CN207963771U - 一种多量程集成的激光测头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多量程集成的激光测头装置。目前多量程激光测头装置主要通过切换不同量程的测头实现，测量成本高，辅助时间长。本实用新型装置包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、定位安装件、第二量程板、第三量程板、第四量程板和压紧螺栓。每一块量程板与第一量程主基板上的位置敏感元件、接收透镜构成不同量程的测量单元。本实用新型通过不同量程板的快速切换改变测头装置的量程，从而获得四种倍率按优先数系递增的量程，一种测头装置可以应对多种不同尺度的测量对象，满足多种测量需求；测头装置结构简单，容易实现。

Description

一种多量程集成的激光测头装置

技术领域

本实用新型属于几何量激光非接触式测量技术领域，具体涉及一种多量程集成的激光测头装置。

背景技术

在几何量检测领域，激光非接触式测量方法主要包括：三角法、干涉法、飞行时间法、调频连续波法、频率梳法等。其中激光三角法测头以其较高的测量精度、便捷的应用方式、相对低廉的设备成本等优点，在几何量测量、零件形状检测、曲面数字化方面有广泛的应用。

目前的激光三角法测头量程是固定的，一种测头对应一种量程。但实际的测量任务，可能要应对多种不同尺度的测量对象，需要满足不同的测量需求，所以需要检测装置具备多量程功能。对于多量程功能需求，目前主要有三种解决方法：

(1)配备多种测头。为检测装置配备多种不同量程的激光测头，实际测量时，根据不同的测量对象与测量要求选择量程合适的传感器。

(2)与高精度升降平台配合使用。将激光测头搭载在竖直方向具有升降、精密定位功能的平台上，利用平台精确的空间移动与定位功能补偿激光测头的量程。

(3)自制变量程传感器。将激光三角法测头中的位置敏感元件设计成可移动的。实际测量时，通过改变位置敏感元件的位置改变传感器的量程。

上述方法中，方法(1)最为直接、简单地解决问题，但配备多种测头将直接增加测量成本，特别对于一些使用频次不高的量程，单独为其配置传感器成本过高。另外，当面对多种尺度各异的测量对象时，可能需要频繁地切换传感器，每一次切换都需要重新安装、校准，可能会影响测量效率。

方法(2)可以较好拓展激光测头的量程，但精密升降平台一般价格昂贵，且对测量场地、环境都有较高要求。另外升降平台一般都配备专用的控制软件，激光测头的软件集成与数据融合可能存在问题。

方法(3)可以使单个传感器获得各种不同的量程，但位置敏感元件在可移动范围内的精确定位及重复定位精度的保证较难实现。此外，量程与位置敏感元件输出的对应关系，以及各个量程位置上传感器的测量精度都要需要经过严格标定，而且需要定期进行校准，标定与校准过程非常繁琐。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种多量程集成的激光测头装置。该装置的第一量程主基板上有第一激光器、第一聚焦透镜、位置敏感元件和接收透镜，它们构成一个三角法测量单元，为第一量程。此外，测头装置配有三块量程板，每一块量程板上都有激光器和聚焦透镜。当量程板安装到第一量程主基板上时，量程板上的激光器和聚焦透镜与第一量程主基板上的位置敏感元件、接收透镜构成独立的三角法测量单元，不同的量程板构成的测量单元具有不同的量程。通过不同量程板的切换可快速改变测头装置的量程，能获得四种倍率按优先数系递增的量程。执行测量任务时，可根据待测表面的整体高度差选择合适的量程板进行测量。该测头装置可以应对多种不同尺度的测量对象，满足多种测量需求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、第二量程板、第二激光器、第二固持架、第二透镜架、第二聚焦透镜、定位安装件、第三量程板、第三激光器、第三固持架、第三聚焦透镜、第三透镜架、第四量程板、第四激光器、第四固持架、第四聚焦透镜、第四透镜架和压紧螺栓。

所述的第一量程主基板正面设有一体成型的第一凸台，第一凸台上通过螺钉固定芯片座、接收透镜架、第一固持架和第一透镜架。位置敏感元件固定在芯片座上，接收透镜固定在接收透镜架上，第一激光器固定在第一固持架上，第一聚焦透镜固定在第一透镜架上。所述第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面平行，第一激光器发出的激光束与第一聚焦透镜的主光轴重合。接收透镜的主光轴与第一凸台台面平行，且与第一聚焦透镜的主光轴之间的夹角为30°～35°；第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离等于接收透镜的主光轴与第一凸台台面的距离。位置敏感元件的受光面与接收透镜的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件受光面的中心点。

