CN107014321B - 一种平面度快速现场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面度快速现场测量装置及测量方法，属于光电测量技术领域。包括双目定位***、激光平面装置、位置传感器，还包括依次相连的数据采集器、无线数据传输单元及数据处理单元；激光平面装置设置在待测平面上，包括激光器和柱状透镜，柱状透镜将激光器的激光束扩散成激光基准平面；位置传感器用于测量高度偏离信息；双目定位***，用于获取位置传感器的空间位置信息，并将该空间位置信息传输至数据处理单元；数据采集器用于采集高度偏离信息并由无线数据传输单元传入数据处理单元；数据处理单元，用于处理得到的高度偏离信息和空间位置信息。该测量装置能够产生稳定的激光基准平面，方便快速布置和现场测量。

Description

一种平面度快速现场测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种平面度快速现场测量装置及测量方法。

背景技术

在机械制造过程中，其中一个影响制造精度的关键因素就是加工件的平面度，因此平面度的测量就显得尤为重要。

在实际机械加工中，很多情况下待测平面是不规则不连续的，针对这些工件的平面度测量，现有的方法主要有自准直仪法、水平仪法、三坐标机法、激光平面度检测仪。自准直仪法和水平仪法在测量过程中需要提前布点(GB 11337-2004平面度误差检测中给出了测量平面度的基本布点形式)，计算时需要手动输入测量点的位置信息，这限制了测量点的位置，同时也降低了测量速度；三坐标机法在测量点的选取方面不受限制，但是三坐标机受三坐标测量机运动导轨长度的限制，其可测零件大小也受到比较大的限制，另一方面三坐标测量机庞大而昂贵，一般都放在专门的计量室内使用，难以在加工现场应用；激光平面度检测仪克服了零件尺寸的限制，但是同样不能实时测量待测点位置信息，需要在测量之前在软件中输入布点位置，根据设定的布点位置放置靶标，这样不仅会带来靶标位置的误差，而且降低了测量的速度和使用的便捷性，这极大地限制了其在机械加工现场测量的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面度快速现场测量装置，该测量装置能够产生稳定的激光基准平面，方便快速布置和现场测量。

本发明的目的还在于提供一种平面度快速现场测量装置的使用方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种平面度快速现场测量装置，包括双目定位***、激光平面装置、位置传感器，以及依次相连的数据采集器、无线数据传输单元及数据处理单元；其中，激光平面装置和位置传感器均设置在待测平面上，激光平面装置包括激光器和设置在其前方的柱状透镜，柱状透镜能够将激光器发出的激光束扩散成激光基准平面；位置传感器用于校准激光基准平面及测量待测平面上的点的高度偏离信息；双目定位***，用于记录位置传感器图片信息，并将该位置传感器图片信息传输至数据处理单元；数据采集器用于采集高度偏离信息并由无线数据传输单元传入数据处理单元；数据处理单元，用于处理得到的高度偏离信息和位置传感器图片信息。

其中，所述的高度偏离信息是指待测平面上的点距离测量基准平面的偏离的高度信息，所述的测量基准平面指的是校准激光基准平面时的位置传感器所处的位置形成的虚拟平面；所述的高度偏离信息，其数值上等同于位置传感器的零点位置距离激光基准平面的偏离的高度信息。

其中，双目定位***从不同角度获得位置传感器的照片，照片传输至数据处理单元中经过分析后获得位置传感器的空间位置信息。

优选地，所述位置传感器为PSD位置传感器或无线图像传感器。

优选地，所述双目定位***包括两个CCD相机。

优选地，激光平面装置还包括一旋转平台，旋转平台设置开设有狭缝的金属壳，激光器和柱状透镜设置在金属壳形成的空腔内。

进一步优选地，所述金属壳为柱状壳，狭缝开设于沿柱状壳圆周方向上。

进一步优选地，旋转平台设置用于驱动旋转平台转动的驱动电机。

使用所述的平面度快速现场测量装置的平面度现场测量方法，包括步骤：

1)将激光平面装置放置在待测平面上，激光器发出的激光束被柱状透镜扩散成为激光基准平面；将位置传感器放在待测平面任意不共线的三点位置，调整激光平面装置的角度，进而调整光基准平面的角度，使得位置传感器的读数均为零，实现对激光基准平面的校准；

