本發(fā)明屬于基于光學(xué)的位移測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于激光三角法的位移測量裝置與方法，尤其涉及一種可變量程的激光三角法位移測量裝置與方法。

背景技術(shù)：

激光位移傳感器是一種基于光學(xué)理論的非接觸式位移測量系統(tǒng)，按測量原理分為三角法激光位移傳感器和回波分析式激光位移傳感器。其中三角法激光位移傳感器一般適用于短距離測量，而回波分析式激光位移傳感器應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測量。三角法激光位移傳感器主要由光源(激光束)、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡和感光位置敏感元件(如PSD、CCD、CMOS)組成。與接觸式位移傳感器相比，三角法激光位移傳感器具有響應(yīng)速度快，測量精度較高，成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn)。

三角法激光位移傳感器制造完成后，其測量范圍和測量精度都已確定，開展測量工作時(shí)測量范圍與測量精度將作為固定的參數(shù)使用。由于測量原理的限制，三角法激光位移傳感器的測量精度隨著量程的增大而降低，所以對于不同的測量任務(wù)需要選擇合適的激光位移傳感器，以同時(shí)滿足測量精度與測量范圍的要求。

目前的三角法激光位移傳感器的主要不足是量程與精度之間的矛盾。當(dāng)被測對象的形貌復(fù)雜且測量精度要求較高時(shí)，若選用大量程的傳感器，則測量精度可能不滿足要求；若選用高精度的傳感器，則傳感器的量程很小，測量過程中測量對象很容易偏離傳感器的測量范圍，從而中斷測量過程。

用三角法激光位移傳感器進(jìn)行測量時(shí)，為了防止因量程偏離而導(dǎo)致的測量中斷，目前一般使用二次測量法：先用大量程、低精度的傳感器對測量對象進(jìn)行一次掃描；然后以一次測量獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，規(guī)劃測量路徑，引導(dǎo)小量程、高精度的傳感器進(jìn)行二次測量，以二次測量數(shù)據(jù)作為最后的測量結(jié)果。

二次測量法在一定程度上解決了使用三角法激光位移傳感器時(shí)量程與精度之間的矛盾，但二次測量至少需要兩個(gè)傳感器，測量成本較高。此外，二次測量需要切換傳感器，切換后需要對傳感器的位姿、坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，增加了額外的測量時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可變量程的激光三角法位移測量裝置與測量方法。該測量裝置集成了兩組位移測量模塊，其中一組用于實(shí)際尺寸測量，量程較小，為實(shí)際測量模塊；另一組用于輔助略測量，量程較大，為輔助測量模塊。通過改變光敏傳感器的位置，改變輔助測量系統(tǒng)的量程，以適應(yīng)實(shí)際測量對不同量程的需求。執(zhí)行測量任務(wù)時(shí)，當(dāng)被測對象偏離了實(shí)際測量模塊的測量范圍時(shí)，由協(xié)助測量的輔助測量模塊給出測量對象的位置，然后引導(dǎo)測量平臺運(yùn)動(dòng)，使被測對象重新回到實(shí)際測量模塊的量程內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行下一步測量，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜零件快速、高精度的非接觸式測量。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種可變量程的激光三角法位移測量裝置，包括準(zhǔn)直激光發(fā)射器、底座、輔助測量模塊與實(shí)際測量模塊；所述的輔助測量模塊包括輔助測量聚焦透鏡和輔助測量位置敏感元件；所述的實(shí)際測量模塊包括實(shí)際測量位置敏感元件和實(shí)際測量聚焦透鏡；所述的準(zhǔn)直激光發(fā)射器固定在準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝座上，準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝座固定在底座上；輔助測量位置敏感元件安插在輔助測量模塊安裝座上，實(shí)際測量位置敏感元件安插在實(shí)際測量位置敏元件安裝座上；實(shí)際測量位置敏元件安裝座固定在底座上；輔助測量模塊安裝座底部與導(dǎo)軌構(gòu)成滾動(dòng)摩擦副；所述的導(dǎo)軌固定在底座上；所述的輔助測量聚焦透鏡安裝在輔助測量模塊安裝座上，實(shí)際測量聚焦透鏡安裝在實(shí)際測量聚焦透鏡安裝座上；實(shí)際測量聚焦透鏡安裝座固定在底座上；實(shí)際測量位置敏感元件的垂直中心軸線、輔助測量位置敏感元件的垂直中心軸線、準(zhǔn)直激光發(fā)射器的激光束、實(shí)際測量聚焦透鏡的成像光軸以及輔助測量聚焦透鏡的成像光軸均在平行于底座的同一平面上；實(shí)際測量位置敏感元件的垂直中心軸線與實(shí)際測量聚焦透鏡的成像光軸平行設(shè)置，輔助測量位置敏感元件的垂直中心軸線與輔助測量聚焦透鏡的成像光軸平行設(shè)置；實(shí)際測量聚焦透鏡和輔助測量聚焦透鏡的成像光軸均與準(zhǔn)直激光發(fā)射器的激光束成一夾角。

