CN112902880A - 一种平面构件平行度的测量方法和装置 - Google Patents

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张俊涛
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Abstract

一种平面构件平行度的测量方法和装置，包括运动系统、测量系统、控制系统、数据处理系统，测量系统安装在运动系统上，控制系统控制运动系统带动测量系统进行运动，数据处理系统实时收集测量系统测量的数据并进行数据处理。本发明主要结合平面构件厚度和平面度的测量方法，对平面构件两平面的平行度进行测量。该方法利用精密激光位移传感器获取工件厚度数据，利用平面度仪或精密激光位移传感器获取工件平面度数据，再对两组数据进行叠加，计算工件平行度。本发明计算精度、测量精度高，能够保证平行度的测量精度；适用范围广，可用于大尺寸透明或非透明平面构件特别是平面薄壁构件平行度测量；测量设备自动化程度高、易操作；测量成本较低，测量效率较高。

Description

一种平面构件平行度的测量方法和装置
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，涉及一种平面构件平行度的测量方法和装置。
背景技术
随着精密加工领域的高速发展，机械产品结构越来越紧凑，对机械零件面形精度、厚度、体积提出了更高的要求。平面构件正在向极薄化、轻量化的趋势发展，其空间利用率较高，在现代工程特别是汽车、精密物理实验、国防工业得到越来越广泛的应用。随着对产品的要求越来越高，对零件的精度，尤其是平面构件的平行度提出了更高的要求。所以如何准确测量平面构件特别是大尺寸平面薄壁构件平行度成为一个亟待解决的关键问题。
目前，平面构件平行度测量方法主要包括接触法测量、非接触法测量。接触法测量主要利用接触探针或千分表结合数据采集仪进行测量，测量工具直接接触工件表面，导致平面薄壁构件变形，测量精度难以达到指标要求。非接触法测量主要是利用干涉法或准直仪法对工件进行平行度测量，测量精度高，但利用干涉法或准直仪法的非接触测量方法测量工件平行度时所需要的直角棱镜或分光棱镜尺寸较小，测量工件的尺寸受到限制。中国专利CN106352842B公开了一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，利用接触法获取工件的表面形貌数据，这种方法直接接触圆形薄壁工件进行测量，会引入工件变形误差，测量精度受限。中国专利CN107677219B公开了一种平面平行度测量装置及测量方法，此发明利用光的反射原理，通过两个自准直平行光管发射的光束经工件两个表面反射成像位置的变化，测量工件两表面的平行度，由于自准直光管尺寸的限制，只适用于小尺寸工件的测量。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种平面构件平行度的测量方法和装置，主要是利用激光位移传感器测量平面薄壁构件的厚度，利用平面度仪或激光位移传感器测量平面薄壁构件的平面度，将测得的工件厚度数据和平面度数据叠加构建出平面薄壁构件上下表面轮廓，利用最小二乘法拟合基准平面，根据测量数据计算平面薄壁构件的平行度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种平面薄壁构件平行度的测量装置，主要包括运动系统、测量系统、控制系统、数据处理系统。所述测量系统安装在运动系统上，控制系统控制运动系统带动测量系统进行运动，数据处理系统实时收集测量系统测量的数据并进行数据处理；
所述运动系统包括基座13、X伺服电机1、Y气浮导轨2、X气浮导轨3、Y气浮导轨滑块4、Y伺服电机5、X气浮导轨滑块6、光栅尺。所述的基座13为平板状底座，两侧设有凸起结构。所述X气浮导轨3安装在基座13两侧的凸起结构上。所述X气浮导轨滑块6安装在X气浮导轨3上。所述Y气浮导轨2两端安装在X气浮导轨滑块6上，通过X气浮导轨滑块6与X气浮导轨3连接。所述Y气浮导轨滑块4安装在Y气浮导轨2上。所述X伺服电机1安装在左侧X气浮导轨3上，带动X气浮导轨滑块6完成X方向的移动。所述Y伺服电机5安装在Y气浮导轨2上，带动Y气浮导轨滑块4完成Y方向的移动。所述光栅尺安装在X气浮导轨3和Y气浮导轨2上，获取激光位移传感器的位置信息，实时反馈给数据处理系统；
