CN117647200A - 一种大型工件同心度误差测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型工件的同心度检测系统及方法，具体涉及一种大型工件同心度误差测量系统及方法，解决了现有的大型工件同心度误差测量系统依靠目视读取检测结果，从而导致检测精度不高的技术问题。本发明采用了激光建立准直基准轴线、集成化的内调焦光学成像及软件控制、激光与光学轴线折反同轴、高精度PSD激光探测器自动判读激光能量重心偏差、空间图形处理、远程控制技术等，集成了精密机械、光学成像、同轴激光、图像处理、远程自动控制等领域技术，具有集成化度高、便于使用操作、便于远程操作、可实现对大型工件同心度进行高精度实时测量等多项智能化特点。

Description

一种大型工件同心度误差测量系统及方法

技术领域

本发明涉及大型工件的同心度检测系统及方法，具体涉及一种大型工件同心度误差测量系统及方法。

背景技术

大型工件的同心度检测在工业测量领域有着十分重要的应用。比如飞机、大型船舶、航天火箭制造，核电蒸汽发生器加工，锅炉内部构件安装等领域，部分场合下其结构尺寸较大，直径轮廓一般为4m左右、长度方向10米以上。采用传统光学瞄准镜检测大型工件的同心度，耗时费工、测量精度低，并且严重依赖工人的主观判断。

公开号为CN102788565A的中国专利，公开了一种支撑板同轴度调整测量系统，激光望远镜发出的激光光束入射至激光位置检测器中，通过激光位置检测器或通过目视激光望远镜分划板的读数获得同心度误差，其中望远镜光路与从望远镜筒出射的激光光束同轴。该方案的缺点为：

望远镜调焦需操作人员转动手轮从而带动调焦镜组运动，而远距离成像相比近距离成像，手轮的转动行程更小，不易对焦、清晰成像；操作人员目视读取望远镜中分划板的刻度，精度不高，估读时不够客观；此外，当望远镜调焦至不同焦距处时，望远镜轴线会发生偏移，目视测量无法补偿偏移误差。

发明内容

本发明的目的是解决现有的大型工件同心度误差测量系统依靠目视读取检测结果，从而导致检测精度不高的技术问题，而提供一种大型工件同心度误差测量系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大型工件同心度误差测量系统，其特殊之处在于：包括CCD激光同轴望远镜、球形定位中心套、PSD激光探测器、光学照明靶标，以及信号收发装置和上位机；

所述CCD激光同轴望远镜安装在待测工件圆孔的一侧，具有激光模式和激光+CCD模式两种工作模式，包括镜筒、设置在镜筒内的CCD光学成像单元，以及设置在镜筒外的激光准直单元；所述激光准直单元产生的激光信号从镜筒出射，并且与CCD光学成像单元的光路同轴；

所述球形定位中心套的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔内；所述基准孔与待测工件圆孔同轴设置；

所述光学照明靶标在CCD激光同轴望远镜采用激光+CCD模式时，位于待测工件圆孔的另一端，并安装在待测工件圆孔内，用于标识待测工件圆孔，或者标定CCD激光同轴望远镜的模拟十字光标位置；

所述PSD激光探测器在CCD激光同轴望远镜采用激光模式时，位于待测工件圆孔的另一端，并安装在待测工件圆孔内，用于测量待测工件圆孔的同心度误差，或者与光学照明靶标配合检测、标定CCD激光同轴望远镜的模拟十字光标位置；

所述CCD光学成像单元、激光准直单元和PSD激光探测器分别通过信号收发装置与上位机连接；

所述上位机用于控制CCD光学成像单元和激光准直单元的开关，检测、标定模拟十字光标的位置，实时接收、存储并处理CCD光学成像单元采集的图像从而获得待测工件圆孔的同心度误差，以及实时接收、显示并存储PSD激光探测器测量到的待测工件圆孔的同心度误差。

进一步地，所述CCD激光同轴望远镜还包括安装在镜筒外并通过信号收发装置与上位机连接的调焦模块；

所述调焦模块用于调节CCD激光同轴望远镜的焦距。

进一步地，还包括安装在镜筒外并通过信号收发装置与上位机连接的激光倾斜传感器；

所述激光倾斜传感器用于监测CCD激光同轴望远镜的姿态变化。

进一步地，所述CCD光学成像单元、激光准直单元、激光倾斜传感器和调焦模块分别与信号收发装置通过WIFI连接；

PSD激光探测器与信号收发装置通过天线连接。

一种大型工件同心度误差测量方法，基于上述的大型工件同心度误差测量系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、检测和调校PSD激光探测器；

