CN117405064A - 一种基于陀螺仪的轮廓测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陀螺仪的轮廓测量系统，包括测杆以及用于支撑所述测杆的支撑座，所述测杆以所述支撑座为支点可上下摆动，所述测杆的前端安装有触针；所述测杆的中部固定有感应电路板，所述感应电路板上集成有运动处理模块，所述运动处理模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度计以及数字运动处理器；所述感应电路板的信号输出端与数据采集板传输连接。本发明相比于传统的光栅型触针式轮廓测量仪，在受到撞击或强烈的震动时不容易受损，耐用性强，成本低。感应电路板对于安装位置没有特殊要求，易安装，更加便于整体系统设计。相较于光栅尺，运动处理模块受环境因素影响较小，对传感器测杆的直线度有更好的保证。
Description
技术领域
本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种基于陀螺仪的轮廓测量系统。
背景技术
根据测量原理的不同，一般可以将表面轮廓的测量仪分为两类：触针式轮廓测量仪和非触针式轮廓测量仪。由于触针式轮廓测量仪测量重复性好，测量范围大，测量结果稳定可靠以及测量精度较高，因此业界应用较为广泛。
触针式轮廓测量仪采用针描法（或称触针法）原理测量工件表面二维形状，包括传感器测杆、驱动器和传感器等，传感器通常采用量程范围大、线性好的光栅尺，传感器测杆一端装有金刚石触针，传感器测杆另一端装有光栅尺。测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器测杆。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针在被测表面滑行时，将产生上下移动，光栅尺利用莫尔条纹的光学原理，通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出待测件的相对高度值。
这种光栅型触针式轮廓测量仪存在以下技术问题：（1）由于光栅尺的特性，对环境条件要求较高，环境温度、湿度对其均有影响，测量时受环境因素影响较大；（2）为保证测量量程范围，光栅尺的安装位置有特殊要求，需要安装在传感器测杆的尾端，因此整体系统设计时受其安装位置影响较大；（3）在受到撞击或强烈震动时，光栅尺容易受损，耐用性较差；（4）检测时，传感器测杆的直线度无法得到保证，无法实现矫正作业。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种受环境因素影响小、易安装、耐用性强、检测时对于直线度有更好保证的基于陀螺仪的轮廓测量系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于陀螺仪的轮廓测量系统，包括测杆以及用于支撑所述测杆的支撑座，所述测杆以所述支撑座为支点可上下摆动，所述测杆的前端安装有触针；所述测杆的中部固定有感应电路板，所述感应电路板上集成有运动处理模块，所述运动处理模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度计以及数字运动处理器；所述感应电路板的信号输出端与数据采集板传输连接。
作为优选的技术方案，所述运动处理模块为MPU6050。
作为优选的技术方案，所述数据采集板上集成有嵌入式芯片STM32F407VET6。
作为优选的技术方案，所述测杆的尾端安装有配重块。
作为优选的技术方案，所述感应电路板与数据采集板通过接插件连接。
作为优选的技术方案，所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪， MEMS为微机电系统，是Micro Electromechanical Systems的简称，下同。
作为优选的技术方案，所述三轴加速度计为MEMS加速度计。
作为优选的技术方案，所述测杆中部通过轴承转动安装于所述支撑座上。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
（1）相比于传统的光栅型触针式轮廓测量仪，采用陀螺仪方式的轮廓仪在受到撞击或强烈的震动时不容易受损，耐用性强，成本低。
（2）感应电路板对于安装位置没有特殊要求，易安装，更加便于整体系统设计。
（3）运动处理模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度计以及数字运动处理器，相较于光栅尺，三轴陀螺仪、三轴加速度计受环境因素影响较小。
（4）当触针在被测表面滑行时，通过三轴陀螺仪测定角速度，通过加速度传感器测定角加速度，二者数据通过算法就可以得到PITCH、YAW、ROLL角，通过ROLL角，也就是绕X轴的翻滚角可以确定触针的主要变化，通过数据来体现轮廓变化，通过PITCH、YAW角也就是俯仰角和偏航角来辅助测量和矫正，这样对传感器测杆的直线度有更好的保证。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的主视结构示意图；
