CN117471490A - 全自动激光雷达转镜动平衡校正装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全自动激光雷达转镜动平衡校正装置及方法，X‑Y‑Z轴搬运机构的运动轨迹下方机台上布置有动平衡测量单元和激光去除材料单元，激光去除材料单元位于动平衡测量单元的一侧，读码视觉系统与动平衡测量单元正对，动平衡测量单元包含动平衡测量仪和自动螺丝机，直线运动机构上装载自动螺丝机；激光去除材料单元包含两激光器和两扫描聚焦系统，一激光器衔接一扫描聚焦系统，两扫描聚焦系统相对，两激光器置于调焦运动单元上；两扫描聚焦系统之间设有用于装载转镜夹具的加工位固定夹具，加工位固定夹具旁设有X‑Y‑θ轴运动模组。实现全自动高精度无接触无应力动平衡校正，激光去除指定角度范围的指定质量材料，提高校正效率和加工效率。

Description

全自动激光雷达转镜动平衡校正装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种全自动激光雷达转镜动平衡校正装置及其方法。

背景技术

基于飞行时间测距法的混合固态激光雷达包含激光发射系统、激光扫描系统、激光接收系统和信息处理系统，四大系统相辅相成，进而短时间内获取大量的位置点信息，并根据这些信息实现三维建模。

其中，激光发射系统主要包括激光驱动IC、激光器、激光调制器及发射光学系统，激光发射模块的工作原理为通过采用激励方式周期性地驱动激光器发射激光脉冲，并利用激光调制器控制激光发射的方向以及线数，最后通过激光扫描系统将激光发射至目标物体上，接收模块接收回波，并将回波反射至探测器；探测器将光信号转换至电信号，控制处理模块通常为一块ASIC芯片及其相关驱动电路，用于时序控制、波形算法处理并计算生成最终点云数据。

激光扫描系统由振镜和转镜组成二维扫描系统，其中转镜是回转体，由电机带动多边形棱镜做一维旋转运动，电机转子在生产过程中，由于各种因素的影响(如材料不均匀铸件的气孔或缩孔，零件重量的误差及加工误差，装配误差等)会引起转子重量上的不平衡，因此转子在装配完成后要做平衡校正，可以避免转子不平衡产生的离心惯性力引起振动和噪声，避免轴承加速磨损，延长了机械寿命。

激光雷达转镜动平衡校正方式分为加重、去重、调节等方式，加重一般是通过点胶固化、配重支架或加小金属块配重等方式完成，专利公开号为CN211826477U公开了一种激光雷达转镜结构动平衡调节装置及激光雷达，采用点胶方式；专利公开号为CN 216748059U公开了一种转镜配重结构及激光雷达，采用配重支架。去重一般使用钻削型，铣削型等，专利公开号为CN 113030923 A公开了一种激光雷达转子的动平衡校正方法，采用四个动平衡装置调节动平衡。

加重的方式一般是在转镜的AB面加工出一圈灌胶孔，通过动平衡检测装置检测出转子的不平衡量与角度位置，然后在对称角度的灌胶孔内点胶再固化，加重完成后再检测剩余不平衡量是否合格，需要经过多次重复检测和点胶固化后才能实现转子动平衡。存在缺陷有：1)点胶量精确控制难，最后的几毫克的质量很难控制；2)可靠性差，寿命低，在车规级多种复杂环境工况下，存在胶体脱落失效的可能性；3)单次点胶固化时间长，需要多次点胶。