步骤2、校正CCD光学成像单元的中心坐标，使CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜的机械轴线同轴；

步骤3、调校激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线的同轴度；

步骤4、标定CCD激光同轴望远镜的模拟十字光标位置，模拟十字光标用于采用激光+CCD模式测量时提供不同焦距处的基准坐标；

步骤5、选择与待测工件圆孔位置对应的基准孔，将球形定位中心套的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔内，并调整CCD激光同轴望远镜的姿态，使其与基准孔和待测工件圆孔同轴；

步骤6、若采用激光模式进行测量，则进行步骤7和步骤8；若采用激光+CCD模式进行测量，则进行步骤9和步骤10；

步骤7、将PSD激光探测器安装在待测工件圆孔的另一端内，打开激光准直单元，产生激光信号；

步骤8、激光信号从镜筒出射，并由PSD激光探测器测量得到激光信号在其表面形成的激光斑点位置坐标，并将其通过信号收发装置发送至上位机，从而得到待测工件圆孔相对于基准孔的同心度误差，完成大型工件同心度误差的测量；

步骤9、将光学照明靶标安装在待测工件圆孔的另一端内，上位机控制CCD光学成像单元打开，采集光学照明靶标的图像，并将其通过信号收发装置发送至上位机进行存储和处理，获得待测工件圆孔处的光学照明靶标位置；

步骤10、计算待测工件圆孔处的光学照明靶标位置与CCD激光同轴望远镜的模拟十字光标位置的偏移量，获得待测工件圆孔的同心度误差，完成大型工件同心度误差的测量。

进一步地，步骤4具体为：

4.1、将CCD激光同轴望远镜的焦距调节为a米，a＞0，在焦点处安装同轴度检测工装，并在同轴度检测工装上安装PSD激光探测器，打开激光准直单元，调整PSD激光探测器的位置，使PSD激光探测器测量的激光斑点坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

4.2、将PSD激光探测器更换为光学照明靶标，打开CCD光学成像单元，采集光学照明靶标的图像并将其发送至上位机进行处理，获取光学照明靶标上标记位置的坐标，即为焦距为a米的模拟十字光标位置坐标；

4.3、改变a的值，重复4.1-4.2，获得m个不同位置的模拟十字光标位置坐标，其中，m≥5；

4.4、以步骤4.2和步骤4.3得到的m+1个不同位置的模拟十字光标位置为基准，进行样条插值，获得CCD激光同轴望远镜的模拟十字光标位置。

进一步地，步骤2具体为：

2.1、在与CCD激光同轴望远镜相距2000mm的位置安放自准直经纬仪，并将自准直检测工装插入镜筒的前端；

2.2、调整自准直经纬仪的姿态，使其瞄准自准直检测工装的十字分划板中心，并将自准直经纬仪的焦距调节至∞，自准直经纬仪内形成十字像；

2.3、上位机打开CCD光学成像单元，调节CCD激光同轴望远镜的焦距，使CCD激光同轴望远镜瞄准自准直经纬仪内的十字像，CCD光学成像单元采集自准直经纬仪内的十字像，并将其发送至上位机；

2.4、上位机对接收到的自准直经纬仪内的十字像进行处理，获得自准直经纬仪内十字像的位置坐标，并将其标记为(0，0)，完成CCD光学成像单元中心坐标的校正，此时CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜的机械轴线同轴。

进一步地，步骤9中，所述获得待测工件圆孔处的光学照明靶标位置的具体方法为：

上位机读取光学照明靶标的图像，并设置框选处理，在光学照明靶标的图像中框选出有效的光学靶标区域，在有效的光学靶标区域内进行计算，获得待测工件圆孔处的光学照明靶标位置。

进一步地，步骤3具体为：

3.1、将CCD激光同轴望远镜的焦距调节为50米，在焦点处安装光学照明靶标，CCD光学成像单元采集光学照明靶标的图像并将其发送至上位机进行处理，获取光学照明靶标上标记位置的坐标，调整光学照明靶标的位置，使光学照明靶标上标记位置的坐标为(0，0)，误差小于等于0.05mm；

3.2、打开激光准直单元，并调节其姿态，使激光准直单元在光学照明靶标上形成的激光斑点与光学照明靶标上的标记位置重合，重合误差小于等于0.1mm，从而使激光准直单元的轴线与CCD激光同轴望远镜的机械轴线同轴，完成激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线同轴度的调校。

