CN103743340A - 一种角度和空间坐标的测量***以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度和空间坐标的测量***，其包括：一支承调节单元，所述支承调节单元包括一转台、一升降台、一平移台以及一隔振平台；一测量单元，所述测量单元包括一自准直仪、一激光测距仪、一工业相机、一第一反射镜以及一第二反射镜，所述自准直仪、激光测距仪、工业相机、第一反射镜以及第二反射镜位于同一竖直面内并且可以一起随所述平移台同时运动，且所述激光测距仪发出的激光经过第一反射镜和第二反射镜反射后可以与自准直仪的光轴同轴；以及一***控制单元，所述***控制单元包括一***控制接口、一监视器以及一工控机。进一步本发明涉及一种采用该测量***测量待测样品的角度和空间坐标的方法。

Description

一种角度和空间坐标的测量***以及测量方法

技术领域

本发明属于测角测距领域，特别涉及一种大范围高精度测角、测距的自动化角度和空间坐标测量***以及测量方法。

背景技术

随着工业现代化的快速发展，大型精密机械制造和大型工程安装中对角度、坐标的测量提出了越来越高的要求。单件或小角度装调时，一般利用准直仪或带有准直功能的经纬仪测量光学基准间角度关系。

目前，准直技术的研究已非常成熟，已由传统的光学准直仪发展到数字CCD光电准直仪，测量精度可达0.02"。通常，准直仪的测量范围是有限的，一般不超过±2000"。由于测量范围很小，当待测对象不同测量面的夹角超过准直仪测量范围时，待测目标不能全部进入视场，因此准直仪不能单独完成大范围内空间角度的高精度测量，更无法实现高效的自动化。电子经纬仪测量***以两台以上的高精度电子经纬仪为核心测量设备，以角度前方交会原理对被测物实现无接触测量，精度高、范围广，但是装调过程繁杂，测量过程中需依靠人眼对每一测量点进行瞄准，测量效率低，无法实现测量过程的自动化。全站仪以极坐标测量原理对被测物实施测量，测量范围从几米到两百米之间，测量精度高，相对于电子经纬仪测量***而言，具有成本低、操作方便、测量坐标系的建立快、维持时间长等特点，但在高精度装配测量工作应用中，仍需采用手持反射棱镜等特殊作业手段进行测量，自动化方面存在不足。数字摄影测量***精度高且建站方便灵活，但测量范围受相机参数制约，不适用于测量距离较大的情况。激光跟踪仪测量范围大、测点精度高，可以主动跟踪运动目标，但都需要合作靶镜，且测量过程需要操作人员牵引反射靶标进行移动，无法实现目标的自动识别与测量。

然而，大型精密设备装调过程中，经常要求同时测量角度和坐标以保证装配精度，但是，目前角度与坐标同时大范围精密测量中，通常采用多种测量设备相组合的方式，如多经纬仪联用、经纬仪与激光跟踪仪组合等，并且测量过程中需要大量人工辅助，从而导致测量***的自动化程度低。

发明内容

因此，确有必要提供一种既简单又成本低廉的角度和空间坐标的测量***以及测量方法。

一种角度和空间坐标的测量***，其包括：

一支承调节单元，所述支承调节单元包括一转台、一升降台、一平移台以及一隔振平台，所述隔振平台具有一平面作为支撑面，在该隔振平台的支撑面所在的平面定义一X方向和一Y方向，与该隔振平台的支撑面垂直的方向定义为一Z方向，所述升降台和平移台沿所述X方向间隔设置于该隔振平台的支撑面上，所述转台设置于该升降台上；

一测量单元，所述测量单元包括一自准直仪、一激光测距仪、一工业相机、一第一反射镜以及一第二反射镜，所述自准直仪、激光测距仪、工业相机、第一反射镜以及第二反射镜位于同一竖直面内并且可以一起随所述平移台同时运动，且所述激光测距仪发出的激光经过第一反射镜和第二反射镜反射后可以与自准直仪的光轴同轴；以及

一***控制单元，所述***控制单元包括一***控制接口、一监视器以及一工控机，所述***控制接口将自准直仪、激光测距仪、工业相机、转台、升降台以及平移台连接至所述工控机。

一种采用上述角度和空间坐标的测量***测量待测样品的角度和空间坐标的方法，其包括以下步骤：

步骤S10，启动所述测量***；

步骤S11，设置工业相机的工作模式为最大视场，搜索并判断待测样品中心是否在大视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S12，若判断结论为“是”，则进入步骤S13；