2)将位置传感器移到任意一个待测位置，用双目定位***记录位置传感器图片信息并将该图片信息通过数据线输入数据处理单元，数据处理单元经图片分析后获得位置传感器的空间位置信息；用位置传感器检测高度偏离信息，高度偏离信息经数据采集器采集后通过无线数据传输单元输入数据处理单元；

3)移动到下一个待测位置，按步骤2)操作直至完成待测的全部点的测量；

4)数据处理单元根据所获得的空间位置信息和高度偏离信息，通过拟合计算，得到机械工件待测平面的平面度信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种平面度快速现场测量装置，包括双目定位***、激光平面装置、位置传感器，还包括依次相连的数据采集器、无线数据传输单元及数据处理单元；其中，激光平面装置设置在待测平面上，包括激光器和柱状透镜，柱状透镜将激光器的激光束扩散成激光基准平面；位置传感器设置在待测平面上的某点后可以接收激光基准平面上的激光并测定出待测平面上的点的高度偏离信息，高度偏离信息通过数据采集器和无线数据传输单元输入数据处理单元；双目定位***可以获得不同角度的位置传感器的图像，通过对图像处理计算可以得到位置传感器的空间位置信息，空间位置信息通过数据线输入数据处理单元；数据处理单元通过拟合计算，得到机械工件待测平面的平面度信息。其中，借助柱状透镜，激光器所产生的激光束可直接扩散成为一个扇形的激光面，直接生成了激光平面，相较于依靠激光束扫面形成的激光平面，该激光面更为稳定且可靠，激光平面装置更为简单，无需采用高精度且高稳定性的旋转装置，降低了测量装置的成本，方便了测量装置的维护。该测量装置结构设计合理，使用简单，克服了已有平面度测量方法需要手动采集测量位置数据的缺陷，且激光平面装置结构简单且易于维护，无需精密旋转设备便可以形成稳定的激光基准平面，能够适用较为恶劣的现场环境，便于快速部署；其具有测量速度快、效率高、测量范围广、应用便捷等优势，可以用于机械加工面、加工零件表面、机器工作面、机床工作台面、机床运动***等的平面度检测，在精密机械、航空航天制造等高尺寸精度需求领域具有广阔的应用前景。

进一步地，激光平面装置还包括一旋转平台，旋转平台下方设置柱状金属壳，金属壳上设置狭缝。如此，金属壳遮挡了激光基准平面上的激光光线并使得激光基准平面上的激光光线仅从狭缝中漏出，旋转平台在转动时可以带动金属壳的转动并使得狭缝转动，如此，使得激光光线在激光基准平面内以激光束的形式出现，在形式上形成了激光光束扫描的激光基准平面。但是，在本技术方案中，激光基准平面还是激光器和柱状透镜，激光基准平面本身无需高精度且高稳定性的旋转装置；同时，通过遮挡光线的形式形成扫描光束，这也使得旋转平台不需要采用高精度的旋转装置。如此，本技术方案在不采用高精度的旋转装置的同时，形成了稳定且可靠的光束扫描的激光基准平面，具有结构简单，易于维护且成本低的特点。

本发明公开的借助平面度快速现场测量装置的平面度现场测量方法，其利用双目定位***来定位测量点的空间位置，可以不用在测量之前设置测量布点形式，在测量过程中可以连续、任意在待测范围内改变标靶位置，然后测得标靶的空间位置信息和高度偏离信息，再通过数据处理单元对空间位置信息和高度偏离信息进行处理，就可以直接计算出待测面的平面度。本发明的方法测量点数是不受限制的，可以获得待测量平面的完整信息，可以测量任何形状零件的平面度，整个过程可以实现连续自动测量，测量的速度和实时性、便捷性大大提高。