去重方式主轴刀具产生的机械应力和振动，使轴承游隙受损，钻头磨损等，无法控制更高精度的铣削量。车规级激光雷达对噪声、振动、声振粗糙度有高要求，钻削型、铣削型等很难达到要求或者良率很低。专利公开号为CN 114142699 A公开了一种激光雷达棱镜电机的动平衡去重工艺，采用两次去重工艺，分别去除金属和玻璃，去除位置为电机壳体、紧定环及光学反射镜。两次去重分别采用不同强度的激光，两种激光成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种全自动激光雷达转镜动平衡校正装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，特点是：包含机台以及安装于其上的X-Y-Z轴搬运机构，X-Y-Z轴搬运机构的运动轨迹下方的机台上布置有动平衡测量单元、激光去除材料单元以及上料盒，激光去除材料单元位于动平衡测量单元的一侧，读码视觉系统与动平衡测量单元正对，所述动平衡测量单元包含动平衡测量仪和自动螺丝机，动平衡测量仪的一侧设有直线运动机构，直线运动机构上装载自动螺丝机，带动其直线运动；所述激光去除材料单元包含两只激光器和两套扫描聚焦系统，一激光器衔接一扫描聚焦系统，两扫描聚焦系统相对，两激光器置于调焦运动单元上，可调节两扫描聚焦系统之间的间距；两扫描聚焦系统之间设有用于装载转镜夹具的加工位固定夹具，加工位固定夹具旁设有X-Y-θ轴运动模组。

进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其中，所述读码视觉系统包含环型光源和相机，环型光源和相机固定于基座上，镜头安装于相机上，镜头与环型光源同轴且均朝向动平衡测量单元。

进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其中，所述X-Y-Z轴搬运机构包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，Y轴运动单元连接于X轴运动单元上，Z轴运动单元连接于Y轴运动单元上，Z轴运动单元上安装有用于夹取转镜夹具的夹爪或真空吸盘。

进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其中，所述X-Y-θ轴运动模组包含X轴运动机构、Y轴运动机构和θ轴运动机构，Y轴运动机构连接于X轴运动机构上，θ轴运动机构连接于Y轴运动机构上，θ轴运动机构上安装有用于带动转镜转动的摩擦轮。

进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其中，所述激光器为纳秒或皮秒脉冲激光器。

进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其中，激光去除材料单元、动平衡测量单元、读码视觉系统、X-Y-Z轴搬运机构、X-Y-θ轴运动模组接入至工控机，动平衡测量仪、直线运动机构和自动螺丝机与控制单元电性连接。

本发明全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，包括以下步骤：

1)将转镜定位于转镜夹具上，放入上料盒中，X-Y-Z轴搬运机构夹取转镜夹具至动平衡测量工位，转镜夹具置于动平衡测量仪上；

2)直线运动机构带动自动螺丝机靠向转镜夹具，自动螺丝机拧螺丝使转镜夹具与动平衡测量仪相固定；

3)测量校正转镜所需的角度和质量信息，动平衡测量仪的雷达电机驱动器控制电机达额定转速，平衡机转速检测传感器检测转速到位后，启动振动加速度和重力传感器进行测量，测量校正转镜所需的角度和质量信息，测量后将质量和角度信息发送给控制单元；

4)自动螺丝机松螺丝并退出，使转镜夹具与动平衡测量仪相分离，X-Y-Z轴搬运机构夹取转镜夹具并传送至激光去除材料加工工位，转镜夹具置于加工位固定夹具上；

5)获取转镜圆心、零位坐标，工控机读取控制单元的质量和角度信息，对转镜进行视觉对位，获取圆心坐标、零位坐标及产品追溯二维码；

6)激光器输出的激光束通过扫描聚焦系统聚焦于转镜表面，气化去除材料，通过逐层扫描一层一层去除材料，控制激光能量、脉宽、脉冲重叠率参数得到单次去除深度，通过材料密度、体积去除材料的质量计算蚀刻深度，得到扫描次数，利用激光去除转镜指定角度范围的指定质量材料；

7)运输转镜夹具至动平衡测量工位进行复测，激光加工后X-Y-Z轴搬运机构夹取转镜夹具传送至动平衡测量工位进行复测，重复步骤2)～步骤3)；

8)如果测量合格，X-Y-Z轴搬运机构夹取转镜夹具并传送至下料盒；如果测量不合格，则重复步骤4)～步骤7)，直至达到动平衡要求。

更进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，其中，X-Y-θ轴运动模组的X轴运动机构和Y轴运动机构带动摩擦轮接触加工位固定夹具上的转镜，θ轴运动机构驱动摩擦轮旋转，进而带动转镜转动，用以调节转镜加工部位。