步骤S12，控制升降台和平移台运动，直至待测样品中心位于工业相机的图像中心附近，并进入步骤S13；

步骤S13，设置工业相机的工作模式为小视场，搜索并判断待测样品中心是否在小视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S14，若判断结论为“是”，则进入步骤S15；

步骤S14，控制升降台和平移台运动，直至待测样品位于小视场模式下的图像中心附近，并进入步骤S15；

步骤S15，打开自准直仪，判断自准直仪是否有示数，若判断结论为“否”，进入步骤S16，若判断结论为“是”，则记录自准直仪的示数β，确定该待测样品的初始角度γ=β，并进入步骤S17；

步骤S16，判断待测样品相对于XOZ平面的角度，以此确定转台的转动方向，控制转台运动直至自准直仪有示数，记录转台转过的角度值α和自准直仪的示数β，确定该待测样品的初始角度γ=α+β，并进入步骤S17；

步骤S17，打开激光测距仪，检测激光的光斑是否在待测样品中心处，若判断结论为“否”，进入步骤S18，若判断结论为“是”，则记录激光测距仪的测距值x，并以此确定该待测样品几何中心的空间坐标；以及

步骤S18，控制升降台和平移台运动，直至激光的光斑与待测样品中心重合，记录激光测距仪的测距值x、平移台的编码反馈值y和升降台的编码反馈值z，并通过x, y, z来确定该待测样品几何中心的空间坐标。

与现有技术相比较，本发明提供的角度和空间坐标的测量***结构简单，且采用该测量***测量待测样品的角度和空间坐标的方法操作简单。

附图说明

图1为本发明实施例采用的角度和空间坐标的测量***的结构示意图。

图2为本发明实施例采用的角度和空间坐标的测量***的自准直仪与激光测距仪的连接关系示意图。

图3为本发明实施例采用的角度和空间坐标的测量***的自准直仪与激光测距仪的光路设计示意图。

图4为本发明实施例采用的角度和空间坐标的测量***测量待测样品的角度和空间坐标的工作原理示意图。

图5为本发明实施例采用的角度和空间坐标的测量***测量待测样品的角度和空间坐标的工作流程图。

主要元件符号说明

角度和空间坐标的测量***	10
		测量单元	100
自准直仪	101
		光轴	1012
激光测距仪	102
		激光	1022
工业相机	103
		连接件	104
第一反射镜	105
		第二反射镜	106
第一平板	1041
		第二平板	1042
第一中空圆柱体	1043
		第二中空圆柱体	1044
固定块	1045
		支承调节单元	200
精密转台	201
		升降台	202
平移台	203
		隔振平台	204
样品支撑架	205
		***控制单元	300
***控制接口	301
		监视器	302
工控机	303
		待测样品	400

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的大范围高精度角度和空间坐标测量***以及测量方法。

请参见图1，本发明实施例提供一角度和空间坐标测量***10，该角度和空间坐标测量***10包括测量单元100、支承调节单元200以及***控制单元300三个功能模块。所述测量单元100包括一自准直仪101、一激光测距仪102、一工业相机103、一连接件104、一第一反射镜105以及一第二反射镜106。所述支承调节单元200包括一精密转台201、一升降台202、一平移台203、一隔振平台204以及一样品支撑架205。所述***控制单元300包括一***控制接口301、一监视器302以及一工控机303。

具体的，所述隔振平台204具有一平面作为支撑面。本发明实施例定义与该隔振平台204的支撑面平行的方向为X方向和Y方向，定义与该隔振平台204的支撑面垂直的方向为Z方向。所述升降台202和平移台203间隔设置于该隔振平台204的支撑面上，且所述升降台202沿着X方向远离所述平移台203。所述升降台202可以沿Z方向移动，该升降台202用于定位并编码反馈待测样品400沿Z轴的坐标。所述平移台203可以沿Y方向移动，该平移台203用于定位并编码反馈待测样品400沿Y轴的坐标，并配合激光测距仪102的测距值，即可实现待测样品400的空间坐标测量。所述精密转台201固定设置于该升降台202上。所述精密转台201可以绕一平行于Z方向的轴旋转，该精密转台201和自准直仪101同时起测量角度的作用。所述样品支撑架205固定设置于该精密转台201上，用于支撑待测样品400。可以理解，所述样品支撑架205为可选结构，即该待测样品400可以直接设置于精密转台201上。本实施例中，所述精密转台201为具有角位移编码反馈，如圆光栅、感应同步器、角度编码器等的角秒级高精度精密转台。所述升降台202和平移台203为带位置编码反馈，如线光栅、LVDT、电感及电容测头等的升降台和平移台。所述精密转台201为一底面平行于隔振平台204的支撑面的圆台，其可以绕中心轴旋转。所述样品支撑架205为一圆柱体，其垂直于精密转台201的底面设置。可以理解，所述精密转台201、升降台202、平移台203、隔振平台204以及样品支撑架205的结构和形状不限，可以后根据需要设计。

