CN114812386B - 一种五坐标激光测量仪装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种五坐标激光测量仪装置及标定方法，利用包括水平台、测量仪底座、X轴滑台、Y轴滑台、圆盘底座、圆盘、标准球、激光测量仪、Z轴滑台、Z轴滑台支座及两个防护罩的装置，在Z轴滑块上安装有绕B轴摆动180°的激光测量仪，将标准球放置在能够绕C轴旋转360°的圆盘上，将激光测量仪对准标准球，然后旋转圆盘，观察激光测量仪的示数变化，确定标准球与圆盘同心，然后确定出C轴在XOY平面内的位置，同理可确定B轴的投影点位置，完成B轴、C轴的参数推断，提高了精度，减少了误差。

Description

一种五坐标激光测量仪装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种五坐标激光测量仪装置及标定方法，属于计量科学技术领域。

背景技术

五座标激光测量仪是一种非接触高精度快速测量仪器，特别是对回转体轮廓曲面测量具备很好测量能力。仪器机构参数受到加工、装配等环节影像，关键结构参数无法精确地达到设计值。这些结构参数对测量仪器位姿控制、数据采集有直接影像。在仪器使用前要求精确地对其进行标定。测量仪器周期检定与校准都需要可溯源的校准方法。为此，研究五坐标激光测量仪系统参数标定方法非常必要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少对应激光测量仪的校准方法的问题，提出了一种五坐标激光测量仪装置及标定方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种五坐标激光测量仪装置，包括水平台、测量仪底座、X轴滑台、Y轴滑台、圆盘底座、圆盘、标准球、激光测量仪、Z轴滑台、Z轴滑台支座，其中：

X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台均根据机床笛卡尔坐标系进行确定，B轴于XOZ平面内绕Y轴旋转确定，C轴于XOY平面绕Z轴旋转确定；

测量仪底座设置于水平台上，测量仪底座上固定有X轴滑台，Y轴滑台安装于X轴滑台上并于X轴滑台上沿X轴方向前后往复滑动，圆盘底座安装于Y轴滑台上并于Y轴滑台上沿Y轴方向左右往复滑动，圆盘安装于圆盘底座上并绕C轴进行360°旋转，圆盘上放置有标准球，用于与激光测量仪配合进行B轴、C轴的参数推断，Z轴滑台安装于Z轴滑台支座上并沿Z轴方向进行上下往复滑动，激光测量仪安装于Z轴滑台上随Z轴滑台进行Z轴方向运动，并绕B轴进行180°往复摆动。

还包括防护罩一、防护罩二，分别设置于X轴滑台和Y轴滑台上进行缓冲保护。

标准球安装完成后进行调试以保证安装于圆盘的中心位置。

标准球安装及调试的具体方法为：

通过激光测量仪的激光测头沿X轴方向打在标准球上，并转动圆盘，根据激光测头反馈的数据判断标准球是否放置于圆盘的中心位置。

标准球放置于圆盘的中心位置的判断依据为：

若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，则进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内。

通过标准球与激光测量仪配合进行C轴的参数推断，具体为：

标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断。

完成C轴参数推断后，将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。

一种五坐标激光测量仪装置测量方法，包括：

安装并调试标准球，直至标准球准确安装于圆盘中心位置；

获取X轴，Y轴、Z轴参数，进行C轴的参数标定；

调整标准球与激光测量仪的激光测头，进行B轴的参数标定；

其中，标准球准确安装于圆盘中心的具体步骤为：

手动将标准球放在圆盘的中心位置，通过激光测头沿着X轴方向打在标准球上并转动圆盘，若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，则进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内。

C轴的参数标定的具体步骤为：

标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断。

B轴的参数标定的具体步骤为：

通过标准球与激光测量仪配合进行B轴的参数推断，具体为：

完成C轴参数推断后，将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种五坐标激光测量仪装置及标定方法，通过改进的五轴激光测试装置，在Z轴滑块上安装有绕B轴摆动180°的激光测量仪，将标准球放置在能够绕C轴旋转360°的圆盘上，将激光测量仪对准标准球，然后旋转圆盘，观察激光测量仪的示数变化，能够更加简单的确定出被测物体在各坐标的位置，提高了精度的要求，减少了误差的产生，一定程度上能够节约时间和成本，提高工作的效率。