进一步地，步骤1具体为：

1.1、将CCD激光同轴望远镜和同轴度检测工装相隔300mm～500mm安装在工作台上，然后在同轴度检测工装上安装PSD激光探测器，并上电；

1.2、打开激光准直单元，产生激光信号，激光信号从镜筒出射，通过同轴度检测工装进入PSD激光探测器；

1.3、PSD激光探测器测量激光信号在其表面形成的激光斑点的位置，并显示激光斑点的位置坐标(x，y)；

1.4、调节同轴度检测工装的位置，使PSD激光探测器显示的激光斑点位置坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

1.5、将PSD激光探测器旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇，y＇)，若(|x＇|，|y＇|)≤(0.020，0.020)，则PSD激光探测器满足测量要求，进行步骤；否则，进行步骤1.6，对PSD激光探测器进行调校；

1.6、调节同轴度检测工装的位置，使PSD激光探测器显示的激光斑点的位置坐标为(x＇＇/2，y＇＇/2)；

1.7、上位机通过无线收发装置对PSD激光探测器进行串口调试，使PSD激光探测器显示的激光斑点的位置坐标为(0，0)；

1.8、将PSD激光探测器旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇＇＇，y＇＇＇)，若(|x＇＇＇|，|y＇＇＇|)≤(0.020，0.020)，则完成PSD激光探测器的调校，进行步骤2；否则返回步骤1.6。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，采用了激光建立准直基准轴线、激光与光学轴线折反同轴、高精度PSD激光探测器自动判读激光能量重心偏差、空间图形处理、远程控制技术等，集成了精密机械、光学成像、同轴激光、图像处理、远程自动控制等技术，具有集成化度高、便于使用操作、便于远程操作、可实现对大型工件同心度进行高精度实时测量等多项智能化特点；

2、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，采用上位机可以实时显示并处理CCD光学成像单元采集的图像，得到当前状态对应位置的大型同心度偏差及方向，图像可以存储以便后期复查使用；

3、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，激光准直单元的开/关切换以及CCD光学成像单元的图像接收均可由上位机来远程实现，无需硬件开关来进行切换，避免了拨动硬件开关时对测量仪器本身姿态的晃动，进而避免其对测量精度的影响；

4、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，激光束由镜筒出射，入射至PSD激光探测器，由PSD激光探测器处理并显示其同心度偏差，同时通过PSD激光探测器上的天线可将多组同心度偏差数据传输至上位机中一并显示，便于及时给出装配调整方案；

5、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，设置调焦模块，通过上位机控制调焦模块，进而精密调节焦距，可以实时反馈监控望远镜当前的对焦焦距，操作更加准确直观，降低了误差；

6、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量系统，包括激光倾斜传感器，可以监测望远镜的姿态，通过上位机设置激光倾斜传感器的阈值，可以监控并警示望远镜姿态的过度变化；

7、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量方法，用模拟十字光标替代常规望远镜镜筒中的分划板，可消除系统加工镜头成像带来的误差，以及调焦模块沿望远镜轴线运动而导致的光轴偏离；

8、本发明提供的一种大型工件同心度误差测量方法，设置了一个框选处理，框选出有效的光学靶标区域后，软件仅在此区域中计算图像中光学靶标的坐标，避免了靶标周围环境光对软件计算产生的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例中大型工件同心度误差测量系统的系统结构图；

图2为本发明实施例中大型工件同心度误差测量系统的使用状态轴向剖视图；

图3为本发明实施例中CCD激光同轴望远镜的轴向剖视图；

图4为本发明实施例中CCD激光同轴望远镜的径向剖视图；

图5为本发明实施例中大型工件同心度误差测量方法步骤1的PSD激光探测器检测、调校示意图；

图6为本发明实施例中大型工件同心度误差测量方法步骤2的CCD光学成像单元校正示意图；

图7为本发明实施例中大型工件同心度误差测量方法步骤3的CCD光学成像单元与激光准直单元同轴度调校示意图；

图8为本发明实施例中大型工件同心度误差测量方法步骤4的模拟十字光标检测和标定示意图；

附图标记说明如下：

101-大型工件，102-待测工件圆孔；

1-CCD激光同轴望远镜，2-上位机，3-信号收发装置，4-PSD激光探测器，5-光学照明靶标，6-球形中心定位套，7-基准孔；

8-同轴度检测工装，9-升降调整台，10-五维调整台，11-自准直检测工装，12-自准直经纬仪；

13-面阵CCD，14-投影镜组件，15-调焦镜组，16-调焦模块，17-物镜组，18-立方分光棱镜，19-直角反射棱镜，20-激光准直透镜组，21-半导体激光器，22-激光倾斜传感器，23-拨动开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种大型工件同心度误差测量系统及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