所述自准直仪101固定设置于该平移台203上，用于测量待测样品400的角度。所述激光测距仪102和工业相机103固定设置于该自准直仪101上方且与该自准直仪101固定连接。所谓上方指自准直仪101远离隔振平台204的一侧。所述工业相机103的高度高于该激光测距仪102的高度，且该激光测距仪102位于靠近升降台202一侧。所述自准直仪101、激光测距仪102、工业相机103、第一反射镜105和第二反射镜106位于同一竖直面内并且可以一起随所述平移台203同时运动。所述连接件104将所述自准直仪101、激光测距仪102、第一反射镜105以及第二反射镜106连接在一起。所述激光测距仪102的出射激光1022平行于X方向，且与所述自准直仪101的光轴1012平行。所述激光测距仪102用于监测待测样品400沿X轴的坐标，且该激光测距仪102发出的激光1022的光斑用于视觉引导。所述工业相机103用于实时采集待测样品400的图像。

进一步参见图2，所述连接件104包括一第一平板1041、一第二平板1042，一第一中空圆柱体1043以及一第二中空圆柱体1044。所述第一平板1041与第二平板1042平行且间隔设置。所述第一中空圆柱体1043设置于所述第一平板1041与第二平板1042之间，且所述第一中空圆柱体1043的轴线与该第一平板1041平行。所述第一中空圆柱体1043的侧面固定于该第一平板1041表面。所述第二平板1042可以直接固定于所述第一中空圆柱体1043的侧面，也可以与该第一中空圆柱体1043间隔设置。优选地，所述第二平板1042与该第一中空圆柱体1043间隔设置，且所述第二平板1042与该第一中空圆柱体1043之间设置一固定块1045将该第二平板1042与该第一中空圆柱体1043连接。所述第二中空圆柱体1044垂直于所述第一平板1041设置，且设置于所述第一中空圆柱体1043远离所述自准直仪101的一侧。所述第二中空圆柱体1044的一段固定于所述第一平板1041表面，另一端向所述第二平板1042延伸并穿透该第二平板1042。优选地，所述第二中空圆柱体1044的外径小于所述第一中空圆柱体1043的内径。所述第一中空圆柱体1043套设并卡固于所述自准直仪101上，且所述第一中空圆柱体1043的中心轴平行于所述自准直仪101的光轴1012。所述激光测距仪102固定于连接件104的第二平板1042表面，所述第一反射镜105和第二反射镜106固定于所述第二中空圆柱体1044上，从而实现所述自准直仪101、激光测距仪102、第一反射镜105以及第二反射镜106的连接。

进一步参见图3，所述第一反射镜105和第二反射镜106用于反射所述激光测距仪102的出射激光1022。所述第一反射镜105和第二反射镜106平行间隔设置，且固定于所述第二中空圆柱体1044上。优选地，所述第二中空圆柱体1044侧面具有两个平行的凹槽，所述第一反射镜105和第二反射镜106***并卡固于该凹槽内。所述第一反射镜105设置于所述激光测距仪102的出光部附近的光路上。所述第一反射镜105的镜面与所述激光测距仪102的出射激光1022呈45度夹角，且该使该出射激光1022经第一反射镜105反射后沿Z方向相所述第二反射镜106传播。所述第二反射镜106设置于所述自准直仪101的光轴1012上。所述第二反射镜106的镜面与所述自准直仪101的光轴1012呈135度夹角，且经第一反射镜105反射到达该第二反射镜106的激光1022经过第二反射镜106的反射后与自准直仪101的光轴1012同轴或重合。

可以理解，所述连接件104的结构不限于上述结构，只要是可以将自准直仪101、激光测距仪102、第一反射镜105和第二反射镜106连接固定在一起，且使得激光测距仪102发出的激光1022经过第一反射镜105和第二反射镜106反射后可以与自准直仪101的光轴1012同轴或重合即可。

所述工控机303为一计算机，其用于发出信号、接收信号、处理信号以及存储数据，以控制所述自准直仪101、激光测距仪102、工业相机103、精密转台201、升降台202和平移台203的运行。所述***控制接口301用于将自准直仪101、激光测距仪102、工业相机103、精密转台201、升降台202和平移台203连接至所述工控机303。所述监视器302用于角度和空间坐标的测量***10的人机交互。