所述的第一量程主基板为长方体，第一凸台也为长方体。第一量程主基板最靠近第一聚焦透镜且与第一聚焦透镜的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽和第二定位半球槽，其中，第一定位半球槽靠近第一激光器，第二定位半球槽靠近第一聚焦透镜。第一定位半球槽的直径大于第二定位半球槽的直径。第一定位半球槽和第二定位半球槽之间等间距分布V个圆柱孔，V≥3，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块。圆柱形铁块的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块的外端面与第一量程主基板侧面平齐。第一量程主基板的背面开设有燕尾槽，燕尾槽两端开放设置。

所述的第二量程板包括第二凸台、传感器基板和连接板；第二凸台固定在传感器基板正面，第二凸台为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板平行设置；第二凸台上用螺钉固定第二固持架和第二透镜架，第二激光器固定在第二固持架上，第二聚焦透镜固定在第二透镜架上。所述第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面平行，第二激光器发出的激光束与第二聚焦透镜的主光轴重合。连接板的横截面呈梯形，且连接板与第一量程主基板背面的燕尾槽匹配；连接板的长度比燕尾槽短5～8mm。定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且第一定位半球设置在定位支板靠近第二激光器的一端，第二定位半球设置在定位支板靠近第二聚焦透镜的一端，第一定位半球和第二定位半球的直径分别与第一量程主基板的第一定位半球槽和第二定位半球槽直径相等。第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体。圆柱形永磁体的外端面与定位支板靠近连接板的侧面平齐。第二量程板装配至第一量程主基板上时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第二凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第二聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行。接收透镜光心到第二聚焦透镜主光轴的距离为2.4D₁～2.6D₁，其中，D₁为接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离。

所述的第三量程板包括第三凸台、传感器基板和连接板；第三凸台固定在传感器基板正面，第三凸台为长方体；第三量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第三量程板的传感器基板与连接板平行设置；第三量程板的传感器基板长度大于第二量程板的传感器基板长度；第三凸台上用螺钉固定第三固持架和第三透镜架，第三激光器和第三聚焦透镜分别固定在第三固持架和第三透镜架上。第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面平行，第三激光器发出的激光束与第三聚焦透镜的主光轴重合。第三量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第三激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第三聚焦透镜的一端。该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体。该圆柱形永磁体的外端面与第三量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐。第三量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第三凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第三聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第三聚焦透镜主光轴的距离为3.9D₁～4.1D₁。

所述的第四量程板包括第四凸台、传感器基板和连接板；第四凸台固定在传感器基板正面，第四凸台为长方体；第四量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第四量程板的传感器基板与连接板平行设置；第四量程板的传感器基板长度大于第三量程板的传感器基板长度；第四凸台上用螺钉固定第四固持架和第四透镜架，第四激光器和第四聚焦透镜分别固定在第四固持架和第四透镜架上。第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面平行，第四激光器发出的激光束与第四聚焦透镜的主光轴重合。第四量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第四激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第四聚焦透镜的一端。该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体。该圆柱形永磁体的外端面与第四量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐。第四量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第四凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第四聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第四聚焦透镜主光轴的距离为6.2D₁～6.4D₁。

所述的定位安装件包括直角板和定位安装板，直角板的水平臂顶部固定有竖直设置的连接柱，竖直臂上固定定位安装板；定位安装板朝向连接柱的侧面为安装面。定位安装板的安装面与第一量程主基板背面贴合，并通过螺钉固定。所述定位安装板的中心处开设有螺纹孔，压紧螺栓与螺纹孔连接，第一量程板、第二量程板、第三量程板或第四量程板的连接板在装配状态下，压紧螺栓的尾端压紧装配在第一量程主基板上的连接板背面。

所述的第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器均为点式激光器，接收透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜均为凸透镜。

所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的功率之比，等于第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜的焦距之比，也等于接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第二聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第三聚焦透镜主光轴的距离和接收透镜光心到装配状态的第四聚焦透镜主光轴的距离之比。