一种大型工件同心度误差测量系统，如图1、图2所示，包括CCD激光同轴望远镜1、球形定位中心套6、PSD激光探测器4、光学照明靶标5，以及信号收发装置3和上位机2。

CCD激光同轴望远镜1安装在待测工件圆孔102的一侧，具有激光模式和激光+CCD模式两种工作模式，包括镜筒、设置在镜筒内的CCD光学成像单元、安装在镜筒外并通过信号收发装置3与上位机2连接的调焦模块16，以及设置在镜筒顶部的激光准直单元。激光准直单元产生的激光信号从镜筒出射，并且与CCD光学成像单元的光路同轴。

球形定位中心套6的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔7内，基准孔7与待测工件圆孔102同轴。光学照明靶标5在CCD激光同轴望远镜1采用激光+CCD模式时，安装在待测工件圆孔102内，并位于待测工件圆孔102的另一端，用于标识待测工件圆孔102的位置，或者标定CCD激光同轴望远镜1的模拟十字光标。PSD激光探测器4在CCD激光同轴望远镜1采用激光模式时，安装在待测工件圆孔102内，并位于待测工件圆孔102的另一端，用于测量待测工件圆孔102的同心度误差，或者与光学照明靶标5配合标定CCD激光同轴望远镜1的模拟十字光标。

如图3、图4所示，CCD光学成像单元包括从镜筒的前端到后端依次设置，并位于同一光轴上的面阵CCD13、投影镜组件14、调焦镜组15、物镜组17和立方分光棱镜18。调焦模块16与上位机2连接，用于调节CCD激光同轴望远镜7的焦距，包括调焦电机、丝杠和镜座。镜筒下部沿轴向开设有位移槽，调焦电机安装在位移槽的一端，其输出轴上沿镜筒轴向安装丝杠，丝杠上安装有镜座，调焦镜组15安装在镜座上并位于镜筒内。调焦电机通过丝杠上连接的镜座带动调焦镜组15沿望远镜轴线做直线运动，进而精密调节焦距。激光准直单元包括从镜筒的前端到后端依次设置并与镜筒平行的半导体激光器21、激光准直透镜组20和直角反射棱镜19。

面阵CCD13、半导体激光器21、PSD激光探测器4和调焦模块16分别通过信号收发装置3与上位机2连接。其中，面阵CCD13、半导体激光器21、和调焦模块16分别与信号收发装置3通过WIFI连接，PSD激光探测器4与信号收发装置3通过天线连接。上位机2用于控制调焦模块16从而调节CCD激光同轴望远镜1的焦距，控制面阵CCD13和半导体激光器21的开关，检测、标定模拟十字光标的位置，实时接收、存储并处理面阵CCD13采集的图像从而获得待测工件圆孔102的同心度误差，以及实时接收、显示并存储PSD激光探测器4测量到的待测工件圆孔102的同心度误差。

激光倾斜传感器22用于监测CCD激光同轴望远镜7的姿态变化，安装在镜筒外，并通过信号收发装置3与上位机2连接。激光倾斜传感器22与信号收发装置3通过WIFI连接。激光倾斜传感器22选择角度传感器，通过在上位机2内设置角度传感器的阈值，可以监控并警示望远镜姿态的过度变化。电压检测模块分别与半导体激光器21、上位机2连接，用于检测半导体激光器21的工作状态，并将其发送至上位机2。

本实施例提供的大型工件同心度误差测量系统不仅能够使用CCD光学成像单元对瞄准的有限远和无穷远目标进行CCD成像，而且还可以使用激光准直单元读取有限远处PSD激光探测器上的激光光斑坐标。

光学元件运动由上位机2控制，CCD光学成像单元与激光准直单元测量的数据均通过WIFI无线传输至上位机2。CCD光学成像单元的瞄准目标图像经上位机2处理后，获得大型工件101待测工件圆孔102的同心度误差及方向；激光准直单元由PSD激光探测器4将同心度误差数据直接传入上位机2。

CCD光学成像单元与激光准直单元的切换由上位机2控制，或者在镜筒上设置拨动开关23，由拨动开关23控制。CCD激光同轴望远镜1上拨动开关23设置两个档位，分别为“激光”档位和“CCD+激光”档位。当拨动开关23拨动至“激光”档位时，开启激光模式，半导体激光器21为打开状态，CCD激光同轴望远镜7仅能使用激光准直单元，测量时在待测工件圆孔102处安装PSD激光探测器4，可以直接在PSD激光探测器4上读取各位置处的同心度误差数值，也可以使用上位机2来查看由PSD激光探测器4回传的同心度误差数值。