所述测量系统包括激光位移传感器保持架7、连接板8、激光位移传感器9、工件测量平台11、直线电机12、编码器载台14、转盘编码器15、直线导轨16。所述激光位移传感器保持架7为U型结构，U型结构中部设有凸起结构安装在Y气浮导轨滑块4上，通过Y气浮导轨滑块4与Y气浮导轨2连接，U型结构两个侧壁竖直放置(在同一垂直面)，位于基座13正上方。所述两个连接板8安装在激光位移传感器保持架7上下两个侧壁的端部，且每个连接板8中部设有中心孔，安装时要求两个连接板8上的中心孔同轴心，中心孔用于安装激光位移传感器9，上下两个激光位移传感器9在竖直方向上同轴心。所述工件测量平台11安装在基座13的前端平面上，工件测量平台11为“回”字型结构与U型结构的激光位移传感器保持架7在空间位置上呈正交关系，所述工件测量平台11上端面设有弧形槽，平面薄壁构件10水平放置于工件测量平台11的弧形槽上，使得位于激光位移传感器保持架7上的两个激光位移传感器9能够对工件的上下两表面进行测量。所述直线导轨16有两个，竖直安装在工件测量平台11两侧内壁上，两个直线导轨16与两个直线电机12连接。所述编码器载台14的两端与直线电机12连接，位于平面薄壁构件10下方(工件测量平台11内部)。所述转盘编码器15安装在编码器载台14上，其中转盘编码器15与平面薄壁构件10同轴放置，两个直线电机12带动编码器载台14上的转盘编码器15在直线导轨16上完成升降运动。
所述控制系统通过控制X伺服电机1、Y伺服电机5、直线电机12、转盘编码器15运动，从而控制激光位移传感器9完成X、Y方向特定轨迹的移动、直线电机12的直线升降运动和编码器15的旋转运动；
所述数据处理系统与激光位移传感器9和光栅尺连接，用于实时获取激光位移传感器9的测量值和位置信息，并进行数据处理。所述数据处理指平面度数据校正、校正平面度数据和厚度数据叠加、基准平面拟合、平行度计算。
一种平面薄壁构件平行度的测量方法，主要结合平面薄壁构件厚度和平面度的测量方法，对平面薄壁构件两平面的平行度进行测量。该方法利用精密激光位移传感器获取工件厚度数据，利用平面度仪或精密激光位移传感器获取工件平面度数据，再对两组数据进行叠加，计算工件的平行度。有以下两种方法：
第一种方法：利用激光位移传感器9同时获取工件厚度和平面度测量数据，具体包括以下步骤：
第一步，用厚度已知的标定量块17对两个同轴的激光位移传感器9进行距离标定。
标定方法为将标定量块17放置于两个同轴的激光位移传感器9之间，两个激光位移传感器9获得对标定量块17的测量值，将上、下两个激光位移传感器9的测量值与标定量块17的厚度值相加得到两个同轴激光位移传感器9之间的距离，从而得到两个激光位移传感器9之间的标定距离D。所述上方激光位移传感器9的读数为上方激光位移传感器9与标定量块17上表面之间的距离d1，下方激光位移传感器9的读数为下方激光位移传感器9与标定量块17下表面之间的距离d2。
第二步，采用平面平晶校正导轨直线度误差。
将平面平晶放置在测量平台11上，设定激光位移传感器9的采样频率和X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度，下激光位移传感器9在X伺服电机1、Y伺服电机5的带动下对平面平晶下表面进行扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描。第一次扫描结束后，转盘编码器15上升带动平面平晶顺时针旋转90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面平晶下表面进行扫描测量，使得下激光位移传感器9对整个平面平晶下表面进行扫描测量，测得平面平晶下表面平面度数据。
所述平晶平面度能达到0.1μm，可视为理想平面，由于X气浮导轨3、Y气浮导轨2存在直线度误差，对平面平晶进行测量时，将反映在所述平晶下表面平面度数据上，从而可将平面平晶作为基准平面，校正测量测量过程中X气浮导轨3、Y气浮导轨2的直线度误差对平面薄壁构件10的平面度产生的影响。
第三步，将平面薄壁构件10放置在两同轴激光位移传感器9之间的测量平台11上，激光位移传感器9的采样频率、X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度和扫描轨迹与步骤二相同，两激光位移传感器9对平面薄壁构件10上、下表面进行第一次扫描测量。转盘编码器15上升带动平面薄壁构件10顺时针转动90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件10进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件10厚度数据和下表面平面度数据。所述厚度数据为同轴激光位移传感器9之间的标定距离D与两激光位移传感器9的读数d1、d2的差，所述下表面平面度数据为下激光位移传感器9与平面薄壁构件10下表面各点之间的距离d2。
