CN109269422B - 一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法及装置，涉及点激光位移传感器。实验装置设有激光干涉仪、光路组件、六自由度固定架、点激光位移传感器、正弦规、分度盘、标准量块和数控加工中心。构建了点激光位移传感器测量物面时的入射倾角、转角转角和入射摆角数学模型，推导出三者关系，为点激光位移传感器误差校对提供了理论支持。基于数学模型，搭建了误差校对实验装置，操作简单，针对性强，可以极大简化实验工作量。对实验结果进行了误差分析，得到了入射倾角、入射转角、入射摆角三个测量因素对测量误差的影响规律，为基于点激光位移传感器的工件非接触快速、精确检测技术提供保障。

Description

一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法及装置

技术领域

本发明涉及点激光位移传感器，尤其是涉及一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法及装置。

背景技术

激光测量作为极具发展前景的非接触式测量方法被广泛用于解决各类几何信息的测量问题。激光测量的基本工作原理为激光三角法，利用该原理制造的激光测量***广泛用于测量物体表面轮廓、各类几何尺寸以及自由曲面形貌等。但激光三角法测量过程中也会有如下误差因素：1)成像***误差，主要受横向放大倍率和物镜畸变的影响；2)数据处理误差和***安装误差；3)温度、湿度等环境因素误差；4)被测表面特性变化引入的误差；主要包括被测表面颜色、粗糙度、测量倾角等误差因素引起的位移值偏离误差。其中对于现有点激光位移传感器而言，其数据的处理误差、***安装误差、物镜畸变率、温度及湿度等环境因素均得到较高的控制。因此，影响激光三角测距精度的主要误差因素为被测表面特性变化引入的误差。

查阅相关文献发现，点激光位移传感器在自由曲面测量中的应用(李兵,孙彬,陈磊,等.点激光位移传感器在自由曲面测量中的应用[J].光学精密工程,2015,23(7):1939-1947)文中从激光三角法入手，推导出入射倾角对点激光位移传感器测量精度的影响，并用倾角误差模型对测量结果进行补偿。但文献存在如下局限性：1)仅对入射倾角进行了具体分析，至于其他物面测量特性，如入射转角、入射摆角并未阐述。2)倾角误差实验针对特定且常用的倾角角度，并未作普遍性倾角实验。3)倾角误差实验的特殊性，使得文章没有通过实验得到一般性规律。综上所述，研究激光传感器测量过程中的误差影响因素及其误差补偿方法对其工业化推广应用意义重大。

发明内容

为克服点激光位移传感器在上述测量过程中出现的问题，本发明的目的在于提供一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法及装置。

所述点激光位移传感器测量误差校对的实验装置设有激光干涉仪、光路组件、六自由度固定架、点激光位移传感器、正弦规、分度盘、标准量块和数控加工中心；所述激光干涉仪和光路组件由磁力表架固定在数控加工中心的Z轴和工作台上，Z轴可通过数控***控制进行移动；六自由度固定架安装在数控加工中心的Z轴上，分度盘安装在工作台上，所述正弦规放置在点激光位移传感器正下方的分度盘上，可随分度盘进行转角的旋转，入射倾角由正弦规、标准量块搭建，通过调整标准量块的高度达到调整入射倾角大小的目的，通过调整旋转分度盘和六自由度固定架调整入射转角、入射摆角的大小。

所述点激光位移传感器测量误差校对的实验方法包括以下步骤：

1)首先定义入射倾角、入射转角和入射摆角，入射倾角由正弦规、标准量块搭建，通过调整标准量块的高度达到调整入射倾角大小的目的，根据测量点、测量面、入射光束、测量面法线等几何关系定义入射转角、入射摆角及其正负号，通过调整旋转分度盘和六自由度固定架调整入射转角、入射摆角的大小；

2)通过建立入射倾角转角与摆角数学模型，得到入射倾角转角与摆角之间的关系：可将入射摆角转换成一定数学关系的入射转角和倾角，要想求解入射摆角误差模型，即可通过建立入射倾角与转角误差模型，进而得到入射摆角误差模型；