当拨动开关23拨动至“CCD+激光”档位时，开启CCD+激光模式，CCD激光同轴望远镜1中的激光准直单元与CCD光学成像单元均通过上位机来控制进行切换与使用。打开半导体激光器21后与激光工作模式的操作相同，关闭半导体激光器21后，开启CCD光学成像单元，测量时在待检测圆孔处安装光学照明靶标，使用上位机2远程控制调焦模块16实现自动调焦，再通过CCD激光同轴望远镜1后端的面阵CCD13采集图像并实时回传给上位机2，上位机2对获取的图像数据进行同心度误差计算并显示。

本实施例还提供一种大型工件同心度误差测量方法，基于上述的大型工件同心度误差测量系统，包括以下步骤：

步骤1、检测和调校PSD激光探测器4，具体步骤为：

1.1、如图5所示，将CCD激光同轴望远镜1安装在升降调整台9上，将同轴度检测工装8安装在五维调整台10上，并使CCD激光同轴望远镜1和同轴度检测工装8相隔300mm～500mm，然后在同轴度检测工装8上安装PSD激光探测器4，并上电；

1.2、打开半导体激光器21，产生激光信号，激光信号从镜筒出射进入PSD激光探测器4；同轴度检测工装8上有一个通孔，用于和PSD激光探测器4插接配合，固定PSD激光探测器4的位置；

1.3、PSD激光探测器4测量激光信号在其表面形成的激光斑点的位置，并显示激光斑点的位置坐标(x，y)；

1.4、调节五维调整台10，从而调节同轴度检测工装8的位置，使PSD激光探测器4显示的激光斑点的位置坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

1.5、将PSD激光探测器4旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇，y＇)，若(|x＇|，|y＇|)≤(0.020，0.020)，则PSD激光探测器4满足测量要求，进行步骤2；否则，进行步骤1.6，对PSD激光探测器4进行调校；

1.6、调节五维调整台10，从而调节同轴度检测工装8的位置，使PSD激光探测器4显示的激光斑点的位置坐标为(x＇＇/2，y＇＇/2)；

1.7、上位机2通过无线收发装置3对PSD激光探测器4进行串口调试，使PSD激光探测器4显示的激光斑点的位置坐标为(0，0)；可通过串口调试助手comdebug.exe，选择无线收发装置3所在的端口，设置波特率9600，8个数据位，一个停止位，奇校验，向端口发送“AA07BB”，PSD激光探测器4显示的激光斑点的位置坐标为(0，0)，完成串口调试；

1.8、将PSD激光探测器4旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇＇＇，y＇＇＇)，若(|x＇＇＇|，|y＇＇＇|)≤(0.020，0.020)，则完成PSD激光探测器4的调校，进行步骤2；否则返回步骤1.6。

步骤2、校正CCD光学成像单元的中心坐标，使CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜1的机械轴线同轴，具体步骤为：

2.1、如图6所示，在与CCD激光同轴望远镜1相距2000mm的位置安放自准直经纬仪12，并将自准直检测工装11插入镜筒的前端；

2.2、调整自准直经纬仪12的姿态，使其瞄准自准直检测工装11的十字分划板中心，并将自准直经纬仪12的焦距调节至∞，自准直经纬仪12内形成十字像，使自准直经纬仪12与自准直检测工装11的十字分划板前表面反射像自准直；

2.3、上位机2打开面阵CCD13，调节CCD激光同轴望远镜1的焦距，使CCD激光同轴望远镜1瞄准自准直经纬仪12内的十字像，面阵CCD13采集自准直经纬仪12内的十字像，并将其发送至上位机2；

2.4、上位机2对接收到的自准直经纬仪12内的十字像进行处理，获得自准直经纬仪12内十字像的位置坐标，并将其标记为(0，0)，完成面阵CCD13中心坐标的校正，此时CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜1机械轴线同轴。

步骤3、调校激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线的同轴度，具体步骤为：

3.1、如图7所示，将CCD激光同轴望远镜1的焦距调节为50米，在焦点处安装光学照明靶标5，面阵CCD13采集光学照明靶标5的图像并将其发送至上位机2进行处理，获取光学照明靶标5上标记位置的坐标，调整光学照明靶标5的位置，使光学照明靶标5上标记位置的坐标为(0，0)，误差小于等于0.05mm；