所述的位置敏感元件为线阵CCD元件，或为线阵CMOS元件。

所述第一固持架固定第一激光器处的结构采用卡箍结构，该卡箍结构设有两个环面，两个环面相对端均设有耳板；两块耳板之间形成通槽；依次穿过两块耳板上通孔的锁紧螺栓与螺母连接。第二固持架、第三固持架和第四固持架与第一固持架具有相同的尺寸和结构。

所述的压紧螺栓为手拧式高头滚花螺栓。

本实用新型具有的有益效果是：

1、单个激光测头装置拥有四种倍率按优先数系递增的量程，可以满足多用测量要求，可应用于多种测量场合。

2、以燕尾槽与梯形连接板配合，磁力固定的方式实现不同量程板的切换，切换方式简单、切换过程快捷。

3、不同量程板上使用不同焦距的聚焦透镜和不同功率的激光器，减小不同量程下接收光光能、激光光斑大小变化对测量结果的影响。

4、测头装置结构简单，测量原理清晰、明确，容易实现。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中第一量程主基板的结构立体图；

图3是本实用新型中第二量程板的结构立体图；

图4是本实用新型中第三量程板的结构立体图；

图5是本实用新型中第四量程板的结构立体图；

图6是本实用新型中第一固持架的结构立体图；

图7-1是本实用新型中定位安装件的结构立体图；

图7-2是本实用新型中定位安装件的装配示意图；

图8是本实用新型实现第二量程的原理图。

图中：1、第一量程主基板，1-1、第一凸台，1-2、第一定位半球槽，1-3、圆柱形铁块、1-4、燕尾槽，1-5、第二定位半球槽，2、芯片座，3、位置敏感元件，4、接收透镜，5、接收透镜架，6、第一聚焦透镜，7、第一透镜架，8、第一固持架，8-1、通槽，8-2、耳板，8-3、锁紧螺栓，8-4、螺母，9、第一激光器，10、激光束，11、第二量程板，11-1、第二凸台，11-2、连接板，11-3、定位支板，11-4、第一定位半球、11-5、第二定位半球，11-6、圆柱形永磁体，12、第二激光器，13、第二固持架，14、第二聚焦透镜，15、第二透镜架，16、定位安装件，16-1、直角板，16-2、定位安装板，16-3、连接柱，16-4、安装面，16-5、螺纹孔，17、第三量程板，17-1、第三凸台，18、第三激光器，19、第三固持架，20、第三聚焦透镜，21、第三透镜架，22、第四量程板，22-1、第四凸台，23、第四激光器，24、第四固持架，25、第四聚焦透镜，26、第四透镜架，27、压紧螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、2、3、4和5所示，一种多量程集成的激光测头装置，包括第一量程主基板1、芯片座2、位置敏感元件3、接收透镜4、接收透镜架5、第一聚焦透镜6、第一透镜架7、第一固持架8、第一激光器9、第二量程板11、第二激光器12、第二固持架13、第二聚焦透镜14、第二透镜架15、定位安装件16、第三量程板17、第三激光器18、第三固持架19、第三聚焦透镜20、第三透镜架21、第四量程板22、第四激光器23、第四固持架24、第四聚焦透镜25、第四透镜架26和压紧螺栓27。

如图1和2所示，第一量程主基板1正面设有一体成型的第一凸台1-1，第一凸台1-1上通过螺钉固定芯片座2、接收透镜架5、第一固持架8和第一透镜架7。位置敏感元件3固定在芯片座2上，接收透镜4固定在接收透镜架5上，第一激光器9固定在第一固持架8上，第一聚焦透镜6固定在第一透镜架7上。第一聚焦透镜6的主光轴与第一凸台1-1台面平行，第一激光器9发出的激光束10与第一聚焦透镜6的主光轴重合。接收透镜4的主光轴与第一凸台1-1台面平行，且与第一聚焦透镜6的主光轴之间的夹角为30°～35°(本实施例取30°)；第一聚焦透镜6的主光轴与第一凸台1-1台面的距离等于接收透镜4的主光轴与第一凸台1-1台面的距离。位置敏感元件3的受光面与接收透镜4的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件3受光面的中心点。