第四步，将平面薄壁构件10下表面平面度数据与平晶下表面平面度数据作差，得到校正后平面薄壁构件10下表面平面度数据。
第五步，将平面薄壁构件10厚度数据与下表面校正平面度数据相加，得到平面薄壁构件10上表面平面度数据。至此，得到平面薄壁构件10两表面的形貌信息。
第六步：利用最小二乘法，对平面薄壁构件10下表面平面度的数据进行平面拟合，得到拟合基准平面，则平行于拟合基准平面且包容平面薄壁构件10上表面的两平行平面的距离即为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件10上表面的平面度数据减拟合基准平面平面度数据的最大值与最小值，θ为拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
第二种方法：利用激光位移传感器9获取工件厚度测量数据，采用平面度仪获取工件平面度测量数据，具体包括以下步骤：
第一步，在平面薄壁构件10的下表面边缘做两个夹角为90°的标记，此标记高度约为1-2μm，在对平面薄壁构件10进行测量时，所述标记处的厚度测量数据和平面度测量数据会发生突变。
第二步，用厚度已知的标定量块17对两个同轴的激光位移传感器9进行距离标定。
第三步，将做好标记的平面薄壁构件10放置在两同轴激光位移传感器9之间的测量平台11上，设定激光位移传感器9的采样频率、X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度，激光位移传感器9对平面薄壁构件10上、下表面进行第一次扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描。转盘编码器15上升带动平面薄壁构件10顺时针转动90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件10进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件10厚度数据。所述厚度数据为同轴激光位移传感器9之间的标定距离D与两激光位移传感器9的读数d1、d2的差，所述厚度测量数据包含位置信息(x，y)，所述厚度测量数据的位置信息(x，y)通过光栅尺测得。
第四步，将平面薄壁构件10的测量表面与平面度仪平晶接触，用平面度仪对测量表面进行扫描测量，获取平面薄壁构件10下表面平面度测量数据，所述平面度测量数据包含位置信息(x0，y0)。所述测量表面为平面薄壁构件10带有标记的表面；
第五步，统一数据基准。
对平面薄壁构件10的厚度进行测量后，需要将工件转移到平面度仪上进行平面度测量，由于工件的移动，平面薄壁构件10厚度测量数据和平面度测量数据的测量基准坐标系发生变化，即对平面薄壁构件10进行厚度和平面度测量时，相同测量点的位置将会发生变化，需要对厚度测量数据和平面度测量数据进行基准统一。所述基准统一方法为：对平面薄壁构件10进行厚度和平面度进行测量时，标记处数据会发生突变，将测得的平面薄壁构件10的厚度数据和平面度数据中突变数据筛选出来，以厚度测量数据的坐标系作为基准，将平面度测量数据的坐标系按x，y方向的移动，使平面度测量数据和厚度测量数据的圆心重合，然后再转动平面度测量数据的坐标系，使平面度测量数据和厚度测量数据的突变数据重合，即平面度数据中的突变数据的位置坐标和厚度数据中的突变数据的位置坐标相同，则所有平面度数据和厚度数据将统一到一个坐标系下；
第六步，进行数据位置比对。
因平面度仪测得的平面度数据比激光位移传感器测得的厚度数据多，需要从平面度数据中筛选出与厚度数据位置信息最接近的平面度数据，即在统一基准后，在平面度测量数据中筛选出与厚度测量数据位置最接近的平面度测量数据，使筛选出的平面度测量数据和厚度测量数据在位置上一一对应。比对方法为：将所述厚度测量数据的位置坐标(x，y)与平面度测量数据位置坐标(x0，y0)做差，使(x-x0)2+(y-y0)2值最小的平面度测量点为距离厚度测量数据最近的平面度测量点，则选择这些距离厚度测量数据最近的平面度测量点作为数据位置比对后筛选出的平面度测量点；
第七步，将位置比对后的厚度数据与平面度数据相加，得到平面薄壁构件10上表面平面度数据，即得到整个工件上下表面的形貌信息；
第八步：计算工件平行度。利用最小二乘法，对平面薄壁构件10下表面平面度的数据进行平面拟合，得到拟合基准平面，则平行于拟合基准平面且包容平面薄壁构件10上表面的两平行平面的距离即为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件10上表面的平面度数据减拟合基准平面平面度数据的最大值与最小值，θ为拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