3.2、打开半导体激光器21，并调节其位置，使激光准直单元在光学照明靶标5上形成的激光斑点与光学照明靶标5上的标记位置重合，重合误差小于等于0.1mm，从而使激光轴线与CCD激光同轴望远镜的机械轴线同轴，完成激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线同轴度的调校。

步骤4、标定模拟十字光标的位置，所述模拟十字光标用于采用激光+CCD模式测量时提供不同焦距处的基准坐标，具体步骤为：

4.1、将CCD激光同轴望远镜1的焦距调节为0.5米，如图8所示，在焦点处安装同轴度检测工装8，并在同轴度检测工装8上安装PSD激光探测器4，调整PSD激光探测器4的位置，使PSD激光探测器4测量的激光斑点坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

4.2、将PSD激光探测器4更换为光学照明靶标5，打开面阵CCD13采集光学照明靶标4的图像并将其发送至上位机2进行处理，获取光学照明靶标5上标记位置的坐标，即为焦距为0.5米的模拟十字光标位置坐标；

4.3、分别将CCD激光同轴望远镜1的焦距调节为1米、2米、3米、4米、5米、6米、7米、8米、9米和10米，按照步骤4.1和步骤4.2的方法，获得焦距分别为1米、2米、3米、4米、5米、6米、7米、8米、9米和10米的模拟十字光标位置坐标；

4.4、以步骤4.2和步骤4.3得到的焦距为0.5米、1米、2米、3米、4米、5米、6米、7米、8米、9米和10米的模拟十字光标位置为基准，进行样条插值，获得CCD激光同轴望远镜1的模拟十字光标位置。

步骤5、选择与待测工件圆孔102位置对应的基准孔7，将球形定位中心套6的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔7内，并调整CCD激光同轴望远镜1的姿态，使其与基准孔7和待测工件圆孔102同轴。

步骤6、若采用激光模式进行测量，则进行步骤7和步骤8；若采用激光+CCD模式进行测量，则进行步骤9和步骤10。

步骤7、将PSD激光探测器4安装在待测工件圆孔102的另一端内，打开半导体激光器21，产生激光信号。

步骤8、激光信号经过激光准直组件和光学成像组件后从镜筒出射，并由PSD激光探测器4测量得到激光信号在其表面形成的激光斑点位置坐标，从而得到待测工件圆孔102相对于基准孔7的同心度误差，完成大型工件101同心度误差的测量。

步骤9、将光学照明靶标5安装在待测工件圆孔102的另一端内，上位机2控制面阵CCD13打开，面阵CCD13通过光学成像组件采集光学照明靶标5的图像，并将其发送至上位机2处理，获得待测工件圆孔102处的光学照明靶标5位置。

步骤10、计算待测工件圆孔102处的光学照明靶标5位置与CCD激光同轴望远镜1的模拟十字光标位置的偏移量，获得待测工件圆孔102的同心度误差，完成大型工件101同心度误差的测量。

本实施例提供的大型工件同心度误差测量方法中，通过在上位机2中输入的调焦焦距控制调焦电机转动，当调焦电机带动调焦镜组15沿望远镜机械轴线切换方向运动时，先沿目标方向超程运动一段距离，再反向运动至理论位置，可消除反向移动时调焦电机的蜗轮蜗杆及其他机构产生的间隙。

Claims (10)

1.一种大型工件同心度误差测量系统，其特征在于：包括CCD激光同轴望远镜(1)、球形定位中心套(6)、PSD激光探测器(4)、光学照明靶标(5)，以及信号收发装置(3)和上位机(2)；

所述CCD激光同轴望远镜(1)安装在待测工件圆孔(102)的一端，具有激光模式和激光+CCD模式两种工作模式，包括镜筒、设置在镜筒内的CCD光学成像单元，以及设置在镜筒外的激光准直单元；所述激光准直单元产生的激光信号从镜筒出射，并且与CCD光学成像单元的光路同轴；

所述球形定位中心套(6)的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔(7)内；所述基准孔(7)与待测工件圆孔(102)同轴设置；

所述光学照明靶标(5)在CCD激光同轴望远镜(1)采用激光+CCD模式时，安装在待测工件圆孔(102)内，并位于待测工件圆孔(102)的另一端，用于标识待测工件圆孔(102)的位置，或者标定CCD激光同轴望远镜(1)的模拟十字光标；

