CN114952427B - 一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，包括：底座单元、准直系统、探测系统、反射镜单元；底座单元包括磁吸基底和水平调节旋钮；准直系统包括镜管和设置在镜管内的半导体激光器、孔径光阑、聚焦透镜组、偏振分光镜、1/4波片、准直透镜和自适应调节装置；探测系统包括四象限探测器、光斑位置显示屏、信号处理单元以及电源；反射镜单元包括反射镜、磁吸底座；磁吸基底直接与镜管连接；镜管中的偏振分光镜一侧通过准直透镜连接四象限探测器，另一侧通过1/4波片连接反射镜；电源和信号处理单元设置在磁吸基底内，电源和信号处理单元分别通过电源线连接半导体激光器、四象限探测器、光斑位置显示屏和自适应调节装置。

Description

一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置

技术领域

本发明涉及激光准直测量技术领域，具体而言，尤其涉及一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，传统的计量手段已经无法满足生产实际的需要，迫切要求开发精度高、使用方便，适用于生产现场的形位及运动误差测量设备。近年来，以准直激光束作为直线基准的测量方法得到了很大发展，激光准直技术在直线度、同轴度、平面度、平行度等形位误差测量中得到了广泛的应用，准直技术的研究是计量测试的重要研究领域之一。

激光准直由于其测量精度高、易操作、测量稳定性高等优点，近年来广泛被应用在小角度测量、机床导轨的平行度、直线度、平面度等的测量、内外圆同轴度的测量以及水电站大坝的状态检测和隧道修建等领域。当前用于现场加工钢结构件的铣床，其回转臂的姿态测量多使用激光的方法，通过在铣床中心设置标靶，通过人眼观察激光光斑在镖靶上的位置来判断超长回转臂的姿态。当回转臂较长(大于20米)时，人眼判断镖靶上光斑位置变化的误差较大，精度较低，且无法实时测量回转臂的姿态。此外，对于超长回转臂，小角度姿态的变化都会导致过大的光斑漂移，而现有激光准直装置无法在测量过程中根据姿态的变化情况自动调节测量范围。

发明内容

根据上述提出现有激光准直装置无法在测量过程中根据姿态的变化情况自动调节测量范围的技术问题，而提供一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置。本发明具有测量精度高、量程范围大、自适应性强、调节方便等特点，可应用于臂长超过20m的超大构件加工铣床，解决当前缺乏超长回转臂姿态大范围、高精度、实时测量装置的难题。

本发明采用的技术手段如下：

一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，包括：底座单元、准直系统、探测系统、反射镜单元；其中：

底座单元，包括磁吸基底和水平调节旋钮；

准直系统，包括镜管和设置在镜管内的半导体激光器、孔径光阑、聚焦透镜组、偏振分光镜、1/4波片、准直透镜和自适应调节装置；

探测系统，包括四象限探测器、光斑位置显示屏、激光器电源线、信号处理单元、四象限探测器电缆线以及电源；

反射镜单元包括反射镜、磁吸底座；

磁吸基底直接与镜管连接；镜管中的偏振分光镜一侧通过准直透镜连接四象限探测器，另一侧通过1/4波片连接反射镜；电源和信号处理单元设置在磁吸基底内，电源和信号处理单元分别通过激光器电源线连接半导体激光器，通过四象限探测器电缆线连接四象限探测器，通过电缆线连接光斑位置显示屏和自适应调节装置。

进一步地，所述准直系统中：

孔径光阑和聚焦透镜组用于进一步调整光路，消除光束外围杂散光并将光束聚焦在不同距离上；

偏振分光镜和1/4波片用于是将半导体激光器发出的光束分为p光和s光，其中，s光被偏振分光镜反射通过1/4波片，后由反射镜反射回，再经1/4波片偏振为p光后通过偏振分光镜经准直透镜聚焦在四象限探测器探测窗口上。