附图说明

图1为发明提供的装置轴测图；

图2为发明提供的标准球放置示意图；

图3为发明提供的C轴参数标定示意图；

图4为发明提供的B轴参数标定示意图；

具体实施方式

一种五坐标激光测量仪装置及标定方法，五坐标激光测量仪装置主要包括水平台、测量仪底座、X轴滑台、Y轴滑台、圆盘底座、圆盘、标准球、激光测量仪、Z轴滑台、Z轴滑台支座、防护罩一、防护罩二，装置包括X轴、Y轴、Z轴、B轴以及C轴，在Z轴滑块上安装有绕B轴摆动180°的激光测量仪，将标准球放置在能够绕C轴旋转360°的圆盘上，将激光测量仪对准标准球，然后旋转圆盘，观察激光测量仪的示数变化，确定标准球与圆盘同心，然后确定出C轴在XOY平面内的位置，同理可确定B轴的投影点位置，通过这种五坐标激光测量仪系统参数标定方法，能够更加简单的确定出被测物体在各坐标的位置，提高了精度的要求，减少了误差的产生，具体为：

测量仪底座设置于水平台上，测量仪底座上固定有X轴滑台，Y轴滑台安装于X轴滑台上并于X轴滑台上沿X轴方向前后往复滑动，圆盘底座安装于Y轴滑台上并于Y轴滑台上沿Y轴方向左右往复滑动，圆盘安装于圆盘底座上并绕C轴进行360°旋转，圆盘上放置有标准球，用于与激光测量仪配合进行B轴、C轴的参数推断，Z轴滑台安装于Z轴滑台支座上并沿Z轴方向进行上下往复滑动，激光测量仪安装于Z轴滑台上随Z轴滑台进行Z轴方向运动，并绕B轴进行180°往复摆动；

防护罩一、防护罩二，分别设置于X轴滑台和Y轴滑台上进行缓冲保护。

标准球安装完成后，需要通过调试标准球安装完成后，标准球安装及调试的具体方法为：

通过激光测量仪的激光测头沿X轴方向打在标准球上，并转动圆盘，根据激光测头反馈的数据判断标准球是否放置于圆盘的中心位置。

标准球放置于圆盘的中心位置的判断依据为：

若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，通过C轴转盘角度记录在各角度下测头变化量可以得出球的偏向方向，可以通过手动粗调后，再使用C旋转平台微调机构进行调整。进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内。

通过标准球与激光测量仪配合进行C轴的参数推断，标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断；

将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。

根据五坐标激光测量仪装置进行标定测试的具体方法为：

安装并调试标准球，直至标准球准确安装于圆盘中心位置；

获取X轴，Y轴、Z轴参数，进行C轴的参数标定；

调整标准球与激光测量仪的激光测头，进行B轴的参数标定；

其中，标准球准确安装于圆盘中心的具体步骤为：

手动将标准球放在圆盘的中心位置，通过激光测头沿着X轴方向打在标准球上并转动圆盘，若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，通过C轴转盘角度记录在各角度下测头变化量可以得出球的偏向方向，可以通过手动粗调后，再使用C旋转平台微调机构进行调整。进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内；

C轴的参数标定的具体步骤为：

标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断；

完成C轴参数推断后，将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，如图1所示，五坐标激光测量仪装置包括水平台1，所述的水平台1上安装有激光测量仪装置的底座2，所述的底座2上固定有X轴滑台3和Z轴滑台支座12。Y轴滑台5安装在X轴滑台3上，其可在X轴滑台3上沿X轴方向前后往复滑动，圆盘底座7安装在Y轴滑台5上，其可在Y轴滑台5上沿Y轴左右方向往复滑动。圆盘8安装在圆盘底座7上，其可绕C轴进行360°的旋转，所述的圆盘8上放置有标准球9，其放置要求规定标准球9放置在圆盘8的中心位置。Z轴滑台11安装在Z轴滑台支座12上，其可沿Z轴方向进行上下往复滑动。激光测量仪10安装在Z轴滑台11上，其可随Z轴滑台11进行Z轴方向的运动，还可绕B轴进行180°的往复摆动。在X轴滑台3和Y轴滑台5上安装有防护罩4和防护罩6，以起缓冲保护作用。

装置的工作原理为：通过利用标准球和激光测头相配合，按照数字变化规律，就可以推断出B轴和C轴的系统参数，具体包括：

如图2所示，安装和调试标准球9，保证其安装在圆盘8的中心位置：

手动将标准球放在圆盘的中心位置，此时存在位置误差，然后用激光测头沿着X轴方向打在标准球上面，之后转动圆盘；

若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um,此时按照数值变化的规律调整标准球位置，直至放到中心位置；

如图3所示，X轴，Y轴和Z轴的系统参数已知，然后标定C轴的系统参数：

将标准球放在旋转的圆盘8中心后将激光测头打在标准球上，然后移动Z轴，保证激光测头在标准球的最大直径D处，由于已经知道标准球的直径，然后可以得出C轴在XOY平面的投影坐标；