如图2所示，第一量程主基板1为长方体，第一凸台1-1也为长方体。第一量程主基板1最靠近第一聚焦透镜6且与第一聚焦透镜6的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5，其中，第一定位半球槽1-2靠近第一激光器9，第二定位半球槽1-5靠近第一聚焦透镜6。第一定位半球槽1-2的直径大于第二定位半球槽1-5的直径。第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5之间等间距分布三个圆柱孔，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块1-3。圆柱形铁块1-3的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块1-3的外端面与第一量程主基板1侧面平齐。第一量程主基板1的背面开设有燕尾槽1-4，燕尾槽1-4两端开放设置。

如图3所示，第二量程板11包括第二凸台11-1、传感器基板和连接板11-2；第二凸台11-1固定在传感器基板正面，第二凸台11-1为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板11-3，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板11-2平行设置；第二凸台11-1上用螺钉固定第二固持架13和第二透镜架15，第二激光器12固定在第二固持架13上，第二聚焦透镜14固定在第二透镜架15上。第二聚焦透镜14的主光轴与第二凸台11-1台面平行，第二激光器12发出的激光束与第二聚焦透镜14的主光轴重合。连接板11-2的横截面呈梯形，且连接板11-2与第一量程主基板1背面的燕尾槽1-4匹配；连接板11-2的长度比燕尾槽1-4短5～8mm(本实施例取5mm)。定位支板11-3靠近连接板11-2的侧面固定有第一定位半球11-4和第二定位半球11-5，且第一定位半球11-4设置在定位支板11-3靠近第二激光器12的一端，第二定位半球11-5设置在定位支板11-3靠近第二聚焦透镜14的一端，第一定位半球11-4和第二定位半球11-5的直径分别与第一量程主基板1的第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5直径相等。第一定位半球11-4和第二定位半球11-5之间等间距分布的三个圆形孔内均固定有圆柱形永磁体11-6。圆柱形永磁体11-6的外端面与定位支板11-3靠近连接板11-2的侧面平齐。

第二量程板11可以通过连接板11-2与燕尾槽1-4的配合装配至第一量程主基板1上。当第二量程板11装配至第一量程主基板1上时，各器件之间的定位关系如下：第一定位半球11-4、第二定位半球11-5分别嵌入第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5内，三块圆柱形永磁体11-6与三块圆柱形铁块1-3一一对齐。第二凸台11-1的台面和第一凸台1-1的台面平齐，第二聚焦透镜14的主光轴与第二凸台11-1台面的距离等于第一聚焦透镜6的主光轴与第一凸台1-1台面的距离，且第二聚焦透镜14的主光轴(光心O₂)与第一聚焦透镜6的主光轴平行。接收透镜4光心到第二聚焦透镜14主光轴的距离D₂为2.4D₁～2.6D₁(本实施例中取2.5D₁)，其中，D₁为接收透镜4光心到第一聚焦透镜6主光轴的距离。

如图4所示，第三量程板17的传感器基板长度大于第二量程板11的传感器基板，其它形状、尺寸、结构与第二量程板11一致。第三激光器18和第三聚焦透镜20分别通过第三固持架19和第三透镜架21固定在第三凸台17-1上。第三激光器18和第三聚焦透镜20在第三凸台17-1上的定位关系与第二激光器12和第二聚焦透镜14在第二凸台11-1上的定位关系一致。当第三量程板17装配至第一量程主基板1时，接收透镜4光心到第三聚焦透镜20主光轴的距离为3.9D₁～4.1D₁(本实施例中取4D₁)。

如图5所示，第四量程板22的传感器基板长度大于第三量程板17的传感器基板长度，其它形状、尺寸、结构与第三量程板17一致。第四激光器23和第四聚焦透镜25分别通过第四固持架24和第四透镜架26固定在第四凸台22-1上。第四激光器23和第四聚焦透镜25在第四凸台22-1上的定位关系与第二激光器12和第二聚焦透镜14在第二凸台11-1上的定位关系一致。当第四量程板22装配至第一量程主基板1时，接收透镜4光心到第四聚焦透镜25主光轴的距离为6.2D₁～6.4D₁(本实施例中取6.3D₁)。

接收透镜4光心到第二聚焦透镜14主光轴的距离为2.5D₁，到第三聚焦透镜20主光轴的距离为4D₁，到第四聚焦透镜25主光轴的距离为6.3D₁，这样设定的原因是：希望第二量程、第三量程、第四量程大致按第一量程的2.5倍、4倍、6.3倍这样的倍率扩大。因为2.5，4，6.3是优先数系列R5中的项值，这里将量程倍率设置成按优先数系递增，在实际应用可以满足更多测量需求，可以适用更多的测量场合。