进一步参见图4，以下介绍所述角度和空间坐标的测量***10的工作测量原理。通过采集精密转台201的角度值α和自准直仪101的角度值β，可计算出待测样品400相对于基准平面的角度值；通过激光测距仪102的测距值，可得待测样品400的沿X轴的坐标值；通过平移台203的位置编码反馈值，可得待测样品400沿Y轴的坐标值；通过升降台202的位置编码反馈值，可得待测样品400沿Z轴的坐标值。整个测量过程，通过工业相机103进行视觉搜索和引导，实现角度和空间坐标测量的自动化。

进一步参见图5，以下介绍采用所述角度和空间坐标的测量***10测量待测样品400的角度和空间坐标的方法。

本发明测量的是待测样品400几何中心的坐标和待测样品400测量面的法线角度。该测量坐标为相对值，可用测量坐标系XYZ及其原点O作为计算参考。在测量前，首先标定待测样品400的某一反射面为测量面，该***10测量及计算角度即为该测量面与YOZ平面之间的夹角。本发明实施例以所述待测样品400为立方棱镜镜面为例进行说明。所述测量面为立方棱镜的面向自准直仪101的面。

步骤S10，启动测量***10；

步骤S11，设置工业相机103的工作模式为最大视场，搜索并判断待测样品400中心是否在大视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S12，若判断结论为“是”，则进入步骤S13；

步骤S12，控制升降台202和平移台203运动，直至待测样品400中心位于工业相机103的图像中心附近，并进入步骤S13；

步骤S13，设置工业相机103的工作模式为小视场，搜索并判断待测样品400中心是否在小视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S14，若判断结论为“是”，则进入步骤S15；

步骤S14，控制升降台202和平移台203运动，直至待测样品400位于小视场模式下的图像中心附近，并进入步骤S15；

步骤S15，打开自准直仪101，判断自准直仪101是否有示数，即角度测量值，若判断结论为“否”，进入步骤S16，若判断结论为“是”，则记录自准直仪101的示数β，确定该待测样品400的初始角度γ=β，并进入步骤S17；

步骤S16，判断待测样品400相对于XOZ平面的角度，以此确定精密转台201的转动方向，控制精密转台201运动直至自准直仪101有示数，记录精密转台201转过的角度值α和自准直仪101的示数β，确定该待测样品400的初始角度γ=α+β，并进入步骤S17；

步骤S17，打开激光测距仪102，检测激光1022的光斑是否在待测样品400中心处，若判断结论为“否”，进入步骤S18，若判断结论为“是”，则记录激光测距仪102的测距值x，并以此确定该待测样品400的空间坐标；

步骤S18，控制升降台202和平移台203运动，直至激光1022的光斑与待测样品400中心重合，记录激光测距仪102的测距值x、平移台203的编码反馈值y和升降台202的编码反馈值z，并通过x, y, z来确定该待测样品400几何中心的空间坐标。

所述步骤S11中，通过模板匹配、目标识别等图像处理算法来实现搜索并判断待测样品400中心是否在图像中心附近。

所述步骤S16中，通过角点检测等图像处理算法来判断待测样品400相对于XOZ平面的角度。

所述步骤S17中，通过角点检测、Hough变换等图像处理算法来检测激光1022的光斑是否在待测样品400中心处。

由以上测量过程可知：该测量***10的角度测量范围为360度，测量精度由精密转台201的运动精度和自准直仪101测量精度决定。通过精密转台201和自准直仪101的精度配置，即可实现大范围角秒级高精度的角度测量且。对于空间坐标而言，测量精度由激光测距仪102的测量精度、平移台203和升降台202的运动精度决定，测量范围由激光测距仪102的量程、平移台203的量程和升降台202的量程决定。

以上是单目标测量过程，当测量多个待测目标时，重复以上过程并进行数据处理，即可获得多个待测目标之间的相对角度以及空间坐标关系。由上可知，该发明可以实现大范围高精度角度和空间坐标的自动化测量。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种角度和空间坐标的测量***，其包括：

一支承调节单元，所述支承调节单元包括一转台、一升降台、一平移台以及一隔振平台，所述隔振平台具有一平面作为支撑面，在该隔振平台的支撑面所在的平面定义一X方向和一Y方向，与该隔振平台的支撑面垂直的方向定义为一Z方向，所述升降台和平移台沿所述X方向间隔设置于该隔振平台的支撑面上，所述转台设置于该升降台上；

一测量单元，所述测量单元包括一自准直仪、一激光测距仪、一工业相机、一第一反射镜以及一第二反射镜，所述自准直仪、激光测距仪、工业相机、第一反射镜以及第二反射镜位于同一竖直面内并且可以一起随所述平移台同时运动，且所述激光测距仪发出的激光经过第一反射镜和第二反射镜反射后可以与自准直仪的光轴同轴；以及