图2是本发明实施例的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例除去支撑座后的主视结构示意图；
图4是本发明实施例除去支撑座后的俯视结构示意图；
图5是运动处理模块（MPU6050）测定测杆姿态时的三轴示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1至图4所示，一种基于陀螺仪的轮廓测量系统，包括测杆1以及用于支撑所述测杆1的支撑座2，所述测杆1中部通过轴承3转动安装于所述支撑座2上，所述测杆1的前端安装有触针4，所述测杆的尾端安装有配重块5，配重块5便于测杆的平衡回落；测量时将触针4搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动测杆1，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针4在被测表面滑行时，将产生上下移动，从而带动测杆1以所述支撑座2为支点上下摆动。
参考图3和图4，所述测杆1的中部固定有感应电路板6，所述感应电路板6上集成有运动处理模块，运动处理模块可以采用MPU6050，MPU6050是一种常见的六轴加速度计陀螺仪传感器，MPU6050内部整合了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器，可以用于测量物体的加速度和角速度；所述感应电路板6与数据采集板7通过接插件8连接。所述数据采集板7上集成有嵌入式芯片STM32F407VET6，通过数据采集板7进行数据的采集，将数据传输到上位机后进行处理。
当触针4在被测表面滑行时，通过MPU6050内部的三轴MEMS陀螺仪测定测杆角速度，通过三轴MEMS加速度计测定角加速度，二者数据通过算法就可以得到PITCH、YAW、ROLL角（参考图5）。通过ROLL角，也就是绕X轴的翻滚角就可以确定触针4的主要变化，根据距离关系可以算出每一个采集时间点时的角度数据，以及对应位置的空间相对高度，来得到多组相关联的高度和横向位置的点，因此可以通过数据来体现轮廓变化，以数据依托通过算法拟合出轮廓等曲线。可以通过PITCH、YAW角也就是俯仰角和偏航角来辅助测量和矫正，这样对测杆的直线度有更好的保证。
三轴MEMS陀螺仪具有131 LSBs/°/sec 敏感度,全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec，经过换算可以达到0.0076°的分辨率，再配合10cm测杆的话，轮廓仪精度可以达到1um。输出频率采用8khz，采样率设为512hz，也就是接近每2ms采集一次数据。
本发明基于陀螺仪实现物体的轮廓测量，相比于传统的光栅型触针式轮廓测量仪，采用陀螺仪方式的轮廓仪在受到撞击或强烈的震动时不容易受损，耐用性强，成本低。集成了MPU6050的感应电路板对于安装位置没有特殊要求，易安装，更加便于整体系统设计。相较于光栅尺，三轴陀螺仪、三轴加速度计受环境因素影响较小，具有广阔的市场前景。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于陀螺仪的轮廓测量系统，包括测杆以及用于支撑所述测杆的支撑座，所述测杆以所述支撑座为支点可上下摆动，所述测杆的前端安装有触针；其特征在于：所述测杆的中部固定有感应电路板，所述感应电路板上集成有运动处理模块，所述运动处理模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度计以及数字运动处理器；所述感应电路板的信号输出端与数据采集板传输连接。
2.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述运动处理模块为MPU6050。
3.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述数据采集板上集成有嵌入式芯片STM32F407VET6。
4.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述测杆的尾端安装有配重块。
5.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述感应电路板与数据采集板通过接插件连接。
6.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪。
7.如权利要求1所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述三轴加速度计为MEMS加速度计。
8.如权利要求1至7任一项所述的基于陀螺仪的轮廓测量系统，其特征在于：所述测杆中部通过轴承转动安装于所述支撑座上。
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