所述的輔助測量模塊安裝座底部開設(shè)的滾珠槽通過彈簧連接滾珠，滾珠與導(dǎo)軌的V型槽構(gòu)成滾動(dòng)副；彈簧設(shè)有預(yù)壓力；V型槽底部開設(shè)等距排布的若干弧形槽。

所述的底座設(shè)有與三坐標(biāo)測量機(jī)連接的圓柱插銷。

本發(fā)明可變量程的激光三角法位移測量裝置的位移測量方法，具體如下：

步驟一、將底座的圓柱插銷插入三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸上，擰緊夾緊螺栓，完成在三坐標(biāo)測量機(jī)上的安裝。

步驟二、將被測物放在三坐標(biāo)測量機(jī)平臺的測量區(qū)內(nèi)，根據(jù)被測物形狀尺寸，調(diào)整輔助測量位置敏感元件的量程，即沿著導(dǎo)軌移動(dòng)輔助測量模塊安裝座，并保證滾珠置于弧形槽中完成定位。

步驟三、建立三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系、測量裝置坐標(biāo)系和準(zhǔn)直激光發(fā)射器的測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系；建立準(zhǔn)直激光發(fā)射器的測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系之前需對準(zhǔn)直激光發(fā)射器的激光束進(jìn)行標(biāo)定，確定出射激光的矢量方向。

步驟四、在三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸帶動(dòng)下輔助測量模塊和實(shí)際測量模塊同時(shí)對工件表面進(jìn)行掃描測量，實(shí)際測量位置敏感元件和輔助測量位置敏感元件均將被測點(diǎn)匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)判斷被測點(diǎn)在實(shí)際測量位置敏感元件上是否匯聚成像。若匯聚成像，直接進(jìn)入步驟五；若沒有匯聚成像，則計(jì)算機(jī)根據(jù)被測點(diǎn)在輔助測量位置敏感元件上匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號，采用基于激光三角法原理的測量值表達(dá)式算得被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)的距離，并控制三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸調(diào)整高度，高度調(diào)整值為被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)的距離，使得被測點(diǎn)處于實(shí)際測量模塊的測量范圍內(nèi)。

步驟五、計(jì)算機(jī)根據(jù)被測點(diǎn)在實(shí)際測量位置敏感元件上匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號，采用測量值表達(dá)式算得被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)的距離。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1、本發(fā)明集成了小量程精確測量功能和可變大量程尺寸測量功能。測量過程中這兩個(gè)模塊相互配合，解決了三角法激光位移傳感器量程與精度之間的矛盾，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面快速、高精度的非接觸式測量。

2、實(shí)際測量模塊和輔助測量模塊共用一束激光，使用兩種功能只需一次標(biāo)定，功能切換無需裝卸，提高測量效率。

3、輔助測量模塊量程可調(diào)，可以滿足多種不同尺寸范圍被測對象的測量需求，可降低測量成本，且測量裝置適用性廣。

4、測量裝置結(jié)構(gòu)較簡單，操作方便、快捷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可變量程的激光三角法位移測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明可變量程的激光三角法位移測量裝置的結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖3為本發(fā)明所采用的激光三角法測量原理示意圖。

圖4為本發(fā)明可變量程的激光三角法位移測量裝置的工作原理圖。

圖中：1、準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝座，2、準(zhǔn)直激光發(fā)射器，3、底座，4、實(shí)際測量位置敏元件安裝座，5、實(shí)際測量位置敏感元件，6、實(shí)際測量聚焦透鏡安裝座，7、實(shí)際測量聚焦透鏡，8、螺栓，9、輔助測量聚焦透鏡，10、輔助測量位置敏感元件，11、輔助測量模塊安裝座。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明用于相對大尺寸零件的表面輪廓的快速精確測量，適用于多種尺寸范圍的零件測量，下面結(jié)合附圖具體描述。