附图说明

图1为本发明所述的一种平面度快速现场测量装置的结构示意图。

图2为本发明所述的测量方法的流程图。

图3为本发明所述的激光平面装置的结构示意图。

说明书附图中所用到的符号的含义解释如下：

011,012为CCD相机，02为PSD位置传感器，03为激光平面装置，031为激光器，032为柱状透镜，033为旋转平台，034为金属壳，035为狭缝，036为驱动电机，04为数据采集器，05为无线数据传输单元，06为数据处理单元。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，一种平面度快速现场测量装置，包括双目定位***、激光平面装置03、位置传感器，还包括依次相连的无线数据传输单元05、数据采集器04及数据处理单元06；激光平面装置03和位置传感器均设置在待测平面上；激光平面装置03包括激光器031和设置在其前方的柱状透镜032，柱状透镜032将激光器的激光束扩散成激光基准平面；

位置传感器用于校准激光基准平面及测量待测平面上的点的高度偏离信息；

双目定位***，用于记录位置传感器图片信息，并将该位置传感器图片信息传输至数据处理单元06；

无线数据传输单元05和数据采集器04用于将高度偏离信息传入数据处理单元06；

数据处理单元06，用于处理得到的高度偏离信息和位置传感器图片信息。

其中，所述的高度偏离信息是指待测平面上的点距离测量基准平面的偏离的高度信息，所述的测量基准平面指的是用于确定激光基准平面时的位置传感器所处的位置形成的虚拟平面；所述的高度偏离信息，其数值上等同于位置传感器的零点位置距离激光基准平面的高度偏离信息。

其中，双目定位***从不同角度获得位置传感器的照片，照片传输至数据处理单元06中经过分析后获得位置传感器的空间位置信息。

其中，在一种可行的实现方式中，所述位置传感器为PSD位置传感器02或无线图像传感器中的一种。PSD位置传感器02可以直接的测量出高度偏离信息。无线图像传感器根据其接收激光基准平面上的光线的感光元件的相对位置，可以计算出高度偏离信息。

其中，在一种可行的实现方式中，所述双目定位***包括两个CCD相机011,012。两个CCD相机011,012可以获得不同角度的位置传感器的图像，通过对图像处理计算可以得到位置传感器的空间位置信息。

如图3所示，其中，激光平面装置03还包括一旋转平台033和壳体(壳体并非全封闭，一面开口)，旋转平台033设置有用于驱动旋转平台转动的驱动电机036，驱动电机036的定子固定在激光平面装置03的壳体上。旋转平台033下方还设置有圆柱状的金属壳034，金属壳034圆周方向上开设狭缝035。激光器031和柱状透镜032设置在金属壳034形成的空腔内，并固定在激光平面装置03的壳体上。如此，在工作时，激光平面装置03放置在待测点上，由于激光器031和柱状透镜032固定在激光平面装置03的壳体上，激光器031和柱状透镜032形成的激光基准平面保持稳定不变；金属壳034遮挡了激光基准平面上的激光光线并使得激光基准平面上的激光光线仅从狭缝035中漏出，形成激光束；旋转平台033在转动时可以带动金属壳034的转动并使得狭缝035转动，使得从狭缝035中漏出的激光束转动，如此，激光光线在激光基准平面内以激光束的形式出现，在形式上形成了激光光束扫描的激光基准平面。其中，激光器031和柱状透镜032形成的激光基准平面与狭缝035不平行，其中，在更进一步地优化方案中，激光器031和柱状透镜032形成的激光基准平面与狭缝垂直。

如图2所示，使用所述的平面度快速现场测量装置进行平面度现场测量方法，包括步骤：

1)将激光平面装置03和位置传感器放置在待测平面上，激光器031发出的激光束被柱状透镜032扩散成为激光基准平面，其中，在待测平面上任意选择三个不共线的点A，B和C，依次将位置传感器放在A，B和C三点位置，在每个位置均调整激光平面装置03的角度并使得激光基准平面的角度调整，最终使得位置传感器在A，B和C三点读数均为零，实现对激光基准平面的校准；