本发明的有益效果为：本发明利用较容易测量的工件厚度和平面度评价工件平行度，计算精度较高；工件厚度和平面度通过非接触法测量，测量精度高，保证了平行度的测量精度；适用范围广，可用于大尺寸透明或非透明平面构件特别是平面薄壁构件的平行度测量；测量设备自动化程度高、易操作；测量成本较低，测量效率较高。
附图说明
图1为本发明的测量原理图。所述图1中(1)：激光位移传感器标定，(2)数据测量。其中D：两同轴激光位移传感器标定距离，d1：激光位移传感器(上)与工件上表面某点的距离，d2：激光位移传感器(下)与工件下表面某点的距离；
图2为本发明测量轨迹图；
图3为本发明的测量装置图；
图4为图1的编码器升降转动局部视图；
图5为工件标记图；
图6为本发明的测量流程图；
图7为本发明的数据处理流程图；
图8为图7数据处理流程图中拟合基准平面法线在竖直方向偏角θ的示意图；
图中：1X伺服电机；2Y气浮导轨；3X气浮导轨；4Y气浮导轨滑块；5Y伺服电机；6X气浮导轨滑块；7激光位移传感器保持架；8连接板；9激光位移传感器；10平面薄壁构件；11工件测量平台；12直线电机；13基座；14编码器载台；15转盘编码器；16直线导轨；17标定量块；18工件标记点；19拟合基准平面法线；20水平面；21拟合基准平面；22实际下表面轮廓。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图说明详细说明本发明的具体实施方式。但是所描述的实施方式仅为本发明示意性的一种实施方式，对本发明不具有限制作用。凡利用本发明说明书和附图相关内容为核心思想的其它等效思想，或直接或间接的运用到其它相关领域，都应属于本发明保护的范围。
一种平面薄壁构件平行度的测量方法实施例1：利用激光位移传感器同时获取工件厚度和平面度测量数据。
方法一：如图1-8所示，利用激光位移传感器9同时获取工件厚度和平面度测量数据：
第一步，用厚度已知的标定量块17对两个同轴的激光位移传感器9进行距离标定。所述标定方法为：调整两同轴激光位移传感器9在竖直方向的距离，将厚度已知的标定量块17放置在两同轴激光位移传感器之间，使得标定量块17在激光位移传感器9测量量程范围内，上、下两个激光位移传感器9获得对标定量块17上、下表面的测量值，将激光位移传感器9的测量值与标定量块17的厚度值相加得到两个同轴激光位移传感器9之间的距离，从而得到两个激光位移传感器9之间的标定距离D。所述上激光位移传感器9的读数为上激光位移传感器9与标定量块17上表面之间的距离d1，下激光位移传感器9的读数为下激光位移传感器9与标定量块17下表面之间的距离d2；
第二步，采用平面平晶校正导轨直线度误差。将平面平晶放置在测量平台11上，设定激光位移传感器9的采样频率和X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度，下激光位移传感器9在X伺服电机1、Y伺服电机5的带动下对平面平晶下表面进行扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描。第一次扫描结束后，转盘编码器15上升带动平面平晶顺时针旋转90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面平晶下表面进行扫描测量，使得下激光位移传感器9对整个平面平晶下表面进行扫描测量，测得平面平晶下表面平面度数据。所述平晶平面度能达到0.1μm，可视为理想平面，由于X气浮导轨3、Y气浮导轨2存在直线度误差，对平面平晶进行测量时，将反映在所述平晶下表面平面度数据上，从而可将平面平晶作为基准平面，校正测量过程中X气浮导轨3、Y气浮导轨2的直线度误差对平面薄壁构件10的平面度产生的影响；
第三步，将平面薄壁构件10放置在两同轴激光位移传感器9之间的测量平台11上，激光位移传感器9的采样频率、X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度和扫描轨迹与步骤二相同，两激光位移传感器9对平面薄壁构件10上、下表面进行第一次扫描测量。转盘编码器15上升带动平面薄壁构件10顺时针转动90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件10进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件10厚度数据和下表面平面度数据。所述厚度数据为同轴激光位移传感器9之间的标定距离D与两激光位移传感器9的读数d1、d2的差，所述下表面平面度数据为下激光位移传感器9与平面薄壁构件10下表面各点之间的距离d2；