如圖1和2所示，一種可變量程的激光三角法位移測量裝置，包括準(zhǔn)直激光發(fā)射器2、底座3、輔助測量模塊與實(shí)際測量模塊；輔助測量模塊包括輔助測量聚焦透鏡9和輔助測量位置敏感元件10；實(shí)際測量模塊包括實(shí)際測量位置敏感元件5和實(shí)際測量聚焦透鏡7；準(zhǔn)直激光發(fā)射器2通過螺栓固定在準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝座1上，準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝座1通過螺釘固定在底座3上，準(zhǔn)直激光發(fā)射器2提供固定可靠的光源；輔助測量位置敏感元件10安插在輔助測量模塊安裝座11上，實(shí)際測量位置敏感元件5安插在實(shí)際測量位置敏元件安裝座4上；實(shí)際測量位置敏元件安裝座4通過螺栓8固定在底座3上；輔助測量模塊安裝座11底部開設(shè)的滾珠槽通過彈簧連接滾珠，滾珠與導(dǎo)軌的V型槽構(gòu)成滾動(dòng)副；彈簧設(shè)有預(yù)壓力；V型槽底部開設(shè)等距排布的若干弧形槽；導(dǎo)軌固定在底座上；定位后，輔助測量模塊安裝座11通過螺栓和螺母與導(dǎo)軌固接；輔助測量聚焦透鏡9安裝在輔助測量模塊安裝座11上，實(shí)際測量聚焦透鏡7安裝在實(shí)際測量聚焦透鏡安裝座6上，實(shí)際測量聚焦透鏡7和輔助測量聚焦透鏡9用于對反射激光束的聚焦成像；實(shí)際測量聚焦透鏡安裝座6通過螺栓固定在底座3上；實(shí)際測量位置敏感元件5的垂直中心軸線、輔助測量位置敏感元件10的垂直中心軸線、準(zhǔn)直激光發(fā)射器的激光束、實(shí)際測量聚焦透鏡7的成像光軸以及輔助測量聚焦透鏡9的成像光軸均在平行于底座的同一平面上，以確保準(zhǔn)直激光發(fā)射器所投射出的激光束可以落入實(shí)際測量位置敏感元件5和輔助測量位置敏感元件10的工作范圍，保證測量裝置可行；實(shí)際測量位置敏感元件5的垂直中心軸線與實(shí)際測量聚焦透鏡7的成像光軸平行設(shè)置，輔助測量位置敏感元件10的垂直中心軸線與輔助測量聚焦透鏡9的成像光軸平行設(shè)置；實(shí)際測量聚焦透鏡7和輔助測量聚焦透鏡9的成像光軸均與準(zhǔn)直激光發(fā)射器2的激光束成一夾角。底座設(shè)有與三坐標(biāo)測量機(jī)連接的圓柱插銷，將圓柱插銷插入三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸母頭，并擰緊母頭螺栓，實(shí)現(xiàn)固定。

該可變量程的激光三角法位移測量裝置，共有兩個(gè)激光三角回路：

(1)實(shí)際測量部分的激光三角回路：以準(zhǔn)直激光發(fā)射器2投射的激光束作為光源，在物體表面發(fā)生漫反射后，經(jīng)實(shí)際測量聚焦透鏡7聚焦，在實(shí)際測量位置敏感元件5上顯示匯聚的像，實(shí)際測量位置敏感元件將像的位置和形狀信息采集到計(jì)算機(jī)處理以得出精確的測量數(shù)據(jù)，該激光三角回路作用是對被測物表面進(jìn)行實(shí)際輪廓數(shù)據(jù)的測量。

(2)輔助測量部分的激光三角回路：以準(zhǔn)直激光發(fā)射器2投射的激光束作為光源，在物體表面發(fā)生漫反射后，經(jīng)輔助測量聚焦透鏡9聚焦，在輔助測量位置敏感元件10上匯聚成像，輔助測量位置敏感元件10將像的位置和形狀信息采集到計(jì)算機(jī)處理以得出測量數(shù)據(jù)，該激光三角回路作用是對被測物表面進(jìn)行低精度測量，將低精度測量數(shù)據(jù)作為輔助值實(shí)時(shí)引導(dǎo)實(shí)際測量部分工作。

如圖3所示，在激光三角法測量原理中，從準(zhǔn)直激光發(fā)射器2發(fā)射的激光束在被測物表面發(fā)生漫反射，向左右兩側(cè)的漫反射光通過透鏡聚焦在位置敏感元件上匯聚成像。位置敏感元件通過感知光斑的位置，確定被測物表面與位移傳感器之間的距離。