第二量程板11、第三量程板17和第四量程板22可以在第一量程主基板1上实现快速装卸，下面以第二量程板11在第一量程主基板1上的装卸为例，说明快速装卸原理与过程：第二量程板11上的第一定位半球11-4、第二定位半球11-5分别与第一量程主基板1上的第一定位半球槽1-2、第二定位半球槽1-5对应，用于定位，保证每次装配的重复定位精度。第一定位半球11-4的直径大于第二定位半球11-5，是为了明确装配方向，防止倒装。安装第二量程板11时，将连接板11-2插入到第一量程主基板1的燕尾槽1-4内，然后将第二量程板11向第一量程主基板1推进。当第二量程板11的定位支板11-3靠近第一量程主基板1的侧面时，第二量程板11上的三块圆柱形永磁体11-6吸引第一量程主基板1上对应位置的圆柱形铁块1-3，利用磁力将第二量程板11快速固定在第一量程主基板1上。卸载时，只需将第二量程板11往外拉，克服磁力即可将第二量程板11卸下。同理，第三量程板17和第四量程板22都可以在第一量程主基板1上实现快速装卸。

第一激光器9、第二激光器12、第三激光器18和第四激光器23均为点式激光器，具有相同的外形。第二激光器12的工作功率为2.5W₁，其中，W₁为第一激光器9的工作功率，第三激光器18的工作功率为4W₁，第四激光器23的工作功率为6.3W₁。

对第一激光器9、第二激光器12、第三激光器18和第四激光器23的工作功率按1:2.5:4:6.3的比例设定，是为了使位置敏感元件3在不同量程模式下获得光能较为稳定的接收光线聚焦光点。因为这四种激光器工作时离开接收透镜4的距离不一样，从而工作时，接收透镜4能接收到的光能也不一样。为了避免光能变化对测量结果的影响，所以在不同量程模式下使用不同功率的激光器。因为第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25工作时它们的主光轴与接收透镜4光心之间的距离之比为1:2.5:4:6.3，所以激光器的功率之比也设定为1:2.5:4:6.3。

接收透镜4、第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25均为凸透镜。第二聚焦透镜14的焦距为2.5f，其中，f为第一聚焦透镜6的焦距。第三聚焦透镜20的焦距为4f，第四聚焦透镜25的焦距为6.3f。第一透镜架7、第二透镜架15、第三透镜架21、第四透镜架26和接收透镜架5具有相同的形状、尺寸与结构。

对第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25的焦距按1:2.5:4:6.3的比例设定，是为了使位置敏感元件3在不同量程模式下获得大小较为恒定的接收光线聚焦光点。因为在不同的量程模式下，量程中心与聚焦透镜光心之间的距离不一样，如果使用焦距相同的透镜，不同量程模式下位置敏感元件3上接收光线聚焦光点的大小会有较大差别。为了避免接收光聚焦光点大小变化对测量结果的影响，所以在不同量程模式下使用不同焦距的聚焦透镜。因为第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25工作时它们的主光轴与接收透镜4光心之间的距离之比为1:2.5:4:6.3，所以聚焦透镜的焦距之比也设定为1:2.5:4:6.3。

位置敏感元件3为线阵CCD元件，或为线阵CMOS元件。

如图6所示，第一固持架8固定第一激光器9处的结构采用卡箍结构，该卡箍结构设有两个环面，两个环面相对端均设有耳板8-2；两块耳板8-2之间形成通槽8-1；依次穿过两块耳板8-2上通孔的锁紧螺栓8-3与螺母8-4连接。第二固持架13、第三固持架19和第四固持架24与第一固持架9具有相同的形状、尺寸与结构。固持架上锁紧螺栓8-3与螺母8-4连接的拧紧与松开可以调节通槽8-1的宽度，从而实现激光器的固定与卸载。

如图7-1所示，定位安装件16包括直角板16-1和定位安装板16-2，直角板16-1的水平臂顶部固定有竖直设置的连接柱16-3，竖直臂上固定定位安装板16-2；定位安装板16-2朝向连接柱16-3的侧面为安装面16-4。如图7-2所示，定位安装板16-2的安装面16-4与第一量程主基板1背面贴合，并通过螺钉固定。定位安装板16-2的中心处开设有螺纹孔16-5，压紧螺栓27与螺纹孔16-5连接，当压紧螺栓27处于锁紧状态时，压紧螺栓27的尾端与装配在第一量程主基板1上的量程板(如第二量程板11)的连接板背面接触，并产生压紧力。