第四步，将平面薄壁构件10下表面平面度数据与平晶下表面平面度数据作差，得到校正后平面薄壁构件10下表面平面度数据；
第五步，将平面薄壁构件10厚度数据与下表面校正平面度数据相加，得到平面薄壁构件10上表面平面度数据。至此，得到平面薄壁构件10两表面的形貌信息；
第六步：利用最小二乘法，对平面薄壁构件10下表面平面度的数据进行平面拟合，得到拟合基准平面，则平行于拟合基准平面且包容平面薄壁构件10上表面的两平行平面的距离即为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件10上表面的平面度数据减拟合基准平面平面度数据的最大值与最小值，θ为拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
进一步地，平晶平面度误差较低，可作为测量基准平面，由于运动平台存在的直线度误差，将反映在平面平晶下表面平面度上，计算时考虑平面平晶下表面的平面度，即可消除导轨直线度误差对工件下表面平面度的影响；
进一步地，测量轨迹为：运动系统带动激光位移传感器从工件一端沿Y-X-Y-X等距离、等间隔的扫描工件上下表面，将工件旋转90°再次进行测量，在网格型测量轨迹下获得整个工件的测量数据。
进一步地，数据处理的实施例为：
平面平晶下表面平面度数据：hP’＝[d2’](x，y)
工件厚度数据：hD＝[D-d1-d2](x，y)
工件下表面平面度数据：hP＝[d2](x，y)
工件下表面校正平面度数据：HP下＝hP-hP’
工件厚度数据与工件下表面校正平面度数据叠加得到工件上表面平面度数据：HP上＝HP下+hD
利用最小二乘法拟合工件下表面校正平面度数据后的拟合基准平面度数据为：HPN
工件上表面平面度数据减拟合基准平面平面度数据得到最大值M和最小值m：M＝max{HP上-HPN}，m＝min{HP上-HPN}
工件平行度：P＝(M-m)*cosθ
其中，(x，y)：厚度数据和平面度数据位置坐标，hP’：平面平晶下表面平面度数据，hD：工件厚度数据，hP：工件下表面平面度数据，HP下：工件下表面校正平面度数据，HP上：工件上表面平面度数据，HPN：拟合基准平面度数据，M：工件上表面平面度数据减拟合基准平面数据的最大值，m：工件上表面平面度数据减拟合基准平面数据的最小值，θ：拟合基准平面法线在竖直方向的夹角，P：工件平行度。
一种平面薄壁构件平行度的测量方法实施例2：利用激光位移传感器获取工件厚度测量数据，用平面度仪获取工件平面度测量数据。
方法二：如图1-8所示，利用激光位移传感器获取工件厚度测量数据，用平面度仪获取工件平面度测量数据
第一步，在平面薄壁构件10的下表面边缘做两个夹角为90°的标记，此标记高度约为1-2μm，在对平面薄壁构件10进行测量时，所述标记处的厚度测量数据和平面度测量数据会发生突变；
第二步，用厚度已知的标定量块17对两个同轴的激光位移传感器9进行距离标定。
第三步，将做好标记的平面薄壁构件10放置在两同轴激光位移传感器9之间的测量平台11上，设定激光位移传感器9的采样频率、X伺服电机1、Y伺服电机5的移动速度，激光位移传感器9对平面薄壁构件10上、下表面进行第一次扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描。转盘编码器15上升带动平面薄壁构件10顺时针转动90°，然后编码器转盘15下降，激光位移传感器9按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件10进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件10厚度数据。所述厚度数据为同轴激光位移传感器9之间的标定距离D与两激光位移传感器9的读数d1、d2的差，所述厚度测量数据包含位置信息(x，y)，所述厚度测量数据的位置信息(x，y)通过光栅尺测得。
第四步，将平面薄壁构件10的测量表面与平面度仪平晶接触，用平面度仪对测量表面进行扫描测量，获取平面薄壁构件10下表面平面度测量数据，所述平面度测量数据包含位置信息(x0，y0)。所述测量表面为平面薄壁构件10带有标记的表面；
第五步，统一数据基准。对平面薄壁构件10的厚度进行测量后，需要将工件转移到平面度仪上进行平面度测量，由于工件的移动，平面薄壁构件10厚度测量数据和平面度测量数据的测量基准坐标系发生变化，即对平面薄壁构件10进行厚度和平面度测量时，相同测量点的位置将会发生变化，需要对厚度测量数据和平面度测量数据进行基准统一。所述基准统一方法为：对平面薄壁构件10进行厚度和平面度进行测量时，标记处数据会发生突变，将测得的平面薄壁构件10的厚度数据和平面度数据中突变数据筛选出来，以厚度测量数据的坐标系作为基准，将平面度测量数据的坐标系按x，y方向的移动，使平面度测量数据和厚度测量数据的圆心重合，然后再转动平面度测量数据的坐标系，使平面度测量数据和厚度测量数据的突变数据重合，即平面度数据中的突变数据的位置坐标和厚度数据中的突变数据的位置坐标相同，则所有平面度数据和厚度数据将统一到一个坐标系下；