如圖4所示，輔助測量位置敏感元件最小量程大于實(shí)際測量位置敏感元件量程，改變輔助測量位置敏感元件位置后光路沿著輔助測量聚焦光束方向向上移動(dòng)后測量范圍變成虛線框區(qū)域，測量范圍顯著增大。本發(fā)明基于激光三角法測量原理，在輔助測量部分采用位置可調(diào)的輔助測量模塊，輔助測量部分的測量范圍隨著輔助測量模塊位置的改變而改變。

在工作過程中，該可變量程的激光三角法位移測量裝置對被測物表面只進(jìn)行一次掃描，掃描過程中輔助測量位置敏感元件10和實(shí)際測量位置敏感元件5同時(shí)獲取數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)直接記錄下實(shí)際測量位置敏感元件5測量數(shù)據(jù)，并對輔助測量位置敏感元件10的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸運(yùn)動(dòng)，協(xié)助輔助測量模塊進(jìn)行位置調(diào)整，保證測量的順利進(jìn)行。

該可變量程的激光三角法位移測量裝置的位移測量方法，具體如下：

步驟一、將底座的圓柱插銷插入三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸上，擰緊夾緊螺栓，完成在三坐標(biāo)測量機(jī)上的安裝。

步驟二、將被測物放在三坐標(biāo)測量機(jī)平臺的測量區(qū)內(nèi)，根據(jù)被測物形狀尺寸，調(diào)整輔助測量位置敏感元件10的量程，即沿著導(dǎo)軌移動(dòng)輔助測量模塊安裝座11，并保證滾珠置于弧形槽中完成定位。

步驟三、建立坐標(biāo)系：

①建立三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系，以X、Y、Z軸光柵尺零點(diǎn)作為三坐標(biāo)測量機(jī)平臺坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

②以準(zhǔn)直激光發(fā)射器的出射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，與三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系的X、Y、Z軸平行且方向一致的軸為三個(gè)坐標(biāo)軸建立測量裝置坐標(biāo)系。

③通過測量三坐標(biāo)測量機(jī)平臺上放置的標(biāo)準(zhǔn)球表面來對準(zhǔn)直激光發(fā)射器的激光束進(jìn)行標(biāo)定，確定出射激光的矢量方向。

④確定測量基點(diǎn)A，測量基點(diǎn)A為準(zhǔn)直激光發(fā)射器2的激光束與實(shí)際測量聚焦透鏡7或輔助測量聚焦透鏡9成像光軸的交點(diǎn)。以測量基點(diǎn)A為原點(diǎn)，與三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸平行且方向一致的軸為三個(gè)坐標(biāo)軸建立測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

步驟四、在三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸帶動(dòng)下輔助測量模塊和實(shí)際測量模塊同時(shí)對工件表面進(jìn)行掃描測量，實(shí)際測量位置敏感元件5和輔助測量位置敏感元件10均將被測點(diǎn)匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)判斷被測點(diǎn)在實(shí)際測量位置敏感元件5上是否匯聚成像。若匯聚成像，直接進(jìn)入步驟五；若沒有匯聚成像，說明被測點(diǎn)在實(shí)際測量模塊的測量范圍以外，則計(jì)算機(jī)根據(jù)被測點(diǎn)在輔助測量位置敏感元件10上匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號，采用測量值表達(dá)式算得被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)A的距離，并控制三坐標(biāo)測量機(jī)Z軸調(diào)整高度，高度調(diào)整值為被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)A的距離，使得被測點(diǎn)處于實(shí)際測量模塊的測量范圍內(nèi)，保證測量的順利進(jìn)行。

步驟五、計(jì)算機(jī)根據(jù)被測點(diǎn)在實(shí)際測量位置敏感元件5上匯聚的像離光軸成像基點(diǎn)的距離信號，采用測量值表達(dá)式算得被測點(diǎn)與測量基點(diǎn)A的距離。

如圖3所示，基于激光三角法原理——斯凱普夫拉格定理(Scheimpflug principle)推導(dǎo)得到的位置敏感元件測量值表達(dá)式如下(實(shí)際測量位置敏感元件5、輔助測量位置敏感元件10應(yīng)用測量值表達(dá)式時(shí)只需將各自的參數(shù)值代入即可)：

式中，δ為被測點(diǎn)B到測量基點(diǎn)A的距離，δ′為被測點(diǎn)B在位置敏感元件上匯聚的像C離光軸成像基點(diǎn)D的距離，s為測量基點(diǎn)A到成像透鏡中心O的距離，s′為成像透鏡中心到光軸成像基點(diǎn)D的距離，α為激光束與成像光軸的夾角，β為位置敏感元件與成像光軸(直線AD)的夾角。