3)选取点激光位移传感器和激光干涉仪，结合数控***搭建实验平台；

4)调整点激光位移传感器和激光干涉仪光路组件，确保光路正常，分别通过调整量块高度、分度盘转角以及机床Z轴移动量，记录下点激光位移传感器和激光干涉仪的数值，获取点激光位移传感器在不同入射倾角、入射转角和测量深度下的误差值；

5)将误差值与入射倾角和入射转角都为0°时的测量深度误差进行消除校正后，再利用四维模型分析方法，建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图，利用最小二乘法对各组入射倾角和转角下的测量深度误差进行拟合，最终完成点激光位移传感器测量误差校对实验。

与现有技术相比，本发明构建了点激光位移传感器测量物面时的入射倾角、转角转角和入射摆角数学模型，推导出三者关系，为点激光位移传感器误差校对提供了理论支持。基于数学模型，搭建了误差校对实验装置，操作简单，针对性强，可以极大简化实验工作量。对实验结果进行了误差分析，得到了入射倾角、入射转角、入射摆角三个测量因素对测量误差的影响规律，为基于点激光位移传感器的工件非接触快速、精确检测技术提供保障。

附图说明

图1为点激光位移传感器误差校对的实验装置组成示意图。在图1中，各标记为：激光干涉仪1、光路组件2、六自由度固定架3、点激光位移传感器4、正弦规5、分度盘6、标准量块7和数控加工中心8。

图2为点激光位移传感器入射倾角定义与调整示意图。

图3为点激光位移传感器入射转角和摆角定义与调整示意图。

图4为入射摆角与入射倾角及转角关系图。

图5为点激光位移传感器四维误差图。在图5中，(a)为0～180°，(b)为0～-180°。

图6为点激光位移传感器在不同倾角下转角的误差图。

图7为倾角误差图(转角为0°)。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

为克服点激光位移传感器在上述测量过程中出现的问题，本发明的目的在于提供一种点激光位移传感器测量误差校对实验方法及装置，该方法及装置可以有效地提高测量精度和效率，可以广泛地推向工业化应用。

参见图1点激光位移传感器测量误差校对的实验装置的结构组成示意图，所述点激光位移传感器测量误差校对的实验装置设有激光干涉仪1、光路组件2、六自由度固定架3、点激光位移传感器4、正弦规5、分度盘6、标准量块7和数控加工中心8；所述激光干涉仪1和光路组件2由磁力表架固定在数控加工中心8的Z轴和工作台上，Z轴可通过数控***控制进行移动；六自由度固定架3安装在数控加工中心8的Z轴上，分度盘6安装在工作台上，所述正弦规5放置在点激光位移传感器1正下方的分度盘6上，可随分度盘6进行转角的旋转，入射倾角由正弦规5、标准量块7搭建，通过调整标准量块7的高度达到调整入射倾角大小的目的，通过调整旋转分度盘6和六自由度固定架3调整入射转角、入射摆角的大小。

如图2所示，在O-XYZ坐标系上，AC为正弦规长度，BC代表标准量块的高度，则正弦规的倾斜角度α可以通过调整标准量块的高度来获得，即在△ABC中：

BC＝AC·sinα

由式可知，正弦规不变，通过选取不同高度量块进行组合，即可搭建出一定的物面倾角。

为了实现本发明所述的发明目的，本发明采用以下技术方案：

1、首先定义入射倾角、入射转角和入射摆角，入射倾角由正弦规5、标准量块7搭建，通过调整标准量块7的高度达到调整入射倾角大小的目的，根据测量点、测量面、入射光束、测量面法线等几何关系定义入射转角、入射摆角及其正负号，通过调整旋转分度盘6和六自由度固定架3调整入射转角、入射摆角的大小；首先对倾角、转角和摆角进行定义：

如图3所示，P点为物面测量点，PN为物面法向，EP代表入射光束，PF为激光三角法接收光束，则△EPF代表点激光位移传感器测量平面，在XOZ平面上，定义入射光束EP与接收光速PF在物面法向PN异侧时(即倾斜方向对应于点激光位移传感器的光束接收面)，正弦规的角度为+正，同侧(即倾斜方向相反于点激光位移传感器的光束接收面)则为负。在YOZ平面上，定义入射光束EP与Z轴的夹角γ为测量摆角，其中Y轴方向为正，反之为负。在XOY平面上，定义入射光束点E'与接收光束点F'组成的连线与X轴的夹角β为测量转角，当测量平面△EPF与倾斜面△ABC共面且倾斜方向对应于点激光位移传感器的光束接收面时，夹角β为0°，逆时针为正，顺时针为负，由分度盘进行控制。