如图4所示，标定B轴的系统参数：

将激光测头打在标准球最大的直径D上，然后将激光测头绕着Y轴旋转180°，此时要移动调准标准球使其最大直径接触到激光测头上，由于已经知道激光测头的长度为L，则可得两次标准球的相对距离为D+2L，则由此可以推算出B轴的中心轴在XOZ平面的投影点坐标。

其中，标定完成后，进行被测物的标定时，X/Y坐标标定：测头90度状态下记录标准球与转台C偏心距。测头B回到0度角，在标准球正上方沿X与Y移动；通过测量球冠算出标准球球心位置，通过系统记录球心与C轴中心位置偏差，算出X/Y与C轴中心位置到机床坐标零位的位置关系并在系统中自动记录。

系统重启机床回零后，可通过调用标定位置运动到系统零位。

Z轴坐标确定是根据被测件高度位置，通过移动X、Y轴测量被测件外球球冠位置或内球球顶位置移动找到最高或最低点位置置零后，通过调用理论半径参数进行确定。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种五坐标激光测量仪装置，其特征在于：

包括水平台、测量仪底座、X轴滑台、Y轴滑台、圆盘底座、圆盘、标准球、激光测量仪、Z轴滑台、Z轴滑台支座，其中：

X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台均根据机床笛卡尔坐标系进行确定，B轴于XOZ平面内绕Y轴旋转确定，C轴于XOY平面绕Z轴旋转确定；

测量仪底座设置于水平台上，测量仪底座上固定有X轴滑台，Y轴滑台安装于X轴滑台上并于X轴滑台上沿X轴方向前后往复滑动，圆盘底座安装于Y轴滑台上并于Y轴滑台上沿Y轴方向左右往复滑动，圆盘安装于圆盘底座上并绕C轴进行360°旋转，圆盘上放置有标准球，用于与激光测量仪配合进行B轴、C轴的参数推断，Z轴滑台安装于Z轴滑台支座上并沿Z轴方向进行上下往复滑动，激光测量仪安装于Z轴滑台上随Z轴滑台进行Z轴方向运动，并绕B轴进行180°往复摆动；

通过标准球与激光测量仪配合进行C轴的参数推断，具体为：

标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断；

完成C轴参数推断后，将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。

2.根据权利要求1所述的一种五坐标激光测量仪装置，其特征在于：

还包括防护罩一、防护罩二，分别设置于X轴滑台和Y轴滑台上进行缓冲保护。

3.根据权利要求1所述的一种五坐标激光测量仪装置，其特征在于：

标准球安装完成后进行调试以保证安装于圆盘的中心位置。

4.根据权利要求3所述的一种五坐标激光测量仪装置，其特征在于：

标准球安装及调试的具体方法为：

通过激光测量仪的激光测头沿X轴方向打在标准球上，并转动圆盘，根据激光测头反馈的数据判断标准球是否放置于圆盘的中心位置。

5.根据权利要求4所述的一种五坐标激光测量仪装置，其特征在于：

标准球放置于圆盘的中心位置的判断依据为：

若激光测头反馈的数值误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，则进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值误差在1um之内。

6.一种根据权利要求5所述的五坐标激光测量仪装置测量方法，其特征在于包括：

安装并调试标准球，直至标准球准确安装于圆盘中心位置；

获取X轴，Y轴、Z轴参数，进行C轴的参数标定；

调整标准球与激光测量仪的激光测头，进行B轴的参数标定；

其中，标准球准确安装于圆盘中心的具体步骤为：

手动将标准球放在圆盘的中心位置，通过激光测头沿着X轴方向打在标准球上并转动圆盘，若激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内，则此时标准球放在了圆盘的中心位置，若数值变化大于1um，则进行标准球位置调整直至激光测头反馈的数值无变化或者误差在1um之内。

7.根据权利要求6所述的一种五坐标激光测量仪装置测量方法，其特征在于：

C轴的参数标定的具体步骤为：

标准球放置于圆盘中心后，激光测头打在标准球上，移动Z轴滑台将激光测头置于标准球的最大直径D处，根据标准球直径获取C轴于X轴、圆盘中心、Y轴平面内的投影点坐标，完成C轴参数推断。

8.根据权利要求7所述的一种五坐标激光测量仪装置测量方法，其特征在于：

B轴的参数标定的具体步骤为：

通过标准球与激光测量仪配合进行B轴的参数推断，具体为：

完成C轴参数推断后，将激光测头置于标准球的最大直径D处，将激光测头绕着Y轴旋转180°，移动调准标准球使标准球最大直径D处，接触激光测头，根据标准球直径及激光测头长度，计算B轴的中心轴在B轴于X轴、圆盘中心、Z轴平面内的投影点坐标，完成B轴参数推断。