更进一步地，上述的全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，其中，两套扫描聚焦系统分别将激光束聚焦于转镜的两表面，调焦运动单元调节扫描聚焦系统与转镜之间的间距。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明实现对激光雷达转镜全自动高精度无接触无应力动平衡校正，X-Y-Z轴搬运机构夹取承载有转镜的转镜夹具至动平衡测量工位的动平衡测量仪上，自动螺丝机拧螺丝使转镜夹具与动平衡测量仪相固定，测量校正转镜所需的角度和质量信息；再夹取转镜夹具至激光去除材料加工工位，激光器输出的激光束聚焦于转镜表面，气化去除材料，通过逐层扫描一层一层去除材料，通过激光去除转镜指定角度范围的指定质量材料；激光加工后运载转镜夹具至动平衡测量工位进行复测；自动测量与加工，大大提高动平衡校正效率；

②激光去除指定角度范围的指定质量材料，显著提升加工效率，自动化程度高，减少上下料等待时间，降低成本；

③无接触式去重，采用纳秒或皮秒激光去重，成本低，避免激光雷达电机轴承游隙受损影响NVH；去重精度高，可达最高等级G0.4。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明装置的结构示意图；

图2：激光去除材料单元的结构示意图；

图3：动平衡测量单元和读码视觉系统的结构示意图；

图4：X-Y-Z轴搬运机构的结构示意图；

图5：加工位固定夹具和X-Y-θ轴运动模组的结构示意图；

图6：本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

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定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1～5所示，全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，包含机台以及安装于其上的X-Y-Z轴搬运机构500，X-Y-Z轴搬运机构500的运动轨迹下方的机台上布置有动平衡测量单元300、激光去除材料单元100以及上料盒600，激光去除材料单元100位于动平衡测量单元300的一侧，读码视觉系统400与动平衡测量单元300正对，动平衡测量单元300包含动平衡测量仪305和自动螺丝机303，动平衡测量仪305的一侧设有直线运动机构302，直线运动机构302上装载自动螺丝机303，带动其直线运动，动平衡测量仪305、直线运动机构302和自动螺丝机303与控制单元301电性连接；激光去除材料单元100包含两只激光器101、两套扫描聚焦系统103以及同轴影像视觉系统102，一激光器衔接一扫描聚焦系统，两扫描聚焦系统相对，两激光器置于调焦运动单元104上，可调节两扫描聚焦系统之间的间距，激光器为纳秒或皮秒脉冲激光器；两扫描聚焦系统之间设有用于装载转镜夹具的加工位固定夹具200，加工位固定夹具200旁设有X-Y-θ轴运动模组800。激光去除材料单元100、动平衡测量单元300、读码视觉系统400、X-Y-Z轴搬运机构500、X-Y-θ轴运动模组800接入至工控机700。

读码视觉系统400包含环型光源401和相机403，环型光源401和相机403固定于基座上，镜头402安装于相机403上，镜头402与环型光源401同轴且均朝向动平衡测量单元300。读码视觉系统400用于读取采集产品追溯二维码，同轴影像视觉系统102，获取圆心坐标、零位坐标及产品追溯二维码，动平衡测试完后读码视觉系统400读完码处于缓存工位等待，因为动平衡测量快，激光加工慢，读码视觉系统400读完码后会保存动平衡测量的质量和角度数据，加工位的同轴影像视觉系统102获取质量和角度信息。

X-Y-Z轴搬运机构500包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，Y轴运动单元连接于X轴运动单元上，Z轴运动单元连接于Y轴运动单元上，Z轴运动单元上安装有用于夹取转镜夹具的夹爪或真空吸盘。

X-Y-θ轴运动模组800包含X轴运动机构、Y轴运动机构和θ轴运动机构，Y轴运动机构连接于X轴运动机构上，θ轴运动机构连接于Y轴运动机构上，θ轴运动机构上安装有用于带动转镜转动的摩擦轮。