2、通过建模，得到入射倾角转角与摆角关系，如图4所示测量平面△EPF与截

面△ABC共面，建立O-XYZ坐标系，Z轴与入射光PE重合，X轴与AC重合，入射光与P点法向夹角α，为则P点法向为：

PN＝[1 0 tan α]

测量平面△EPF绕X旋转角度γ，得到测量平面△E’PF’,由物面法向PN和E’确定旋转后的入射倾角α'，且平面△E’PF’与截面△A’B’C’共面，建立坐标系O-X’Y’Z’，Z’轴与E’P重合，X’轴与A’C’重合，则在O-X’Y’Z’坐标系下P点法向为：

倾角α'为：

则测量平面△E’PF’与截面△A’B’C’共面的夹角β'即为旋转后的入射转角。

其中PNX₁面法向量可写为：

则

由式可知，可将入射摆角转换成一定关系的入射转角和倾角，要想求解入射摆角误差模型，即可通过建立入射倾角与转角误差模型，得到入射摆角误差模型。

3.通过上述物面角度转换，本发明将从入射倾角、入射转角以及测量距离三个参数进行激光测量传感器的校对实验。

如图1所示，点激光位移传感器误差校对实验装置由数控加工中心、点激光位移传感器、激光干涉仪、正弦规、标准量块及分度盘组成。点激光位移传感器通过六自由度固定架安装在数控加工中心的Z轴上，分度盘安装在工作台上，将正弦规放置在点激光位移传感器正下方的分度盘上，可随分度盘进行转角的旋转。激光干涉仪光路组件由磁力表架固定在Z轴和工作台上。Z轴可通过数控***控制进行移动。

本发明采用的是基恩士LK—H050点激光位移传感器，LK—H050采用红色半导体激光(650nm)作为光源，通过将CMOS中的像素宽度和像素数翻倍，实现极高的精确度，LK—H050点激光位移传感器的主要参数如表1所示。

表1

实验使用雷尼绍XL-80激光干涉仪作为标定基准。其主要参数如下：测量范围为80m；分辨力为1nm；线性精度为±0.5×10^-6。

4、误差校对实验的具体实施步骤为：

1)实验开始前先要精确调整激光传感器的安装姿态，保证激光光束竖直入射。然后调整干涉仪光路组件的位置，在沿Z轴移动的过程中确保光路不发生偏移以及激光干涉仪能够准确读数。

2)调整分度盘转角，将量块移出，使入射转角和入射倾角都为0度。此时激光位移传感器测量过程中没有入射倾角和入射转角的影响，通过机床***控制Z轴，带动点激光位移传感器在有效测量范围内(-10～10mm)上下移动，每移动1mm记录下点激光位移传感器和激光干涉仪的数值。并计算出点激光位移传感器和激光干涉仪的误差值，即为该型号点激光位移传感器自身元器件因加工造成的测量误差。

3)增加量块，使得入射倾角为5°左右。旋转分度盘，使入射转角在-180°～180°范围内，每隔20°停下，通过机床***控制Z轴，带动点激光位移传感器在有效测量范围内(-10～10mm)上下移动，每移动1mm记录下点激光位移传感器和激光干涉仪的数值，点激光位移传感器与激光干涉仪的相差值即为该入射倾角和入射转角下的点激光误差传感器各个测量深度的误差值

4)调整量块高度，使搭建的入射倾角在-45°～45°之间变化，重复步骤3)，记录点激光位移传感器和激光干涉仪的数值。得到不同入射倾角、入射转角和测量深度的点激光误差传感器的误差值。

5、实验结果处理及使用。

实验总共得到10000多组点激光位移传感器与激光干涉仪的测量数据，它们的差值即为的点激光位移传感器的误差值。将这些误差值与入射倾角和入射转角都为0°时的测量深度误差进行消除校正后，选取入射转角为0°～±180°的数据，再利用四维模型分析方法，建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图。如图5所示。

