CN112082514B - 便携式角度测量仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式角度测量仪及其应用,包括固定安装在同一壳体内的惯性导航系统和小角度测量系统,两者相对位置不变;小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;惯性导航系统结果输出时以大地坐标系为基准,小角度测量系统结果输出时以角度测量坐标系为基准,借助三维转台将大地坐标系和角度测量坐标系分别和设备坐标系建立转换关系,继而构建出大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系;实时将角度测量结果转换到大地坐标系下。该设备能用于检测大尺寸设备安装部件的角度变化,只需一人即能完成测试,单点测试仅需1min,能大幅度提升检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及角度测量领域,具体涉及一种便携式角度测量仪及其使用方法。
背景技术
在精密加工、制造领域,将零部件装配在设备工件本体之后,对装配零件安装位置、角度的测量是设备质检过程中的必不可少的步骤,通常,装配零件的轴线与整体结构的轴线需要保持一致,两者之间水平角、垂直角需要满足公差要求;同时,由于设备在使用中存在损耗,在其后期维护中,零部件与设备本体之间的角度信息也是十分关键的数据。现有技术中存在大量角度测量仪器,但是对于大型设备,譬如飞机、高铁、船只因为本体尺寸大和部件之间的相对角度也较大,在进行安装部件的角度测量时并不适用。现阶段对于大尺寸物体局部部件角度偏移检测通常采用以下方法:选用两个激光器,一个固定在基准位置,另一固定在零部件上,两者同时向相同方向发射光线,照射在平面靶上,调整平面靶的位置,将基准位置处固定的激光器所发射的激光位于平面靶的中心,测试另一激光点的位置;再将平面靶沿着激光方向移动一定距离,再次获取平面靶上的激光点的坐标信息,经计算可获知零部件相对于基准位置的角度偏差。此方法单点测试耗时需要30min以上,同时需要测试现场满足十几米以上的作业空间,且需多人协助共同完成,操作复杂,效率低,环境要求高。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种便携式角度测量仪及其使用方法,其能用于检测大尺寸设备安装部件的角度变化,只需一人即能完成测试,单点测试仅需1min,能大幅度提升检测效率。
为此,本发明的技术方案如下:
一种便携式角度测量仪,其包括固定安装在同一壳体内的惯性导航系统和小角度测量系统,两者相对位置不变;所述小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;激光器发出的为准直光源;
所述惯性导航系统结果输出时以大地坐标系为基准,所述小角度测量系统结果输出时以角度测量坐标系为基准,所述大地坐标系和角度测量坐标系分别和设备坐标系建立转换关系,继而构建出大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系;因此可实时将角度测量结果转换到大地坐标系下,以此来实现任意位置的角度测量需求,从而可满足大空间全角度范围的高精度测量;
所述大地坐标系和角度测量坐标系分别与设备坐标系建立转换关系的方法为:将所述便携式角度测量仪固定安装在三维转台上,构建设备坐标系;将三维转台坐标系和设备坐标系统一为同一坐标系;旋转三维转台,在不同位置记录惯性导航系统在大地坐标系下的读数,获取大地坐标系和设备坐标系之间的转换关系;将所述三维转台调整到0°,所述小角度测量系统中的激光器发射激光,调整反光镜的位置,令反射回去的激光在相机或PSD位置传感器的中心位置成像,此位置记为角度测量坐标系的0°;在反光镜返回的激光能在相机成像或PSD位置传感器成像的基础上多次旋转三维转台,利用相机分别采集激光在反光镜反射回的成像点图像,获取小角度测量坐标系和设备坐标系之间的转换关系。
进一步,还包括安装在待测物的待测部件上的反光镜I,所述反光镜I通过机械结构保证其与待测轴线垂直;所述惯性导航系统用于确定便携式角度测量仪相对于待测部件上各待测点之间的绝对偏转位置,所述小角度测量系统用于借助反光镜I检测具体待测物上各待测点轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。更进一步,所述小角度测量系统还包括反光镜组;所述反光镜组包括两块半透半反射镜;所述激光器投射出的激光经所述两块半透半反射镜反射后从垂直于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的角度射出,且出射位置对应于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的中心位置;射出的激光经反光镜I反射后,在相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面成像,基于成像位置与中心位置的偏移量能获知所述反光镜I的相对于相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面的夹角,再结合反光镜I与待测物的安装关系获取待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