全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，如图6，具体步骤如下：

1)将转镜定位于转镜夹具304上，放入上料盒600中，X-Y-Z轴搬运机构500夹取承载有转镜的转镜夹具304至动平衡测量工位，转镜夹具304置于动平衡测量仪305上；

2)直线运动机构302带动自动螺丝机303靠向转镜夹具304，自动螺丝机303拧螺丝使转镜夹具304与动平衡测量仪305相固定；

3)测量校正转镜所需的角度和质量信息，动平衡测量仪305的雷达电机驱动器控制电机达额定转速，平衡机转速检测传感器检测转速到位后，启动振动加速度和重力传感器进行测量，测量校正转镜所需的角度和质量信息，测量后将质量和角度信息发送给工控机700；

4)自动螺丝机303松螺丝并退出，使转镜夹具304与动平衡测量仪305相分离，X-Y-Z轴搬运机构500夹取转镜夹具并传送至激光去除材料加工工位，承载有转镜的转镜夹具304置于加工位固定夹具200上；

5)获取转镜圆心、零位坐标，工控机700读取控制单元301的质量和角度信息，同轴影像视觉系统102对转镜进行视觉对位，获取圆心坐标、零位坐标及产品追溯二维码；

6)激光器101输出的激光束通过扫描聚焦系统103聚焦于转镜表面，气化去除材料，通过逐层扫描一层一层去除材料，控制激光能量、脉宽、脉冲重叠率参数得到单次去除深度，通过材料密度、体积去除材料的质量计算蚀刻深度，进而得到扫描次数，利用激光去除转镜指定角度范围的指定质量材料；X-Y-θ轴运动模组800的X轴运动机构和Y轴运动机构可带动摩擦轮接触加工位固定夹具200上的转镜，θ轴运动机构驱动摩擦轮旋转，进而带动转镜转动，可以调节转镜加工部位；两套扫描聚焦系统103分别将激光束聚焦于转镜的两表面，调焦运动单元104调节扫描聚焦系统与转镜之间的间距；

7)运输转镜夹具304至动平衡测量工位进行复测，激光加工后X-Y-Z轴搬运机构500夹取转镜夹具传送至动平衡测量工位进行复测，重复步骤2)～步骤3)；

8)如果测量合格，X-Y-Z轴搬运机构500夹取转镜夹具并传送至下料盒；如果测量不合格，则重复步骤4)～步骤7)，直至达到动平衡要求。

综上所述，本发明实现对激光雷达转镜全自动高精度无接触无应力动平衡校正，自动测量与加工，大大提高动平衡校正效率，激光去除指定角度范围的指定质量材料，显著提升加工效率，自动化程度高，减少上下料等待时间，降低成本；无接触式去重，采用纳秒或皮秒激光去重，成本低，避免激光雷达电机轴承游隙受损影响NVH；去重精度高，可达最高等级G0.4。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：包含机台以及安装于其上的X-Y-Z轴搬运机构(500)，X-Y-Z轴搬运机构(500)的运动轨迹下方的机台上布置有动平衡测量单元(300)、激光去除材料单元(100)以及上料盒(600)，激光去除材料单元(100)位于动平衡测量单元(300)的一侧，读码视觉系统(400)与动平衡测量单元(300)相对，所述动平衡测量单元(300)包含动平衡测量仪(305)和自动螺丝机(303)，动平衡测量仪(305)的一侧设有直线运动机构(302)，直线运动机构(302)上装载自动螺丝机(303)，带动其直线运动；所述激光去除材料单元(100)包含两只激光器和两套扫描聚焦系统，一激光器衔接一扫描聚焦系统，两扫描聚焦系统相对，两激光器置于调焦运动单元上，可调节两扫描聚焦系统之间的间距；两扫描聚焦系统之间设有用于装载转镜夹具的加工位固定夹具(200)，加工位固定夹具(200)旁设有X-Y-θ轴运动模组(800)。