第一量程主基板1、第二量程板11、第三量程板17、第四量程板22、定位安装件16和压紧螺栓27的材质均为铝合金。

压紧螺栓27为手拧式高头滚花螺栓。

圆柱形永磁体11-6采用钕铁硼永磁体。

将第二量程板11装配至第一量程主基板1后，激光测头装置量程扩大的原理如图8所示。未安装第二量程板11时，第一激光器9、第一聚焦透镜6、接收透镜4和位置敏感元件3构成激光三角法位移测量单元，此时，位置敏感元件3的工作范围S₁S₂对应的量程为R₁＝M₁M₂，M₁、M₂分别为位置敏感元件3的工作范围下极限位置点S₂和上极限位置点S₁与接收透镜4光心连线交于第一聚焦透镜6主光轴的交点。将第二量程板11装配至第一量程主基板1，并关闭第一激光器9、开启第二激光器后，第二激光器12、第二聚焦透镜14、接收透镜4和位置敏感元件3构成激光三角法位移测量单元，此时，位置敏感元件3的工作范围S₁S₂对应的量程为R₂＝N₁N₂，N₁、N₂分别为位置敏感元件3的工作范围下极限位置点S₂和上极限位置点S₁与接收透镜4光心连线交于第二聚焦透镜14主光轴的交点。由△O_RM₁M₂∽△O_RN₁N₂可得

所以

N₁N₂＝M₁M₂(D₁+D₂)/D₁

因为D₂＝(2.4～2.6)D₁，所以N₁N₂＝(2.4～2.6)M₁M₂，即R₂＝(2.4～2.6)R₁，而本实施例中D₂取2.5D₁，所以安装了第二量程板11后，量程扩大了2.5倍，即R₂＝2.5R₁。

同理，将第三量程板17装配至第一量程主基板1后，量程可以扩大4倍，即R₃＝4R₁；将第四量程板22装配至第一量程主基板1后，量程可以扩大6.3倍，即R₄＝6.3R₁。

根据待测表面总体高度差来选择量程板，对待测表面进行测量，具体如下：

若待测表面的整体高度差小于R₁，则不安装量程板，直接开启第一激光器9，由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描；若待测表面的整体高度差在R₁～R₂之间，则将第二量程板11装配至第一量程主基板1，并拧紧压紧螺栓27，然后关闭第一激光器9，开启第二激光器12，由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描；若待测表面的整体高度差在R₂～R₃之间，则将第三量程板17装配至第一量程主基板1，并拧紧压紧螺栓27，然后关闭第一激光器9，开启第三激光器18，由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描；若待测表面的整体高度差在R₃～R₄之间，则将第四量程板22装配至第一量程主基板1，并拧紧压紧螺栓27，然后关闭第一激光器9，开启第四激光器23，由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描。

Claims (6)

1.一种多量程集成的激光测头装置，包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、第二量程板、第二激光器、第二固持架、第二透镜架、第二聚焦透镜、定位安装件、第三量程板、第三激光器、第三固持架、第三聚焦透镜、第三透镜架、第四量程板、第四激光器、第四固持架、第四聚焦透镜、第四透镜架和压紧螺栓，其特征在于：所述的第一量程主基板正面设有一体成型的第一凸台，第一凸台上通过螺钉固定芯片座、接收透镜架、第一固持架和第一透镜架；位置敏感元件固定在芯片座上，接收透镜固定在接收透镜架上，第一激光器固定在第一固持架上，第一聚焦透镜固定在第一透镜架上；所述第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面平行，第一激光器发出的激光束与第一聚焦透镜的主光轴重合；接收透镜的主光轴与第一凸台台面平行，且与第一聚焦透镜的主光轴之间的夹角为30°～35°；第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离等于接收透镜的主光轴与第一凸台台面的距离；位置敏感元件的受光面与接收透镜的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件受光面的中心点；