进一步地，所述聚焦透镜组包括固定端聚焦凸透镜、自由端聚焦凸透镜。

进一步地，所述自适应调节装置包括伺服电机、伺服电机齿轮、丝杆、丝杆齿轮和激光器夹具；其中：

伺服电机连接伺服电机齿轮，伺服电机齿轮与丝杆齿轮啮合，激光器夹具固定在丝杆上，作用是当四象限探测器上光斑向上或向下移动至消失时，伺服电机带动由激光器夹具所固定的半导体激光器向上或者向下移动进行自适应调节，使光束能再次进入装置。

进一步地，所述铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置安装在回转臂一端，反射镜单元安装在回转臂另一端正上方，且在镜管前。

进一步地，所述镜管的一端设有镜盖，且镜管上还设置有聚焦透镜间距调节旋钮和激光器自适应调节旋钮；其中，镜盖用于罩住自准直仪物镜，防止灰尘和水汽对物镜的污染；聚焦透镜间距调节旋钮用于调整测量距离；激光器自适应调节旋钮用于进行手动复位。

进一步地，所述水平调节旋钮为安装在磁吸基底上的水平调节螺柱，调节水平调节螺柱的高度以用于调整装置水平。

进一步地，所述探测系统将位置信号通过蓝牙上传至上位机保存并同时显示在所述光斑位置显示屏上，所述探测系统产生实时信号，显示在光斑位置显示屏上，并同时保存数据在上位机中。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，在加工过程中，当回转臂的姿态角变化过大超过量程时，自适应调节装置的伺服机构可根据回转臂的姿态角，自动平移激光器，使激光光束能够进入准直系统镜管，完成测量，极大提高了该装置的测量范围。

2、本发明提供的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，可调焦聚焦透镜组解决了远距离作业时因激光光源发散角产生的杂散光问题，提高了四象限探测器上的光斑的质量，提高了探测精度。

3、本发明提供的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，具有测量精度高、量程范围大、自适应性强、调节方便等特点，可应用于臂长超过20m的超大构件加工铣床，解决当前缺乏超长回转臂姿态大范围、高精度、实时测量装置的难题。

基于上述理由本发明可在激光准直测量等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置自准直原理图。

图3为本发明装置激光器自适应调节原理图。

图4为本发明装置光路结构示意图。

图5为本发明装置自适应调节装置结构示意图。

图中：1、镜管；2、光斑位置显示屏；3、聚焦透镜间距调节旋钮；4、激光器自适应调节旋钮；5、磁吸基底；6、镜盖；7、水平调节旋钮；8、反射镜；9、磁吸底座10、半导体激光器；11、孔径光阑；12、聚焦透镜组；13、准直透镜；14、偏振分光镜；15、四象限探测器；16、1/4波片；17、激光器电源线；18、信号处理单元；19、自适应调节装置；20、固定端聚焦凸透镜；21、自由端聚焦凸透镜；22、丝杠；23、凸透镜夹具；24、四象限探测器电缆线；25、水平调节螺柱；26、电源；27、伺服电机；28、伺服电机齿轮29、丝杆；30、丝杆齿轮；31、激光器夹具。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-4所示，本发明提供了一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，包括：底座单元、准直系统、探测系统、反射镜单元；其中：

底座单元，包括磁吸基底5和水平调节旋钮7；

准直系统，包括镜管和设置在镜管内的半导体激光器10孔径光阑11、聚焦透镜组12、偏振分光镜14、1/4波片16、准直透镜13和自适应调节装置19；所述聚焦透镜组12包括固定端聚焦凸透镜20、自由端聚焦凸透镜21。

探测系统，包括四象限探测器15、光斑位置显示屏2、激光器电源线17、信号处理单元18、四象限探测器电缆线24以及电源26；

反射镜单元包括反射镜8、磁吸底座9；

磁吸基底5直接与镜管1连接；镜管1中的偏振分光镜14一侧通过准直透镜13连接四象限探测器15，另一侧通过1/4波片16连接反射镜8；电源26和信号处理单元18设置在磁吸基底5内，电源26和信号处理单元18分别通过激光器电源线17连接半导体激光器10，通过四象限探测器电缆线24连接四象限探测器15，通过电缆线连接光斑位置显示屏2和自适应调节装置19。