第六步，进行数据位置比对。因平面度仪测得的平面度数据比激光位移传感器测得的厚度数据多，需要从平面度数据中筛选出与厚度数据位置信息最接近的平面度数据，即在统一基准后，在平面度测量数据中筛选出与厚度测量数据位置最接近的平面度测量数据，使筛选出的平面度测量数据和厚度测量数据在位置上一一对应。所述比对方法为：将所述厚度测量数据的位置坐标(x，y)与平面度测量数据位置坐标(x0，y0)做差，使(x-x0)2+(y-y0)2值最小的平面度测量点为距离厚度测量数据最近的平面度测量点，则选择这些距离厚度测量数据最近的平面度测量点作为数据位置比对后筛选出的平面度测量点；
第七步，将位置比对后的厚度数据与平面度数据相加，得到平面薄壁构件10上表面平面度数据，即得到整个工件上下表面的形貌信息；
第八步：计算工件平行度。利用最小二乘法，对平面薄壁构件10下表面平面度的数据进行平面拟合，得到拟合基准平面，则平行于拟合基准平面且包容平面薄壁构件10上表面的两平行平面的距离即为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件10上表面的平面度数据减拟合基准平面数据的最大值与最小值，θ为拟合拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
进一步地，所述统一数据基准主要解决在平面度仪中测量工件平面度和在本装置中测量厚度时，工件的测量位置会发生变动，需要将厚度数据和平面度数据的位置信息统一到一个坐标系下才能进行数据叠加。
进一步地，所述数据位置比对指：在平面度仪中测量的平面度数据多于本发明装置中的厚度数据，需要找到与厚度数据位置相同的平面度数据，即使(x-x0)2+(y-y0)2值最小时，平面度数据位置(x0，y0)和厚度数据位置(x，y)相对应。
进一步地，实施例2中激光位移传感器的标定和工件厚度测量轨迹与实施例1相同。
进一步地，数据处理的实施例为：
工件标记处的厚度数据：hD标记点＝[D-d1-d2](x，y)
工件标记处的下表面平面度数据：hP标记点＝[d2](x0，y0)
统一数据基准：(x，y)标记点＝(x0，y0)标记点
统一数据基准后的工件厚度数据：hD＝[D-d1-d2](x，y)
统一数据基准后的工件下表面平面度数据：hP＝[d2](x0，y0)
数据位置比对：min{(x-x0)2+(y-y0)2}
数据位置比对后的工件厚度数据：HD＝[D-d1-d2](x，y)
数据位置比对后的工件下表面平面度数据：HP下＝[d2](x，y)
工件厚度数据与工件下表面校正平面度数据叠加得到工件上表面平面度数据：HP上＝HP下+HD
利用最小二乘法拟合工件下表面校正平面度数据后的拟合基准平面平面度数据为：HPN
工件上表面平面度数据减拟合基准平面平面度数据得到最大值M和最小值m：M＝max{HP上-HPN}，m＝min{HP上-HPN}
工件平行度：P＝(M-m)*cosθ
其中，(x，y)：厚度数据位置坐标，(x0，y0)：平面度数据位置坐标，hD标记点：标记点处的厚度数据，hP标记点：工件下表面标记点处平面度数据，HD：数据位置比对后的工件厚度数据，HP下：数据位置比对后的工件下表面平面度数据，HP上：工件上表面平面度数据，HPN：拟合基准平面度数据，M：工件上表面平面度数据减拟合基准平面平面度数据的最大值，m：工件上表面平面度数据减拟合基准平面平面度数据的最小值，θ：拟合基准平面法线在竖直方向的夹角，P：工件平行度。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，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，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种平面构件平行度的测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括运动系统、测量系统、控制系统、数据处理系统；所述测量系统安装在运动系统上，控制系统控制运动系统带动测量系统进行运动，数据处理系统实时收集测量系统测量的数据并进行数据处理；