所述的第一量程主基板为长方体，第一凸台也为长方体；第一量程主基板最靠近第一聚焦透镜且与第一聚焦透镜的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽和第二定位半球槽，其中，第一定位半球槽靠近第一激光器，第二定位半球槽靠近第一聚焦透镜；第一定位半球槽的直径大于第二定位半球槽的直径；第一定位半球槽和第二定位半球槽之间等间距分布V个圆柱孔，V≥3，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块；圆柱形铁块的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块的外端面与第一量程主基板侧面平齐；第一量程主基板的背面开设有燕尾槽，燕尾槽两端开放设置；

所述的第二量程板包括第二凸台、传感器基板和连接板；第二凸台固定在传感器基板正面，第二凸台为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板平行设置；第二凸台上用螺钉固定第二固持架和第二透镜架，第二激光器固定在第二固持架上，第二聚焦透镜固定在第二透镜架上；所述第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面平行，第二激光器发出的激光束与第二聚焦透镜的主光轴重合；连接板的横截面呈梯形，且连接板与第一量程主基板背面的燕尾槽匹配；连接板的长度比燕尾槽短5～8mm；定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且第一定位半球设置在定位支板靠近第二激光器的一端，第二定位半球设置在定位支板靠近第二聚焦透镜的一端，第一定位半球和第二定位半球的直径分别与第一量程主基板的第一定位半球槽和第二定位半球槽直径相等；第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；圆柱形永磁体的外端面与定位支板靠近连接板的侧面平齐；第二量程板装配至第一量程主基板上时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第二凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第二聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行；接收透镜光心到第二聚焦透镜主光轴的距离为2.4D₁～2.6D₁，其中，D₁为接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离；

所述的第三量程板包括第三凸台、传感器基板和连接板；第三凸台固定在传感器基板正面，第三凸台为长方体；第三量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第三量程板的传感器基板与连接板平行设置；第三量程板的传感器基板长度大于第二量程板的传感器基板长度；第三凸台上用螺钉固定第三固持架和第三透镜架，第三激光器和第三聚焦透镜分别固定在第三固持架和第三透镜架上；第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面平行，第三激光器发出的激光束与第三聚焦透镜的主光轴重合；第三量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第三激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第三聚焦透镜的一端；该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；该圆柱形永磁体的外端面与第三量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐；第三量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第三凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第三聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第三聚焦透镜主光轴的距离为3.9D₁～4.1D₁；

所述的第四量程板包括第四凸台、传感器基板和连接板；第四凸台固定在传感器基板正面，第四凸台为长方体；第四量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第四量程板的传感器基板与连接板平行设置；第四量程板的传感器基板长度大于第三量程板的传感器基板长度；第四凸台上用螺钉固定第四固持架和第四透镜架，第四激光器和第四聚焦透镜分别固定在第四固持架和第四透镜架上；第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面平行，第四激光器发出的激光束与第四聚焦透镜的主光轴重合；第四量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第四激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第四聚焦透镜的一端；该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；该圆柱形永磁体的外端面与第四量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐；第四量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第四凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第四聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第四聚焦透镜主光轴的距离为6.2D₁～6.4D₁；

所述的定位安装件包括直角板和定位安装板，直角板的水平臂顶部固定有竖直设置的连接柱，竖直臂上固定定位安装板；定位安装板朝向连接柱的侧面为安装面；定位安装板的安装面与第一量程主基板背面贴合，并通过螺钉固定；所述定位安装板的中心处开设有螺纹孔，压紧螺栓与螺纹孔连接，第一量程板、第二量程板、第三量程板或第四量程板的连接板在装配状态下，压紧螺栓的尾端压紧装配在第一量程主基板上的连接板背面。

2.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述的第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器均为点式激光器，接收透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜均为凸透镜。

3.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的功率之比，等于第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜的焦距之比，也等于接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第二聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第三聚焦透镜主光轴的距离和接收透镜光心到装配状态的第四聚焦透镜主光轴的距离之比。

4.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述的位置敏感元件为线阵CCD元件，或为线阵CMOS元件。

5.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述第一固持架固定第一激光器处的结构采用卡箍结构，该卡箍结构设有两个环面，两个环面相对端均设有耳板；两块耳板之间形成通槽；依次穿过两块耳板上通孔的锁紧螺栓与螺母连接；第二固持架、第三固持架和第四固持架与第一固持架具有相同的尺寸和结构。

6.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述的压紧螺栓为手拧式高头滚花螺栓。