CN114295072A - 一种多类型曲面样板 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于激光扫描仪的现场校准的多类型曲面样板，属于几何量领域。本发明结合现有的校准规范，考虑激光扫描仪的尺寸探测误差、形状探测误差、球空间误差、长度测量误差、平面空间误差五项误差参数和分辨力性能参数；样板主要由若干个凹凸曲面、台阶、标准球、圆柱台、方台、多尺寸锯齿面组成，且分别采用不同色彩表面涂层，保证复杂需求条件下的测量。本发明能够反映温度对扫描系统的影响，能够评定激光扫描仪的轮廓误差，能通过台阶面实现激光扫描仪对平面度的测量实现阶差校准，通过锯齿面完成激光扫描仪分辨力的性能评价。本发明属于一种高精度、多功能的激光扫描仪校准用标准器，满足激光扫描仪的现场校准需求。

Description

一种多类型曲面样板

技术领域

本发明涉及一种多类型曲面样板，尤其涉及一种直接应用于大尺寸非接触测量设备的多类型曲面样板，属于几何量领域。

背景技术

随着国家汽车、航空、航天等事业的不断发展，相关产品外形轮廓扫描的需求也日益增加，而三维激光扫描仪等设备也得到了更加广泛的应用。而扫描仪的校准需求也日益广泛，目前市场上有众多的标准器用于激光扫描仪等设备的轮廓校准，这些标准器分别用于满足激光扫描仪设备多种不同形式的校准需求。

目前常用的激光扫描仪标准器主要通过如下几种方式实现。

其一是通过碳纤维或铟钢材质搭载基准平板，通过沿平板表面布设距离不等的标准球，标准球表面采用哑光材质。通过三坐标测量机标定不同标准球之间的位置距离，用以作为校准时的参考值。即使用激光三维扫描仪扫描相应标准球板，通过对球心距的测量实现对仪器测量空间位置的校准。这种实现形式的不足之处在于仅仅是通过一些不同直径的标准球，实现空间位置测量校准，不能实现扫描仪更多轮廓特征的校准需求。

其二是通过加工制造不同轮廓的样板实现校准。主要是分别建立台阶样板、圆柱样板、锯齿样板等多种不同扩扩形式，分别使用或组合使用，通过三坐标测量机标定轮廓外形后，使用激光三维扫描仪扫描各部件轮廓实现多种不同功能的校准需求。这种实现形式的不足之处在往往是分体逐个使用难以实现集成、使用复杂，同时一体加工难度大，且一体成型后难以灵活替换不同的曲面样板或增加其他辅助组件，同时往往缺乏空间位置测量校准功能，适用范围较窄。

为了激光扫描仪设备在空间位置测量、形位轮廓误差标定、轮廓色差校准等多种不同形式的校准需求，该标准器不仅需要布设标准球组实现空间位置校准，还要具备各种不同类型的轮廓曲面以满足三维激光扫描仪的不同轮廓校准需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光扫描仪的现场校准的多类型曲面样板，结合现有的校准规范，考虑激光扫描仪的尺寸探测误差、形状探测误差、球空间误差、长度测量误差、平面空间误差五项误差参数和分辨力性能参数，所述样板主要由若干个凹凸曲面、台阶、标准球、圆柱台、方台、多尺寸锯齿面组成，且分别采用不同色彩表面涂层，保证复杂需求条件下的测量。本发明能够反映温度对扫描系统的影响，能够对激光扫描仪的轮廓误差进行评定，能通过台阶面实现激光扫描仪对平面度的测量实现阶差校准，也能通过锯齿面完成激光扫描仪分辨力的性能评价。根据本发明具备的如色差等多样化边界条件亦能够实现预定需求下激光扫描仪不确定的的评定。本发明属于一种高精度、多功能的激光扫描仪校准用标准器，满足激光扫描仪的现场校准需求。

本发明是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种多类型曲面样板，主要由台阶样板组件、多立体轮廓组件、主体圆轮廓组件组成。台阶样板组件、多立体轮廓组件分别位于主体圆轮廓组件两侧。

所述的台阶样板组件为一整体构件，主要由标准台阶件、第一安装定位面组成。标准台阶件上方工作面为台阶样板组件顶部成梯度分布的五个台阶面，台阶面与台阶面之间采用等间距结构设计，各个台阶面均为精加工面，且各个平面之间为平行关系，通过标准台阶件实现激光扫描仪对平面度的测量实现阶差校准。第一安装定位面位于台阶样板组件侧面，主要通过其上分布的固定孔与定位孔实现与主体圆轮廓组件的定位安装。