所述运动系统包括基座(13)、X伺服电机(1)、Y气浮导轨(2)、X气浮导轨(3)、Y气浮导轨滑块(4)、Y伺服电机(5)、X气浮导轨滑块(6)、光栅尺；所述的基座(13)两侧设有凸起结构，两个凸起结构上分别安装X气浮导轨(3)，X气浮导轨(3)上设有X气浮导轨滑块(6)；所述Y气浮导轨(2)两端安装在X气浮导轨滑块(6)上，通过X气浮导轨滑块(6)与X气浮导轨(3)连接；所述Y气浮导轨滑块(4)安装在Y气浮导轨(2)上；所述X伺服电机(1)安装在左侧X气浮导轨(3)上，带动X气浮导轨滑块(6)完成X方向的移动；所述Y伺服电机(5)安装在Y气浮导轨(2)上，带动Y气浮导轨滑块(4)完成Y方向的移动；所述光栅尺安装在X气浮导轨(3)和Y气浮导轨(2)上，获取激光位移传感器的位置信息，实时反馈给数据处理系统；
所述控制系统通过控制X伺服电机(1)、Y伺服电机(5)、直线电机(12)、转盘编码器(15)运动，从而控制激光位移传感器(9)完成X、Y方向特定轨迹的移动、直线电机(12)的直线升降运动和编码器15的旋转运动；
所述测量系统包括激光位移传感器保持架(7)、连接板(8)、激光位移传感器(9)、工件测量平台(11)、直线电机(12)、编码器载台(14)、转盘编码器(15)、直线导轨(16)；所述激光位移传感器保持架(7)为U型结构，U型结构中部设有凸起结构，凸起结构通过Y气浮导轨滑块(4)与Y气浮导轨(2)连接，U型结构两个侧壁位于基座(13)正上方；所述两个连接板(8)安装在激光位移传感器保持架(7)上下两个侧壁的端部，且每个连接板(8)中部设有中心孔，安装时要求两个连接板(8)上的中心孔同轴心，中心孔用于安装激光位移传感器(9)，上下两个激光位移传感器(9)在竖直方向上同轴心；所述工件测量平台(11)安装在基座(13)的前端平面上，工件测量平台(11)为“回”字型结构与U型结构的激光位移传感器保持架(7)在空间位置上呈正交关系，所述工件测量平台(11)上端面设有弧形槽，平面薄壁构件(10)水平放置于工件测量平台(11)的弧形槽上，使得位于激光位移传感器保持架(7)上的两个激光位移传感器(9)能够对工件的上下两表面进行测量；所述直线导轨(16)有两个，竖直安装在工件测量平台(11)两侧内壁上，两个直线导轨(16)与两个直线电机(12)连接；所述编码器载台(14)的两端与直线电机(12)连接，位于平面薄壁构件(10)下方，转盘编码器(15)安装在编码器载台(14)上，其中转盘编码器(15)与平面薄壁构件(10)同轴放置，两个直线电机(12)带动编码器载台(14)上的转盘编码器(15)在直线导轨(16)上完成升降运动；
所述数据处理系统与激光位移传感器(9)和光栅尺连接，用于实时获取激光位移传感器(9)的测量值和位置信息，并进行数据处理。
2.一种基于权利要求1所述的平面构件平行度的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用激光位移传感器(9)同时获取工件厚度和平面度测量数据，包括以下步骤：
第一步，采用厚度已知的标定量块(17)对两个同轴的激光位移传感器(9)进行距离标定；
将标定量块(17)放置于两个同轴的激光位移传感器(9)之间，两个激光位移传感器(9)获得对标定量块(17)的测量值，将上、下两个激光位移传感器(9)的测量值与标定量块(17)的厚度值相加得到两个同轴激光位移传感器(9)之间的距离，从而得到两个激光位移传感器(9)之间的标定距离D；所述上方激光位移传感器(9)的读数为上方激光位移传感器(9)与标定量块(17)上表面之间的距离d1，下方激光位移传感器(9)的读数为下方激光位移传感器(9)与标定量块(17)下表面之间的距离d2；
第二步，采用平面平晶校正导轨直线度误差；
将平面平晶放置在测量平台(11)上，设定激光位移传感器(9)的采样频率和X伺服电机(1)、Y伺服电机(5)的移动速度，下激光位移传感器(9)在X伺服电机(1)、Y伺服电机(5)的带动下对平面平晶下表面进行扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描；第一次扫描结束后，转盘编码器(15)上升带动平面平晶顺时针旋转90°，然后转盘编码器(15)下降，激光位移传感器(9)按相同测量轨迹再次对转动后的平面平晶下表面进行扫描测量，使得下激光位移传感器(9)对整个平面平晶下表面进行扫描测量，测得平面平晶下表面平面度数据；