更进一步,所述小角度测量系统包括反光镜组和二维角度转台;所述反光镜组包括两块半透半反射镜和一块反射镜II;所述激光器设置于二维角度转台上,用于调整激光的出射角度;所述激光器发射出的激光一半经第一块半透半反射镜反射后打在反射镜II上,另一半透过第一块半透半反射镜射出所述小角度测量系统;所述小角度测量系统的出射光经所述反光镜I反射后再次进入所述小角度测量系统,经第一块半透半反射镜、第二块半透半反射镜连续反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线I;所述反射镜II反射回的光经第二块半透半反射镜反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线II;二维角度转台旋转能调整所述光路I和光路II最终成像点的位置,两者位置重合时,激光器出射光线与反光镜I垂直;此时二维角度转台显示的角度即为待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
一种便携式角度测量仪的使用方法,该便携式角度测量仪包括安装在待测物的待测部件上的反光镜I、固定安装在同一壳体内且相对位置保持不变的惯性导航系统和小角度测量系统;
所述反光镜I通过机械结构保证其与待测部件的轴线垂直;
所述小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;
将所述便携式角度测量仪移动至测试位置,所述惯性导航系统输出测试位置大地坐标系下便携式角度测量仪的向量;所述小角度测量系统的激光器发射激光投射至反光镜I,得到角度测量坐标系下便携式角度测量仪与待测轴线的夹角;基于大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系,实时将角度测量结果转换到大地坐标系下,继而得到各待测点轴线之间的夹角。
进一步,所述大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系通过以下方法获得:将所述便携式角度测量仪固定安装在三维转台上,构建设备坐标系;将三维转台坐标系和设备坐标系统一为同一坐标系;旋转三维转台,在不同位置记录惯性导航系统在大地坐标系下的读数,获取大地坐标系和设备坐标系之间的转换关系;将所述三维转台调整到0°,所述小角度测量系统中的激光器发射激光,调整反光镜的位置,令反射回去的激光在相机或PSD位置传感器的中心位置成像,此位置记为角度测量坐标系的0°;在反光镜返回的激光能在相机成像或PSD位置传感器成像的基础上多次旋转三维转台,利用相机分别采集激光在反光镜反射回的成像点图像,获取小角度测量坐标系和设备坐标系之间的转换关系。
该便携式角度测量仪能用于检测大尺寸设备安装部件的角度变化,只需一人即能完成测试,单点测试仅需1min,能大幅度提升检测效率。其测试过程中借助惯性导航系统定位单次测试测量位置在大地坐标系下的位置,再依托小角度测量系统测试角度测量坐标系下待测部件与待测物的夹角,统一在大地坐标系下,即能反应出大地坐标系下待测部件与待测物夹角。解决了小角度测量系统不能适用于大尺寸设备,如飞机、轮船等设备的问题。测试过程简单,一人即能完成操作,方便快捷。
附图说明
图1为本发明提供便携式角度测量仪内的小角度测量系统的的工作原理示意图;
图2为本发明提供便携式角度测量仪内的另一种小角度测量系统的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
一种便携式角度测量仪,其包括固定安装在同一壳体内的惯性导航系统和小角度测量系统,两者相对位置不变;小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;激光器发出的为准直光源;
惯性导航系统结果输出时以大地坐标系为基准,小角度测量系统结果输出时以角度测量坐标系为基准,大地坐标系和角度测量坐标系分别和设备坐标系建立转换关系,继而构建出大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系;因此可实时将角度测量结果转换到大地坐标系下,以此来实现任意位置的角度测量需求,从而可满足大空间全角度范围的高精度测量;