作为优选，标准台阶件采用铝合金材质为主材料。多立体轮廓组件材质采用铝合金材质为主材料。标准球材质为陶瓷材质。主体圆轮廓件采用铝合金材质为主材料。

所述的多立体轮廓组件为一整体构件，主要由圆柱台、方台、多尺寸锯齿面、多立体轮廓件、第二安装定位面组成。多立体轮廓组件主要由圆柱台、方台、多尺寸锯齿面块三个不同模块组成。三个不同模块分别布置于多立体轮廓件顶面，与多立体轮廓件系一体加工件。其中圆柱台为一双层圆柱体结构，上层圆柱直径小于下层圆柱，大小两个圆柱通过加工保证同轴及圆度，呈堆叠方式布置于多立体轮廓件顶部色差面上，用于实现对扫描仪圆柱轮廓误差评定；其中方台为长方体结构，通过精加工保证各个相邻面的垂直关系以及相对面的平行关系，呈单面平铺方式布置于多立体轮廓件顶部色差面上，用于实现对扫描仪方形轮廓误差评定；其中多尺寸锯齿面块系在一长方体顶部加工深度不同的多尺寸锯齿刻痕，通过精加工使各个刻痕深度达到校准整所需的标称值，多尺寸锯齿面块底部布置于多立体轮廓件顶部色差面上，用于实现激光扫描仪分辨力的性能评价；多立体轮廓件顶部为标准色差面，通过表面喷涂实现预定颜色的外观用于保证特定的校准。第二安装定位面位于多立体轮廓组件侧面，主要通过其上分布的固定孔与定位孔实现与主体圆轮廓组件的定位安装。

所述的主体圆轮廓组件主要由标准球、标准球支座、标准凹面、标准凸面，主体圆轮廓件、安装定位侧面、把手组成。其中标准球总计四个，分别通过四个标准球支座安装固定在主体圆轮廓组件顶部的主体圆轮廓件顶面上，分别固定在四个角处，通过定位加工保证同边标准球两两球心距为标称值，用于实现激光扫描仪空间位置测量的校准，也能够根据线胀系数底的标准球分析温度对扫描结果的影响。标准凹面、标准凸面各有两个分别布置于主体圆轮廓件顶面上，其半径相比标准球要大很多，均为高精度加工的球轮廓面且与主体圆轮廓件呈一体加工，用于保证激光扫描仪对于大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准。主体圆轮廓件顶面与标准凹面、标准凸面为标准色差面，通过表面喷涂实现预定颜色的外观，通过预定颜色的外观保证预定的校准需求同时与多立体轮廓件顶面喷涂具备一定色差，便于预定需求下激光扫描仪不确定的的评定。安装定位侧面分布于主体圆轮廓件长边两侧，用于分别定位连接多立体轮廓组件和台阶样板组件，把手分布于主体圆轮廓件短边两侧，用于手持。所述预定需求包括边界色差、表面反射率差两种不同校准需求。

本发明公开的一种多类型曲面样板的工作方法为：

分别将多立体轮廓组件、台阶样板组件通过第二安装定位面、第一安装定位面与主体圆轮廓组件的安装定位侧面相连接固定，并将把手安装在主体圆轮廓件短边两侧，开始校准过程。将被校准激光扫描仪开机，针对多类型曲面样板各部件开始扫描校准过程。采用递进式测量方法进行校准，采用拼接方式结合的三部分轮廓样板结构紧凑，便于实施相关操作。首先通过扫描台阶样板组件顶部上方工作面完成激光扫描仪对平面度的测量阶差校准，同时由上至下实现递进依次扫描，通过扫描主体圆轮廓组件顶部上方标准色差面将其与扫描台阶样板组件顶部上方工作面进行比对，实现预定需求下激光扫描仪不确定的的评定；再分别通过扫描主体圆轮廓组件顶部上方标准球实现激光扫描仪空间位置测量的校准、通过标准凹面和标准凸面完成激光扫描仪对于大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准；再由上至下扫描至多立体轮廓件，通过其与主体圆轮廓组件顶部上方标准色差面实现特定颜色的外观用于保证预定校准需求；再由左至右分别扫描多立体轮廓件顶部上方圆柱台、方台、多尺寸锯齿面依次实现对扫描仪圆柱轮廓误差、方形轮廓误差、分辨力性能的评定，从而完成全部校准。