第三步，将平面薄壁构件(10)放置在两同轴激光位移传感器(9)之间的测量平台(11)上，激光位移传感器(9)的采样频率、X伺服电机(1)、Y伺服电机(5)的移动速度和扫描轨迹与步骤二相同，两激光位移传感器(9)对平面薄壁构件(10)上、下表面进行第一次扫描测量；转盘编码器(15)上升带动平面薄壁构件(10)顺时针转动90°，然后转盘编码器(15)下降，激光位移传感器(9)按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件(10)进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件(10)厚度数据和下表面平面度数据；所述厚度数据为同轴激光位移传感器(9)之间的标定距离D与两激光位移传感器(9)的读数d1、d2的差，所述下表面平面度数据为下激光位移传感器(9)与平面薄壁构件(10)下表面各点之间的距离d2；
第四步，将平面薄壁构件(10)下表面平面度数据与平晶下表面平面度数据作差，得到校正后平面薄壁构件(10)下表面平面度数据；
第五步，将平面薄壁构件(10)厚度数据与下表面校正平面度数据相加，得到平面薄壁构件(10)上表面平面度数据；至此，得到平面薄壁构件(10)两表面的形貌信息；
第六步：利用最小二乘法，对平面薄壁构件(10)下表面平面度的数据进行平面拟合，得到基准平面，则平行于基准平面且包容平面薄壁构件(10)上表面的两平行平面的距离为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件(10)上表面的平面度数据减基准平面数据的最大值与最小值，θ为拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
3.一种基于权利要求1所述的平面薄壁件平行度的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用激光位移传感器(9)获取工件厚度测量数据，采用平面度仪获取工件平面度测量数据，包括以下步骤：
第一步，在平面薄壁构件(10)的下表面边缘做两个夹角为90°的标记，此标记高度为1-2μm；
第二步，用厚度已知的标定量块(17)对两个同轴的激光位移传感器(9)进行距离标定；
第三步，将做好标记的平面薄壁构件(10)放置在两同轴激光位移传感器(9)之间的测量平台(11)上，设定激光位移传感器(9)的采样频率、X伺服电机(1)、Y伺服电机(5)的移动速度，激光位移传感器(9)对平面薄壁构件(10)上、下表面进行第一次扫描测量，扫描轨迹依次沿Y-X-Y-X方向循环等间隔扫描；转盘编码器(15)上升带动平面薄壁构件(10)顺时针转动90°，然后转盘编码器(15)下降，激光位移传感器(9)按相同测量轨迹再次对转动后的平面薄壁构件(10)进行扫描测量，获取整个平面薄壁构件(10)厚度数据；所述厚度数据为同轴激光位移传感器(9)之间的标定距离D与两激光位移传感器(9)的读数d1、d2的差，所述厚度测量数据包含位置信息(x，y)，所述厚度测量数据的位置信息(x，y)通过光栅尺测得；
第四步，将平面薄壁构件(10)的测量表面与平面度仪平晶接触，用平面度仪对测量表面进行扫描测量，获取平面薄壁构件(10)下表面平面度测量数据，所述平面度测量数据包含位置信息(x0，y0)；所述测量表面为平面薄壁构件(10)带有标记的表面；
第五步，统一数据基准；
对平面薄壁构件(10)的厚度进行测量后，将工件转移到平面度仪上进行平面度测量，由于工件移动，需要对厚度测量数据和平面度测量数据进行基准统一；所述基准统一方法为：对平面薄壁构件(10)进行厚度和平面度进行测量时，标记处数据发生突变，将测得的平面薄壁构件(10)的厚度数据和平面度数据中突变数据筛选出来，以厚度测量数据的坐标系作为基准，将平面度测量数据的坐标系按x，y方向的移动，使平面度测量数据和厚度测量数据的圆心重合，然后再转动平面度测量数据的坐标系，使平面度测量数据和厚度测量数据的突变数据重合，将所有平面度数据和厚度数据将统一到一个坐标系下；
第六步，进行数据位置比对；
将所述厚度测量数据的位置坐标(x，y)与平面度测量数据位置坐标(x0，y0)做差，使(x-x0)2+(y-y0)2值最小的平面度测量点为距离厚度测量数据最近的平面度测量点，则选择这些距离厚度测量数据最近的平面度测量点作为数据位置比对后筛选出的平面度测量点；
第七步，将位置比对后的厚度数据与平面度数据相加，得到平面薄壁构件(10)上表面平面度数据，即得到整个工件上下表面的形貌信息；
第八步：计算工件平行度；
利用最小二乘法，对平面薄壁构件(10)下表面平面度的数据进行平面拟合，得到基准平面，则平行于基准平面且包容平面薄壁构件(10)上表面的两平行平面的距离即为工件的平行度数值p，此平行度数值p为：p＝(M-m)*cosθ，其中M和m分别为平面薄壁构件(10)上表面的平面度数据减基准平面数据的最大值与最小值，θ为拟合基准平面的法线在竖直方向的偏角。
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