半导体激光器10发出的激光经过孔径光阑11后经聚焦透镜组12按距离不同聚焦，后入射偏振分光镜14后被分为p光和s光，其中的s光被反射向远端反射镜8中途通过1/4波片16，反射镜8将光线反射回偏振分光镜14再次通过1/4波片16，经过两次1/4波片16后s光偏振为p光透射过偏振分光镜14，被准直透镜13聚焦在四象限探测器15上。其中回转臂的俯仰角度变化与反射镜8的偏转角以及光束的偏转角相等，光线偏转后经过准直透镜13会在四象限探测器15上产生位移d，由此可计算出相应的小角度变化，在被测角很小，约在±10’以内时，测量公式可近似为α＝d/2f，其中d为反射回来p光经准直透镜13聚焦在四象限探测器15上光斑中心位置的变化量，而f为准直透镜13的焦距，由此可以通过位移大小计算回转臂俯仰角大小。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置安装在回转臂一端，反射镜单元安装在回转臂另一端正上方，且在镜管1前。准直系统镜管1中的半导体激光器10发射出激光，激光被反射镜单元反射回准直系统镜管1后进入探测系统，在回转臂姿态变化时获得实时光斑位置信号。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图5所示，所述自适应调节装置19包括伺服电机驱动器、伺服电机27、伺服电机齿轮28、丝杆29、丝杆齿轮30和激光器夹具31；其中：伺服电机27连接伺服电机齿轮28，伺服电机齿轮28与丝杆齿轮30啮合，激光器夹具31固定在丝杆29上，作用是当四象限探测器15上光斑向上或向下移动至消失时，伺服电机27带动由激光器夹具31所固定的半导体激光器10向上或者向下移动进行自适应调节，使光束能再次进入装置。伺服电机27转动带动伺服电机齿轮28啮合丝杆齿轮30使丝杆29转动以自动平移半导体激光器10，使激光光束能够进入准装置直系统镜管1自动完成自适应调节。当回转臂的姿态角变化过大超过导致光斑漂移出准直系统镜管1，无法测量此时回转臂的姿态角，所述自适应调节装置19中的伺服电机驱动器能够接收所述探测系统中信号处理单元发出由于光斑漂移出准直系统镜管的信号。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述镜管1的一端设有镜盖6，且镜管1上还设置有聚焦透镜间距调节旋钮3和激光器自适应调节旋钮4；其中，镜盖6用于罩住自准直仪物镜，防止灰尘和水汽对物镜的污染；聚焦透镜间距调节旋钮3用于调整测量距离；对应所需测量的距离，将所述准直系统镜管1上聚焦透镜间距调节旋钮3调整至当前测量距离所对应挡位。激光器自适应调节旋钮4用于进行手动复位。重新安装使用时可以通过图1中激光器自适应调节旋钮4进行手动复位。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述水平调节旋钮7为安装在磁吸基底5上的水平调节螺柱25，调节水平调节螺柱25的高度以用于调整装置水平。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述探测系统将位置信号通过蓝牙上传至上位机保存并同时显示在所述光斑位置显示屏2上，所述探测系统产生实时信号，显示在光斑位置显示屏2上，并同时保存数据在上位机中。

光源：

本实施例中，采用半导体激光器10作高精度长距离自准直仪光源,具有体积小、抗震性强、效率高、光强高等优点，在远距离工作情况下有足够的光强。

安装实施：

在安装前，将所述反射镜单元在水平台上调节水平；将所述超长回转臂姿态自适应高精度测量装置安装在回转臂一端，调节好的反射镜单元放置于所述准直系统镜管1前，打开镜盖6；打开所述超长回转臂姿态自适应高精度测量装置激光，通过所述光斑位置显示屏2上光斑位置调节所述磁吸基底5上地水平调节旋钮7将装置调平。在安装时，将所述反射镜单元安装在回转臂另一端正上方；将所述准直系统镜管1微调至激光中心在反射镜8镜面中间后，根据所述光斑位置显示屏2上光斑位置或反射回系统光束大致位置，微调所述反射镜单元位置。对应所需测量的距离，将所述准直系统镜管1上聚焦透镜间距调节旋钮3调整至当前测量距离所对应挡位。