有益效果：

1、本发明公开的一种多类型曲面样板，采用较为轻便的铝合金作为主体材质的台阶样板组件，通过将台阶样板组件顶部成梯度分布的五个等间距台阶面作为标准，实现激光扫描仪对平面度的阶差测量校准功能，同时台阶样板组件与主体圆轮廓组件通过定位孔保证相对位置关系，便于更换调整。

2、本发明公开的一种多类型曲面样板，采用较为轻便的铝合金作为主体材质的多立体轮廓组件，通过圆柱台、方台、多尺寸锯齿面分别可以实现对扫描仪圆柱轮廓误差评定、方形轮廓误差评定以及激光扫描仪分辨力的性能评价，同时多立体轮廓件顶部为标准色差面用于保证特定的色差校准需求，同时多立体轮廓组件与主体圆轮廓组件通过定位孔保证相对位置关系，便于更换调整。

3、本发明公开的一种多类型曲面样板，采用较为轻便的铝合金作为主体材质的主体圆轮廓组件，通过四个陶瓷材质标准球、标准凹面、标准凸面实现激光扫描仪空间位置测量的校准与轮廓扫描误差评定，也可根据线胀系数底的陶瓷标准球分析温度对扫描仪测量的影响；同时表面喷涂实现特定颜色标准色差面用于保证边界色差等特定需求下激光扫描仪不确定的的评定，通过主体圆轮廓件长边两侧的安装定位侧面分别定位连接多立体轮廓组件和台阶样板组件。

4、本发明公开的一种多类型曲面样板，具有测量精度高，功能用途多，轻便体积小便于现场携带使用等优点，能够测量校准现有激光扫描仪工程关心的所有核心精度测量参数。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图

图2是本发明的台阶样板组件结构示意图

图3是本发明的多立体轮廓组件结构示意图

图4是本发明的主体圆轮廓组件结构示意图

图5是本发明的总体工作示意图

其中，1-多立体轮廓组件、2-台阶样板组件、3-主体圆轮廓组件、4-把手、5-标准台阶件、6-第一安装定位面、7-圆柱台、8-方台、9-多尺寸锯齿面、10-第二安装定位面、11-多立体轮廓件、12-标准球、13-主体圆轮廓件、14-标准球支座、15-安装定位侧面、16-标准凸面、17-标准凹面。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，参见附图1所示，本发明公开的一种多类型曲面样板，包括台阶样板组件2，用于激光扫描仪对平面度的测量阶差校准功能,并通过定位固定连接的形式实现与主体圆轮廓组件3的定位安装；多立体轮廓组件1用于用于实现激光扫描仪分辨力的性能评价部分轮廓误差评定以及特定的色差校准需求通过定位固定连接的形式实现与主体圆轮廓组件3的定位安装；主体圆轮廓组件3用于实现激光扫描仪空间位置测量的校准、对大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准、特定的色差校准需求。把手4分布于主体圆轮廓件短边两侧，用于手持。

如图2所示，所述的台阶样板组件2的结构整体采用铝合金材质为主材料一体加工。标准台阶件5为台阶样板组件工作主体，顶部成等间距梯度分布的五个台阶面，即作为测量过程的主工作面。台阶样板组件2通过其侧方的第一安装定位面6与主体圆轮廓组件3固定，其上分别布置有用于定位的定位孔以及用于固定的固定孔，通过激光扫描仪等设备扫描台阶样板组件2顶部上方工作面，通过不同高度的台阶来进行平面空间误差参数的检测，同时多个平面的平面度来检测平面的形状探测误差，完成校准过程。

如图3所示，所述的多立体轮廓组件1的结构整体采用铝合金材质为主材料一体加工。多立体轮廓件11为多立体轮廓组件1工作主体，顶部成通过喷涂加工成为标准色差面，同时分别布置圆柱台7、方台8、多尺寸锯齿面9等组件。作为双层圆柱体结构的圆柱台7布置于多立体轮廓件11顶部左侧；作为长方体结构的方台8布置于多立体轮廓件11顶部中部；作为包括多尺寸锯齿刻痕的多尺寸锯齿面9布置于多立体轮廓件11顶部右侧。多立体轮廓组件1通过其侧方的第二安装定位面10与主体圆轮廓组件3固定，其上分别布置有用于定位的定位孔以及用于固定的固定孔。通过激光扫描仪等设备扫描多立体轮廓件11顶部上方圆柱台7、方台8、多尺寸锯齿面9等组件以及标准色差面完成针对不同型面测量能力、分辨力、色差等不同的校准过程。