大地坐标系和角度测量坐标系分别与设备坐标系建立转换关系的方法为:将便携式角度测量仪固定安装在三维转台上,构建设备坐标系;将三维转台坐标系和设备坐标系统一为同一坐标系;旋转三维转台,在不同位置记录惯性导航系统在大地坐标系下的读数,获取大地坐标系和设备坐标系之间的转换关系;将三维转台调整到0°,小角度测量系统中的激光器发射激光,调整反光镜的位置,令反射回去的激光在相机或PSD位置传感器的中心位置成像,此位置记为角度测量坐标系的0°;在反光镜返回的激光能在相机成像或PSD位置传感器成像的基础上多次旋转三维转台,利用相机分别采集激光在反光镜反射回的成像点图像,获取小角度测量坐标系和设备坐标系之间的转换关系。
为了保证设备的正常使用,待测物的待测部件上的反光镜I,反光镜I通过机械结构保证其与待测轴线垂直;惯性导航系统用于确定便携式角度测量仪相对于待测部件上各待测点之间的绝对偏转位置,小角度测量系统用于借助反光镜I检测具体位置待测物上各待测点轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
使用时,将上述便携式角度测量仪移动至测试位置,惯性导航系统输出测试位置大地坐标系下便携式角度测量仪的向量;小角度测量系统的激光器发射激光投射至反光镜I,得到角度测量坐标系下便携式角度测量仪与待测轴线的夹角;基于大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系,实时将角度测量结果转换到大地坐标系下,继而得到各待测点轴线之间的夹角。
该便携式角度测量仪可以选用商业化的小角度测量系统,也可以依照使用情况自己搭建小角度测量系统,如图1所示,小角度测量系统除了包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器外,还包括反光镜组;反光镜组包括两块半透半反射镜;激光器投射出的激光经两块半透半反射镜反射后从垂直于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的角度射出,且出射位置对应于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的中心位置;射出的激光经反光镜I反射后,在相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面成像,基于成像位置与中心位置的偏移量能获知反光镜I的相对于相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面的夹角,再结合反光镜I与待测物的安装关系获取待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
或者,如图2所示,小角度测量系统除了包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器外,还包括反光镜组和二维角度转台;反光镜组包括两块半透半反射镜和一块反射镜II;激光器设置于二维角度转台上,用于调整激光的出射角度;激光器发射出的激光一半经第一块半透半反射镜反射后打在反射镜II上,另一半透过第一块半透半反射镜射出小角度测量系统;小角度测量系统的出射光经反光镜I反射后再次进入小角度测量系统,经第一块半透半反射镜、第二块半透半反射镜连续反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线I;反射镜II反射回的光经第二块半透半反射镜反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线II;二维角度转台旋转能调整光路I和光路II最终成像点的位置,两者位置重合时,激光器出射光线与反光镜I垂直;此时二维角度转台显示的角度即为待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的,也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式,显然,根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (6)
1.一种便携式角度测量仪,其特征在于:包括固定安装在同一壳体内的惯性导航系统和小角度测量系统,两者相对位置不变;所述小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;
所述惯性导航系统结果输出时以大地坐标系为基准,所述小角度测量系统结果输出时以角度测量坐标系为基准,所述大地坐标系和角度测量坐标系分别和设备坐标系建立转换关系,继而构建出大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系,能实时将角度测量结果转换到大地坐标系下;