2)将位置传感器移到任意一个待测位置，用双目定位***记录位置传感器图片信息并将图片信息通过数据线输入数据处理单元06，数据处理单元06经图片分析后获得位置传感器的空间位置信息；用位置传感器检测高度偏离信息，高度偏离信息经数据采集器04采集后通过无线数据传输单元05输入数据处理单元06；

3)移动到下一个待测位置；按步骤2)操作完成待测的全部点的测量；

4)数据处理单元06根据所获得的空间位置信息和高度偏离信息，通过拟合计算，得到机械工件待测平面的平面度信息。

综上所述，本发明克服了现有平面度测量技术中需要提前设置合适的布点格式、测量空间点数少，测量速度慢等不足，而本发明中位置传感器可以放在任意位置，可以同时测得待测平面点的空间位置信息和高度偏离信息，通过行业标准的数据处理软件(具体算法参见GB 11337-2004《平面度误差检测》)，就可以直接计算出待测平面的平面度，并且测量点数理论上是无限的。本发明可以测量任意复杂形状物体的平面度，且测量的速度和实时性相对于目前的其他技术有本质的提高。

Claims (5)

1.一种平面度快速现场测量装置，其特征在于，包括双目定位***、激光平面装置(03)、位置传感器，以及依次相连的数据采集器(04)、无线数据传输单元(05)及数据处理单元(06)；其中，激光平面装置(03)和位置传感器均设置在待测平面上，激光平面装置(03)包括激光器(031)和设置在其前方的柱状透镜(032)，柱状透镜(032)能够将激光器(031)发出的激光束扩散成激光基准平面；激光平面装置(03)还包括一旋转平台(033)，旋转平台(033)下方设置开设有狭缝(035)的金属壳(034)，激光器(031)和柱状透镜(032)设置在金属壳(034)形成的空腔内，激光器(031)和柱状透镜(032)形成的激光基准平面与狭缝(035)不平行；所述金属壳(034)为柱状壳，狭缝(035)开设于该柱状壳侧面沿圆周方向上；

位置传感器用于校准激光基准平面及测量待测平面上的点的高度偏离信息；

双目定位***，用于记录位置传感器图片信息，并将该位置传感器图片信息传输至数据处理单元(06)；

数据采集器(04)用于采集高度偏离信息并由无线数据传输单元(05)传入数据处理单元(06)；

数据处理单元(06)，用于处理得到的高度偏离信息和位置传感器图片信息。

2.如权利要求1所述的平面度快速现场测量装置，其特征在于，所述位置传感器为PSD位置传感器(02)或无线图像传感器。

3.如权利要求1所述的平面度快速现场测量装置，其特征在于，旋转平台(033)设置用于驱动旋转平台转动的驱动电机(036)。

4.如权利要求1所述的平面度快速现场测量装置，其特征在于，所述双目定位***包括两个CCD相机(011,012)。

5.基于权利要求1～4任一项所述的平面度快速现场测量装置的平面度现场测量方法，其特征在于，包括步骤：

1)将激光平面装置(03)放置在待测平面上，激光器(031)发出的激光束被柱状透镜(032)扩散成为激光基准平面；将位置传感器放在待测平面任意不共线的三点位置，调整激光平面装置(03)的角度，进而调整光基准平面的角度，使得位置传感器的读数均为零，实现对激光基准平面的校准；

2)将位置传感器移到任意一个待测位置，用双目定位***记录位置传感器图片信息并将该图片信息通过数据线输入数据处理单元(06)，数据处理单元(06)经图片分析后获得位置传感器的空间位置信息；用位置传感器检测高度偏离信息，高度偏离信息经数据采集器(04)采集后通过无线数据传输单元(05)输入数据处理单元(06)；

3)移动到下一个待测位置，按步骤2)操作直至完成待测的全部点的测量；

4)数据处理单元(06)根据所获得的空间位置信息和高度偏离信息，通过拟合计算，得到机械工件待测平面的平面度信息。

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