一***控制单元，所述***控制单元包括一***控制接口、一监视器以及一工控机，所述***控制接口将自准直仪、激光测距仪、工业相机、转台、升降台以及平移台连接至所述工控机。

2.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述升降台可沿Z方向移动，该升降台用于定位并编码反馈待测样品沿Z轴的坐标。

3.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述平移台可沿Y方向移动，该平移台用于定位并编码反馈待测样品沿Y轴的坐标，并配合该激光测距仪的测距值，实现待测样品的空间坐标测量。

4.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述转台可绕一平行于Z方向的轴旋转，该转台和自准直仪同时起测量角度的作用。

5.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述支承调节单元进一步包括一样品支撑架，该样品支撑架设置于该转台上。

6.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述转台为具有角位移编码反馈的角秒级高精度精密转台，所述升降台为带位置编码反馈的升降台和平移台。

7.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述自准直仪设置于该平移台上，所述激光测距仪和工业相机设置于该自准直仪上方，所述工业相机的高度高于该激光测距仪的高度，且该激光测距仪位于靠近升降台一侧，所述激光测距仪的出射激光平行于X方向，且与所述自准直仪的光轴平行。

8.如权利要求1所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述测量单元进一步包括一连接件，且该连接件将所述自准直仪、激光测距仪、第一反射镜以及第二反射镜连接在一起；所述连接件包括一第一平板、一第二平板，一第一中空圆柱体以及一第二中空圆柱体；所述第一平板与第二平板平行且间隔设置，所述第一中空圆柱体设置于所述第一平板与第二平板之间，且与所述第一平板与第二平板固定；所述第二中空圆柱体垂直于所述第一平板设置于所述第一中空圆柱体远离所述自准直仪的一侧，且与所述第一平板与第二平板固定；所述第一中空圆柱体套设并卡固于所述自准直仪上，且所述激光测距仪固定于连接件的第二平板表面；所述第一反射镜和第二反射镜设置于所述第二中空圆柱体上。

9.如权利要求8所述的角度和空间坐标的测量***，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜平行间隔设置，且固定于所述第二中空圆柱体上；所述第一反射镜设置于所述激光测距仪的出光部附近的光路上，且所述第一反射镜的镜面与所述激光测距仪的出射激光呈45度夹角，从而使该出射激光经第一反射镜反射后沿Z方向相所述第二反射镜传播；所述第二反射镜设置于所述自准直仪的光轴上，且所述第二反射镜的镜面与所述自准直仪的光轴呈135度夹角，从而使得经第一反射镜反射到达该第二反射镜的激光经过第二反射镜的反射后与自准直仪的光轴同轴。

10.一种采用如权利要求1至9中任一项所述的角度和空间坐标的测量***测量待测样品的角度和空间坐标的方法，其包括以下步骤：

步骤S10，启动所述测量***；

步骤S11，设置工业相机的工作模式为最大视场，搜索并判断待测样品中心是否在大视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S12，若判断结论为“是”，则进入步骤S13；

步骤S12，控制升降台和平移台运动，直至待测样品中心位于工业相机的图像中心附近，并进入步骤S13；

步骤S13，设置工业相机的工作模式为小视场，搜索并判断待测样品中心是否在小视场模式下的图像中心附近，若判断结论为“否”，进入步骤S14，若判断结论为“是”，则进入步骤S15；

步骤S14，控制升降台和平移台运动，直至待测样品位于小视场模式下的图像中心附近，并进入步骤S15；

步骤S15，打开自准直仪，判断自准直仪是否有示数，若判断结论为“否”，进入步骤S16，若判断结论为“是”，则记录自准直仪的示数β，确定该待测样品的初始角度γ=β，并进入步骤S17；

步骤S16，判断待测样品相对于XOZ平面的角度，以此确定转台的转动方向，控制转台运动直至自准直仪有示数，记录转台转过的角度值α和自准直仪的示数β，确定该待测样品的初始角度γ=α+β，并进入步骤S17；

步骤S17，打开激光测距仪，检测激光的光斑是否在待测样品中心处，若判断结论为“否”，进入步骤S18，若判断结论为“是”，则记录激光测距仪的测距值x，并以此确定该待测样品几何中心的空间坐标；以及

步骤S18，控制升降台和平移台运动，直至激光的光斑与待测样品中心重合，记录激光测距仪的测距值x、平移台的编码反馈值y和升降台的编码反馈值z，并通过x, y, z来确定该待测样品几何中心的空间坐标。

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