所述PSD激光探测器(4)在CCD激光同轴望远镜(1)采用激光模式时，位于待测工件圆孔(102)的另一端，并安装在待测工件圆孔(102)内，用于测量待测工件圆孔(102)的同心度误差，或者与光学照明靶标(5)配合标定CCD激光同轴望远镜(1)的模拟十字光标；

所述CCD光学成像单元、激光准直单元和PSD激光探测器(4)分别通过信号收发装置(3)与上位机(2)连接；

所述上位机(2)用于控制CCD光学成像单元和激光准直单元的开关，检测、标定模拟十字光标的位置，实时接收、存储并处理CCD光学成像单元采集的图像从而获得待测工件圆孔(102)的同心度误差，以及实时接收、显示并存储PSD激光探测器(4)测量到的待测工件圆孔(102)的同心度误差。

2.根据权利要求1所述的一种大型工件同心度误差测量系统，其特征在于：所述CCD激光同轴望远镜(1)还包括安装在镜筒外并通过信号收发装置(3)与上位机(2)连接的调焦模块(16)；

所述调焦模块(16)用于调节CCD激光同轴望远镜(1)的焦距。

3.根据权利要求2所述的一种大型工件同心度误差测量系统，其特征在于：还包括安装在镜筒外并通过信号收发装置(3)与上位机(2)连接的激光倾斜传感器(22)；

所述激光倾斜传感器(22)用于监测CCD激光同轴望远镜(1)的姿态变化。

4.根据权利要求3所述的一种大型工件同心度误差测量系统，其特征在于：所述CCD光学成像单元、激光准直单元、激光倾斜传感器(22)和调焦模块(16)分别与信号收发装置(3)通过WIFI连接；

所述PSD激光探测器(4)与信号收发装置(3)通过天线连接。

5.一种大型工件同心度误差测量方法，基于权利要求1-4任一所述的大型工件同心度误差测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、检测和调校PSD激光探测器(4)；

步骤2、校正CCD光学成像单元的中心坐标，使CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜(1)的机械轴线同轴；

步骤3、调校激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线的同轴度；

步骤4、标定CCD激光同轴望远镜(1)的模拟十字光标位置，模拟十字光标用于采用激光+CCD模式测量时提供不同焦距处的基准坐标；

步骤5、选择与待测工件圆孔(102)同轴的基准孔(7)，将球形定位中心套(6)的球形端插入镜筒的前端，另一端插入基准孔(7)内，并调整CCD激光同轴望远镜(1)的姿态，使其与基准孔(7)和待测工件圆孔(102)同轴；

步骤6、若采用激光模式进行测量，则进行步骤7和步骤8；若采用激光+CCD模式进行测量，则进行步骤9和步骤10；

步骤7、将PSD激光探测器(4)安装在待测工件圆孔(102)的另一端内，打开激光准直单元，产生激光信号；

步骤8、激光信号从镜筒出射，并由PSD激光探测器(4)测量得到激光信号在其表面形成的激光斑点位置坐标，并将其通过信号收发装置(3)发送至上位机(2)，从而得到待测工件圆孔(102)相对于基准孔(7)的同心度误差，完成大型工件(101)同心度误差的测量；

步骤9、将光学照明靶标(5)安装在待测工件圆孔(102)的另一端内，上位机(2)控制CCD光学成像单元打开，采集光学照明靶标(5)的图像，并将其通过信号收发装置(3)发送至上位机(2)进行存储和处理，获得待测工件圆孔(102)处的光学照明靶标(5)位置；

步骤10、计算待测工件圆孔(102)处的光学照明靶标(5)位置与CCD激光同轴望远镜(1)的模拟十字光标位置的偏移量，从而获得待测工件圆孔(102)的同心度误差，完成大型工件(101)同心度误差的测量。

6.根据权利要求5所述的一种大型工件同心度误差测量方法，其特征在于，步骤4具体为：

4.1、将CCD激光同轴望远镜(1)的焦距调节为a米，a＞0，在焦点处安装同轴度检测工装(8)，并在同轴度检测工装(8)上安装PSD激光探测器(4)，打开激光准直单元，调整PSD激光探测器(4)的位置，使PSD激光探测器(4)测量的激光斑点坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

4.2、将PSD激光探测器(4)更换为光学照明靶标(5)，打开CCD光学成像单元，采集光学照明靶标(4)的图像并将其发送至上位机(2)进行处理，获取光学照明靶标(5)上标记位置的坐标，即为焦距为a米的模拟十字光标位置坐标；