如图4所示，所述的主体圆轮廓组件3其主体结构为主体圆轮廓件13，整体采用铝合金材质进行加工，2组标准凹面17、标准凸面16分别对角布置于主体圆轮廓件13顶面上，与主体圆轮廓件13呈一体加工，标准凹面17、标准凸面16以及主体圆轮廓件13顶面成通过喷涂加工成为与主体圆轮廓组件13不同的标准色差面。主体圆轮廓组件134个标准球12分别与4个标准球支座14连接，布置于主体圆轮廓件13顶面4个角处，两两球心距为标称值。主体圆轮廓组件3通过其侧方的安装定位侧面15与多立体轮廓组件1、台阶样板组件2固定，其上分别布置有用于定位的定位孔以及用于固定的螺纹孔。通过激光扫描仪等设备扫描主体圆轮廓组件13顶部上方标准球12、标准凹面17、标准凸面16等组件以及标准色差面完成关于尺寸探测误差、形状探测误差、球空间误差、长度测量误差四项误差等不同方面的校准过程。把手4分别布置于主体圆轮廓件13短边两侧，用于在工作或移动过程中实现手持。

如图5所示，本发明公开的一种多类型曲面样板的工作方法为：首先分别将多立体轮廓组件1、台阶样板组件2通过第二安装定位面10、第一安装定位面6与主体圆轮廓组件3的安装定位侧面15相连接固定，并将把手安装在主体圆轮廓件13短边两侧，开始校准过程。接下来将被校准激光扫描仪开机，针对多类型曲面样板各部件开始扫描校准过程。本发明采用的校准方法为递进式测量方法，采用拼接方式结合的三部分轮廓样板结构紧凑，便于实施相关操作。首先通过扫描台阶样板组件2顶部上方工作面完成激光扫描仪对平面度的测量阶差校准，同时由上至下实现递进依次扫描，通过扫描主体圆轮廓组件13顶部上方标准色差面将其与扫描台阶样板组件2顶部上方工作面进行比对，实现边界色差等特定需求下激光扫描仪不确定的的评定；再分别通过扫描主体圆轮廓组件13顶部上方标准球12实现激光扫描仪空间位置测量的校准、通过标准凹面17和标准凸面16完成激光扫描仪对于大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准；下一步再由上至下扫描至多立体轮廓件11，通过其与主体圆轮廓组件13顶部上方标准色差面实现特定颜色的外观用于保证特定的校准需求；再由左至右分别扫描多立体轮廓件11顶部上方圆柱台7、方台8、多尺寸锯齿面9依次实现对扫描仪圆柱轮廓误差、方形轮廓误差、分辨力性能的评定，从而完成全部校准。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多类型曲面样板，其特征在于：主要由多立体轮廓组件(1)、台阶样板组件(2)、主体圆轮廓组件(3)组成；台阶样板组件(2)、多立体轮廓组件(1)分别位于主体圆轮廓组件(3)两侧；

所述的台阶样板组件(2)为一整体构件，主要由标准台阶件(5)、第一安装定位面(6)组成；标准台阶件(5)上方工作面为台阶样板组件(2)顶部成梯度分布的五个台阶面，台阶面与台阶面之间采用等间距结构设计，各个台阶面均为精加工面，且各个平面之间为平行关系，通过标准台阶件(5)实现激光扫描仪对平面度的测量实现阶差校准；第一安装定位面(6)位于台阶样板组件(2)侧面，主要通过其上分布的固定孔与定位孔实现与主体圆轮廓组件(3)的定位安装；