使用实例：

调整完成后，使用蓝牙连接超长回转臂姿态自适应高精度测量装置与上位机，上位机上会实时记录当前光斑位置数据，同时在光斑位置显示屏2上也可读出当前光斑位置数据。

自适应调节原理：

如图3所示，当反射镜8反射回来的光线透射分光镜后，光线仰角超过准直透镜13能接受的最大值，此时将半导体激光器10平移一段距离Δx，半导体激光器10发出光线相对于光轴向下平移一段距离，反射回来的光线相对也发生了一段平移，此时光线回到准直透镜13能够接收的范围内，可以测量光线的偏转角度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，包括：底座单元、准直系统、探测系统、反射镜单元；其中：

底座单元，包括磁吸基底(5)和水平调节旋钮(7)；

准直系统，包括镜管和设置在镜管内的半导体激光器(10)、孔径光阑(11)、聚焦透镜组(12)、偏振分光镜(14)、1/4波片(16)、准直透镜(13)和自适应调节装置(19)；

所述自适应调节装置(19)包括伺服电机驱动器、伺服电机(27)、伺服电机齿轮(28)、丝杆(29)、丝杆齿轮(30)和激光器夹具(31)；其中：

伺服电机(27)连接伺服电机齿轮(28)，伺服电机齿轮(28)与丝杆齿轮(30)啮合，激光器夹具(31)固定在丝杆(29)上，作用是当四象限探测器(15)上光斑向上或向下移动至消失时，伺服电机(27)带动由激光器夹具(31)所固定的半导体激光器(10)向上或者向下移动进行自适应调节，使光束能再次进入装置；

探测系统，包括四象限探测器(15)、光斑位置显示屏(2)、激光器电源线(17)、信号处理单元(18)、四象限探测器电缆线(24)以及电源(26)；

所述探测系统将位置信号通过蓝牙上传至上位机保存并同时显示在所述光斑位置显示屏(2)上，所述探测系统产生实时信号，显示在光斑位置显示屏(2)上，并同时保存数据在上位机中；

反射镜单元包括反射镜(8)、磁吸底座(9)；

磁吸基底(5)直接与镜管(1)连接；镜管(1)中的偏振分光镜(14)一侧通过准直透镜(13)连接四象限探测器(15)，另一侧通过1/4波片(16)连接反射镜(8)；电源(26)和信号处理单元(18)设置在磁吸基底(5)内，电源(26)和信号处理单元(18)分别通过激光器电源线(17)连接半导体激光器(10)，通过四象限探测器电缆线(24)连接四象限探测器(15)，通过电缆线连接光斑位置显示屏(2)和自适应调节装置(19)。

2.根据权利要求1所述的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，所述准直系统中：

孔径光阑(11)和聚焦透镜组(12)用于进一步调整光路，消除光束外围杂散光并将光束聚焦在不同距离上；

偏振分光镜(14)和1/4波片(16)用于是将半导体激光器(10)发出的光束分为p光和s光，其中，s光被偏振分光镜(14)反射通过1/4波片(16)，后由反射镜(8)反射回，再经1/4波片(16)偏振为p光后通过偏振分光镜(14)经准直透镜(13)聚焦在四象限探测器(15)探测窗口上。

3.根据权利要求2所述的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，所述聚焦透镜组(12)包括固定端聚焦凸透镜(20)、自由端聚焦凸透镜(21)。

4.根据权利要求1所述的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，所述铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置安装在回转臂一端，反射镜单元安装在回转臂另一端正上方，且在镜管(1)前。

5.根据权利要求1所述的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，所述镜管(1)的一端设有镜盖(6)，且镜管(1)上还设置有聚焦透镜间距调节旋钮(3)和激光器自适应调节旋钮(4)；其中，镜盖(6)用于罩住自准直仪物镜，防止灰尘和水汽对物镜的污染；聚焦透镜间距调节旋钮(3)用于调整测量距离；激光器自适应调节旋钮(4)用于进行手动复位。

6.根据权利要求1所述的铣床超长回转臂姿态自适应高精度测量装置，其特征在于，所述水平调节旋钮(7)为安装在磁吸基底(5)上的水平调节螺柱(25)，调节水平调节螺柱(25)的高度以用于调整装置水平。