4.3、改变a的值，重复4.1-4.2，获得m个不同位置的模拟十字光标位置坐标，其中，m≥5；

4.4、以步骤4.2和步骤4.3得到的m+1个不同位置的模拟十字光标位置为基准，进行样条插值，获得CCD激光同轴望远镜(1)的模拟十字光标位置。

7.根据权利要求5或6所述的一种大型工件同心度误差测量方法，其特征在于，步骤2具体为：

2.1、在与CCD激光同轴望远镜(1)相距2000mm的位置安放自准直经纬仪(12)，并将自准直检测工装(11)插入镜筒的前端；

2.2、调整自准直经纬仪(12)的姿态，使其瞄准自准直检测工装(11)的十字分划板中心，并将自准直经纬仪(12)的焦距调节至∞，自准直经纬仪(12)内形成十字像；

2.3、上位机(2)打开CCD光学成像单元，调节CCD激光同轴望远镜(1)的焦距，使CCD激光同轴望远镜(1)瞄准自准直经纬仪(12)内的十字像，CCD光学成像单元采集自准直经纬仪(12)内的十字像，并将其发送至上位机(2)；

2.4、上位机(2)对接收到的自准直经纬仪(12)内的十字像进行处理，获得自准直经纬仪(12)内十字像的位置坐标，并将其标记为(0，0)，完成CCD光学成像单元中心坐标的校正，此时CCD光学成像单元的轴线与CCD激光同轴望远镜(1)的机械轴线同轴。

8.根据权利要求7所述的一种大型工件同心度误差测量方法，其特征在于，步骤9中，所述获得待测工件圆孔(102)处的光学照明靶标位置的具体方法为：

上位机(2)读取光学照明靶标(5)的图像，并设置框选处理，在光学照明靶标(5)的图像中框选出有效的光学靶标区域，在有效的光学靶标区域内进行计算，获得待测工件圆孔(102)处的光学照明靶标位置。

9.根据权利要求7或8所述的一种大型工件同心度误差测量方法，其特征在于，步骤3具体为：

3.1、将CCD激光同轴望远镜(1)的焦距调节为50米，在焦点处安装光学照明靶标(5)，CCD光学成像单元采集光学照明靶标(5)的图像并将其发送至上位机(2)进行处理，获取光学照明靶标(5)上标记位置的坐标，调整光学照明靶标(5)的位置，使光学照明靶标(5)上标记位置的坐标为(0，0)，误差小于等于0.05mm；

3.2、打开激光准直单元，并调节其姿态，使激光准直单元在光学照明靶标(5)上形成的激光斑点与光学照明靶标(5)上的标记位置重合，重合误差小于等于0.1mm，从而使激光准直单元的轴线与CCD激光同轴望远镜的机械轴线同轴，完成激光准直单元轴线与CCD光学成像单元轴线同轴度的调校。

10.根据权利要求7-9任一所述的一种大型工件同心度误差测量方法，其特征在于，步骤1具体为：

1.1、将CCD激光同轴望远镜(1)和同轴度检测工装(8)相隔300mm～500mm安装在工作台上，然后在同轴度检测工装(8)上安装PSD激光探测器(4)，并上电；

1.2、打开激光准直单元，产生激光信号，激光信号从镜筒出射，通过同轴度检测工装(8)进入PSD激光探测器(4)；

1.3、PSD激光探测器(4)测量激光信号在其表面形成的激光斑点的位置，并显示激光斑点的位置坐标(x，y)；

1.4、调节同轴度检测工装(8)的位置，使PSD激光探测器(4)显示的激光斑点位置坐标为(0，0)，误差小于0.02mm；

1.5、将PSD激光探测器(4)旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇，y＇)，若(|x＇|，|y＇|)≤(0.020，0.020)，则PSD激光探测器(4)满足测量要求，进行步骤2；否则，进行步骤1.6，对PSD激光探测器(4)进行调校；

1.6、调节同轴度检测工装(8)的位置，使PSD激光探测器(4)显示的激光斑点的位置坐标为(x＇＇/2，y＇＇/2)；

1.7、上位机(2)通过无线收发装置(3)对PSD激光探测器(4)进行串口调试，使PSD激光探测器(4)显示的激光斑点的位置坐标为(0，0)；

1.8、将PSD激光探测器(4)旋转180°，并读取其显示的激光斑点的位置坐标(x＇＇＇，y＇＇＇)，若(|x＇＇＇|，|y＇＇＇|)≤(0.020，0.020)，则完成PSD激光探测器(4)的调校，进行步骤2；否则返回步骤1.6。