2.根据权利要求1所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：所述读码视觉系统(400)包含环型光源(401)和相机(403)，环型光源(401)和相机(403)固定于基座上，镜头(402)安装于相机(403)上，镜头(402)与环型光源(401)同轴且均朝向动平衡测量单元(300)。

3.根据权利要求1所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：所述X-Y-Z轴搬运机构(500)包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，Y轴运动单元连接于X轴运动单元上，Z轴运动单元连接于Y轴运动单元上，Z轴运动单元上安装有用于夹取转镜夹具的夹爪或真空吸盘。

4.根据权利要求1所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：所述X-Y-θ轴运动模组(800)包含X轴运动机构、Y轴运动机构和θ轴运动机构，Y轴运动机构连接于X轴运动机构上，θ轴运动机构连接于Y轴运动机构上，θ轴运动机构上安装有用于带动转镜转动的摩擦轮。

5.根据权利要求1所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：所述激光器为纳秒或皮秒脉冲激光器。

6.根据权利要求1所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正装置，其特征在于：激光去除材料单元(100)、动平衡测量单元(300)、读码视觉系统(400)、X-Y-Z轴搬运机构(500)、X-Y-θ轴运动模组(800)接入至工控机(700)，动平衡测量仪(305)、直线运动机构(302)和自动螺丝机(303)与控制单元(301)电性连接。

7.利用权利要求1所述的装置实现全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将转镜定位于转镜夹具上，放入上料盒(600)中，X-Y-Z轴搬运机构(500)夹取承载有转镜的转镜夹具至动平衡测量工位，转镜夹具置于动平衡测量仪(305)上；

2)直线运动机构(302)带动自动螺丝机(303)靠向转镜夹具，自动螺丝机(303)拧螺丝使转镜夹具与动平衡测量仪(305)相固定；

3)测量校正转镜所需的角度和质量信息，动平衡测量仪(305)的雷达电机驱动器控制电机达额定转速，平衡机转速检测传感器检测转速到位后，启动振动加速度和重力传感器进行测量，测量校正转镜所需的角度和质量信息，测量后将质量和角度信息发送给控制单元；

4)自动螺丝机(303)松螺丝并退出，使转镜夹具与动平衡测量仪(305)相分离，X-Y-Z轴搬运机构(500)夹取转镜夹具并传送至激光去除材料加工工位，承载有转镜的转镜夹具置于加工位固定夹具(200)上；

5)获取转镜圆心、零位坐标，工控机读取控制单元的质量和角度信息，对转镜进行视觉对位，获取圆心坐标、零位坐标及产品追溯二维码；

6)激光器输出的激光束通过扫描聚焦系统聚焦于转镜表面，气化去除材料，通过逐层扫描一层一层去除材料，控制激光能量、脉宽、脉冲重叠率参数得到单次去除深度，通过材料密度、体积去除材料的质量得到蚀刻深度，进而得到扫描次数，利用激光去除转镜指定角度范围的指定质量材料；

7)运载转镜夹具至动平衡测量工位进行复测，激光加工后X-Y-Z轴搬运机构(500)夹取承载有转镜的转镜夹具传送至动平衡测量工位进行复测，重复步骤2)～步骤3)；

8)如果测量合格，X-Y-Z轴搬运机构(500)夹取转镜夹具并传送至下料盒；如果测量不合格，则重复步骤4)～步骤7)，直至达到动平衡要求。

8.根据权利要求7所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，其特征在于：X-Y-θ轴运动模组(800)的X轴运动机构和Y轴运动机构带动摩擦轮接触加工位固定夹具(200)上的转镜，θ轴运动机构驱动摩擦轮旋转，进而带动转镜转动，用以调节转镜加工部位。

9.根据权利要求7所述的全自动激光雷达转镜动平衡校正方法，其特征在于：两套扫描聚焦系统分别将激光束聚焦于转镜的两表面，调焦运动单元调节扫描聚焦系统与转镜之间的间距。