隔，驱动各机械结构按照设定的入射角组数围绕样品中心进行旋转。测量程序模块是测量模式二模块中的测量程序执行情况显示，参数设置测量程序执行检查模块是测量程序执行的情况的检查与反馈，若反馈为Y则程序执行完毕，进入测量结束模块，即测量完成；若反馈为N则继续执行程序直至反馈为Y，然后进入测量结束模块，结束测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于逆反射测量的精密角度调节装置，其特征是，中央处理器分别与存储模块、传输模块、接口模块、电源连接。电源为中央处理器和接口模块提供电能，接口模块用来实现与X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B的连接，实现通讯功能，并与显示屏连接进行显示，传输模块与控制系统连接，用来实现控制系统与中央处理器的通讯，将软件程序中配置的移动速度、参考中心参数、机械零位、开始测量等指令通过传输模块送到中央处理器，中央处理器将控制系统发送的指令通过接口模块分别传送到X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B、显示屏上，并将X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B的运动信息通过通讯模块反馈给中央处理器，再通过传输模块反馈给控制系统，通过接口模块同时在显示屏上显示各运动机构的位置。

3.根据权利要求1所述的一种用于逆反射测量的精密角度调节装置，其特征是，将逆反射样品垂直放置于样品平台1上，逆反射样品2被测表面与过轴A中心线且垂直于平台表面的面重合，逆反射样品被测面的几何中心为参考中心M，过M且垂直于轴A中心线的剖面图，其中O为轴A中心线上一点，OPMQ在一条直线上，P为逆反射体样品与样品平台接触点，调整平台位置，使光源中心与被测样品中心重合，此时照明轴与垂直于样品表面的参考轴重合，入射角为0，以O为圆心，OPMQ为Y轴，OX为X轴，建立直角坐标系，其中OM=R，OP为轴A的中心线到平台表面的距离r，即OP=r，PM为逆反射样品2测试面参考中心距离平台表面的垂直距离d，即PM=d，R=OM=OP+PM=r+d，逆反射样品2被测面参考中心坐标为M(0,R)；

依据GB/T18833-2012中规定各类反光膜的入射角定义，调整入射角时，应以M为转动中心，将逆反射样品调整一定的角度β，即将图中PMQ以M为圆心旋转至P”MQ”的位置，此时∠PMP”=β，而机械平台旋转时，只能以轴A的中心线为轴心进行转动，即旋转至OP’M’，此时∠MOM’=β，此时逆反射体的几何中心由M转移到M’的位置，照明轴落在逆反射体被测面几何中心的上方，此时M’坐标为（Rsinβ,Rcosβ）；将平台沿X轴负方向运动Rsinβ，沿Y轴正方向运动R（1-cosβ），逆反射样品参考中心由M’位置移动到M位置。

4.根据权利要求1所述的一种用于逆反射测量的精密角度调节装置，其特征是，当R=1，β∈（-90°,90°），当β∈（-90°，90°）内任意角度时，为实现逆反射样品围绕参考中心旋转β角，X轴Y轴需要对应调整的距离和方向。

5.根据权利要求1所述的一种用于逆反射测量的精密角度调节装置，其特征是，X直线运动平台、Y直线运动平台、Z直线运动平台负责在三维空间内调整被测逆反射体的中心位置，旋转运动轴（A4）、旋转运动轴(B6)可以调整样品所在三维空间的位置, X直线运动平台、Y直线运动平台、Z直线运动平台、由伺服电机进行驱动和控制，配合光栅尺作为运动直线距离的测量和反馈装置，旋转运动轴A 4、旋转运动轴B6由伺服电机进行控制由高精度编码器进行定位和计算旋转角度。

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