所述的多立体轮廓组件(1)为一整体构件，主要由圆柱台(7)、方台(8)、多尺寸锯齿面(9)、多立体轮廓件(11)、第二安装定位面(10)组成；多立体轮廓组件(1)主要由圆柱台(7)、方台(8)、多尺寸锯齿面(9)块三个不同模块组成；三个不同模块分别布置于多立体轮廓件(11)顶面，与多立体轮廓件(11)系一体加工件；其中圆柱台(7)为一双层圆柱体结构，上层圆柱直径小于下层圆柱，大小两个圆柱通过加工保证同轴及圆度，呈堆叠方式布置于多立体轮廓件(11)顶部色差面上，用于实现对扫描仪圆柱轮廓误差评定；其中方台(8)为长方体结构，通过精加工保证各个相邻面的垂直关系以及相对面的平行关系，呈单面平铺方式布置于多立体轮廓件(11)顶部色差面上，用于实现对扫描仪方形轮廓误差评定；其中多尺寸锯齿面(9)块系在一长方体顶部加工深度不同的多尺寸锯齿刻痕，通过精加工使各个刻痕深度达到校准整所需的标称值，多尺寸锯齿面(9)块底部布置于多立体轮廓件(11)顶部色差面上，用于实现激光扫描仪分辨力的性能评价；多立体轮廓件(11)顶部为标准色差面，通过表面喷涂实现预定颜色的外观用于保证特定的校准；第二安装定位面(10)位于多立体轮廓组件(1)侧面，主要通过其上分布的固定孔与定位孔实现与主体圆轮廓组件(3)的定位安装；

所述的主体圆轮廓组件(3)主要由标准球(12)、标准球支座(14)、标准凹面(17)、标准凸面(16)，主体圆轮廓件(13)、安装定位侧面(15)、把手4组成；其中标准球(12)总计四个，分别通过四个标准球支座(14)安装固定在主体圆轮廓组件(3)顶部的主体圆轮廓件(13)顶面上，分别固定在四个角处，通过定位加工保证同边标准球(12)两两球心距为标称值，用于实现激光扫描仪空间位置测量的校准，也能够根据线胀系数底的标准球(12)分析温度对扫描结果的影响；标准凹面(17)、标准凸面(16)各有两个分别布置于主体圆轮廓件(13)顶面上，其半径相比标准球(12)要大很多，均为高精度加工的球轮廓面且与主体圆轮廓件(13)呈一体加工，用于保证激光扫描仪对于大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准；主体圆轮廓件(13)顶面与标准凹面(17)、标准凸面(16)为标准色差面，通过表面喷涂实现预定颜色的外观，通过预定颜色的外观保证预定的校准需求同时与多立体轮廓件(11)顶面喷涂具备一定色差，便于预定需求下激光扫描仪不确定的的评定；安装定位侧面(15)分布于主体圆轮廓件(13)长边两侧，用于分别定位连接多立体轮廓组件(1)和台阶样板组件(2)，把手4分布于主体圆轮廓件(13)短边两侧，用于手持；所述预定需求包括边界色差、表面反射率差两种不同校准需求。

2.如权利要求1所述的一种多类型曲面样板，其特征在于：标准台阶件(5)采用铝合金材质为主材料；多立体轮廓组件(1)材质采用铝合金材质为主材料；标准球(12)材质为陶瓷材质；主体圆轮廓件(13)采用铝合金材质为主材料。

3.如权利要求1或2所述的一种多类型曲面样板，其特征在于：分别将多立体轮廓组件(1)、台阶样板组件(2)通过第二安装定位面(10)、第一安装定位面(6)与主体圆轮廓组件(3)的安装定位侧面(15)相连接固定，并将把手(4)安装在主体圆轮廓件(13)短边两侧，开始校准过程；将被校准激光扫描仪开机，针对多类型曲面样板各部件开始扫描校准过程；采用递进式测量方法进行校准，采用拼接方式结合的三部分轮廓样板结构紧凑，便于实施相关操作；首先通过扫描台阶样板组件(2)顶部上方工作面完成激光扫描仪对平面度的测量阶差校准，同时由上至下实现递进依次扫描，通过扫描主体圆轮廓组件(3)顶部上方标准色差面将其与扫描台阶样板组件(2)顶部上方工作面进行比对，实现预定需求下激光扫描仪不确定的的评定；再分别通过扫描主体圆轮廓组件(3)顶部上方标准球(12)实现激光扫描仪空间位置测量的校准、通过标准凹面(17)和标准凸面(16)完成激光扫描仪对于大直径轮廓扫描误差评定以及相关空间位置测量校准；再由上至下扫描至多立体轮廓件(11)，通过其与主体圆轮廓组件(3)顶部上方标准色差面实现特定颜色的外观用于保证预定校准需求；再由左至右分别扫描多立体轮廓件(11)顶部上方圆柱台(7)、方台(8)、多尺寸锯齿面(9)依次实现对扫描仪圆柱轮廓误差、方形轮廓误差、分辨力性能的评定，从而完成全部校准。

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