所述大地坐标系和角度测量坐标系分别与设备坐标系建立转换关系的方法为:将所述便携式角度测量仪固定安装在三维转台上,构建设备坐标系;将三维转台坐标系和设备坐标系统一为同一坐标系;旋转三维转台,在不同位置记录惯性导航系统在大地坐标系下的读数,获取大地坐标系和设备坐标系之间的转换关系;将所述三维转台调整到0°,所述小角度测量系统中的激光器发射激光,调整反光镜的位置,令反射回去的激光在相机或PSD位置传感器的中心位置成像,此位置记为角度测量坐标系的0°;在反光镜返回的激光能在相机成像或PSD位置传感器成像的基础上多次旋转三维转台,利用相机分别采集激光在反光镜反射回的成像点图像,获取角度测量坐标系和设备坐标系之间的转换关系。
2.如权利要求1所述便携式角度测量仪,其特征在于:还包括安装在待测物的待测部件上的反光镜I,所述反光镜I通过机械结构保证其与待测轴线垂直;所述惯性导航系统用于确定便携式角度测量仪相对于待测部件上各待测点之间的绝对偏转位置,所述小角度测量系统用于借助反光镜I检测具体待测物上各待测点轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
3.如权利要求2所述便携式角度测量仪,其特征在于:所述小角度测量系统还包括反光镜组;所述反光镜组包括两块半透半反射镜;所述激光器投射出的激光经所述两块半透半反射镜反射后从垂直于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的角度射出,且出射位置对应于相机成像平面或PSD位置传感器感光平面的中心位置;射出的激光经反光镜I反射后,在相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面成像,基于成像位置与中心位置的偏移量能获知所述反光镜I相对于相机的成像平面或PSD位置传感器的感光平面的夹角,再结合反光镜I与待测物的安装关系获取待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
4.如权利要求2所述便携式角度测量仪,其特征在于:所述小角度测量系统包括反光镜组和二维角度转台;所述反光镜组包括两块半透半反射镜和一块反光镜II;所述激光器设置于二维角度转台上,用于调整激光的出射角度;所述激光器发射出的激光一半经第一块半透半反射镜反射后打在反光镜II上,另一半透过第一块半透半反射镜射出所述小角度测量系统;所述小角度测量系统的出射光经所述反光镜I反射后再次进入所述小角度测量系统,经第一块半透半反射镜、第二块半透半反射镜连续反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线I;所述反光镜II反射回的光经第二块半透半反射镜反射后进入相机或PSD位置传感器成像,此路光线标记为光线II;二维角度转台旋转能调整所述光路I和光路II最终成像点的位置,两者位置重合时,激光器出射光线与反光镜I垂直;此时二维角度转台显示的角度即为待测轴线与便携式角度测量仪之间的夹角。
5.一种便携式角度测量仪的使用方法,其特征在于:该便携式角度测量仪包括安装在待测物的待测部件上的反光镜I、固定安装在同一壳体内且相对位置保持不变的惯性导航系统和小角度测量系统;
所述反光镜I通过机械结构保证其与待测部件的轴线垂直;
所述小角度测量系统包括激光器和相机或者激光器和PSD位置传感器;
将所述便携式角度测量仪移动至测试位置,所述惯性导航系统输出测试位置大地坐标系下便携式角度测量仪的向量;所述小角度测量系统的激光器发射激光投射至反光镜I,得到角度测量坐标系下便携式角度测量仪与待测轴线的夹角;基于大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系,实时将角度测量结果转换到大地坐标系下,继而得到各待测点轴线之间的夹角。
6.如权利要求5所述使用方法,其特征在于:所述大地坐标系和角度测量坐标系之间的转换关系通过以下方法获得:将所述便携式角度测量仪固定安装在三维转台上,构建设备坐标系;将三维转台坐标系和设备坐标系统一为同一坐标系;旋转三维转台,在不同位置记录惯性导航系统在大地坐标系下的读数,获取大地坐标系和设备坐标系之间的转换关系;将所述三维转台调整到0°,所述小角度测量系统中的激光器发射激光,调整反光镜I的位置,令反射回去的激光在相机或PSD位置传感器的中心位置成像,此位置记为角度测量坐标系的0°;在反光镜I返回的激光能在相机成像或PSD位置传感器成像的基础上多次旋转三维转台,利用相机分别采集激光在反光镜I反射回的成像点图像,获取角度测量坐标系和设备坐标系之间的转换关系。
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