根据点激光位移传感器四维误差图，分别选取倾角为10°、20°、30°、40°，转角为0°、10°、90°、170°、180°进行分析，利用最小二乘法对各组入射倾角和转角下的测量深度误差进行拟合，如图6所示，可得到如下结论：

1)在倾角转角不变的情况下，传感器误差值随着测量深度的增大而变大，且两者呈现线性关系；

2)在倾角不变情况下，随着转角增大，传感器误差值随之变大，且变化速率逐渐减小，即在0°～10°时转角对误差变化影响较大，在170°～180°时，转角对误差变化影响较小。

3)倾角越大，转角对传感器误差影响也增大。

由误差实验原理可知，入射转角180度时，入射倾角变为当前角度的负值。如图7所示，结合点激光位移传感器四维误差图，在转角为0°时，分别选取测量深度为8mm、4mm、0mm、-4mm、-8mm的五处测量点，绘制倾角误差图。由图7可得如下结论：

1)随着倾角增大，传感器测量误差也逐渐增大；

2)倾角越大，测量深度对传感器测量误差的影响随之增大。

Claims (1)

1.一种点激光位移传感器测量误差校对的实验方法，其特征在于设有激光干涉仪、光路组件、六自由度固定架、点激光位移传感器、正弦规、分度盘、标准量块和数控加工中心；所述激光干涉仪和光路组件由磁力表架固定在数控加工中心的Z轴和工作台上，Z轴通过数控***控制进行移动；六自由度固定架安装在数控加工中心的Z轴上，分度盘安装在工作台上，所述正弦规放置在点激光位移传感器正下方的分度盘上，随分度盘进行转角的旋转，入射倾角由正弦规、标准量块搭建，通过调整标准量块的高度达到调整入射倾角大小的目的，通过调整旋转分度盘和六自由度固定架调整入射转角、入射摆角的大小；具体实验步骤如下：

1)首先定义入射倾角、入射转角和入射摆角，入射倾角由正弦规、标准量块搭建，通过调整标准量块的高度达到调整入射倾角大小的目的，根据测量点、测量面、入射光束、测量面法线等几何关系定义入射转角、入射摆角及其正负号，通过调整旋转分度盘和六自由度固定架调整入射转角、入射摆角的大小；首先对倾角、转角和摆角进行定义：

P点为物面测量点，PN为物面法向，EP代表入射光束，PF为激光三角法接收光束，则△EPF代表点激光位移传感器测量平面，在XOZ平面上，定义入射光束EP与接收光速PF在物面法向PN异侧时，正弦规的角度为正，同侧则为负；在YOZ平面上，定义入射光束EP与Z轴的夹角γ为测量摆角，其中Y轴方向为正，反之为负；在XOY平面上，定义入射光束点E'与接收光束点F'组成的连线与X轴的夹角β为测量转角，当测量平面△EPF与倾斜面△ABC共面且倾斜方向对应于点激光位移传感器的光束接收面时，夹角β为0°，逆时针为正，顺时针为负，由分度盘进行控制；

2)通过建模，得到入射倾角转角与摆角关系，测量平面△EPF与截面△ABC共面，建立O-XYZ坐标系，Z轴与入射光PE重合，X轴与AC重合，入射光与P点法向夹角为α，则P点法向为：

PN＝[1 0 tanα]

测量平面△EPF绕X旋转角度γ，得到测量平面△E’PF’,由物面法向PN和E’确定旋转后的入射倾角α'，且平面△E’PF’与截面△A’B’C’共面，建立坐标系O’-X’Y’Z’，Z’轴与E’P重合，X’轴与A’C’重合，则在O’-X’Y’Z’坐标系下P点法向为：

倾角α'为：

则测量平面△E’PF’与截面△A’B’C’共面的夹角β'即为旋转后的入射转角；

其中PNF’面法向量写为：

则

由式可知，将入射摆角转换成一定关系的入射转角和倾角，要想求解入射摆角误差模型，即通过建立入射倾角与转角误差模型，得到入射摆角误差模型；

3)通过上述物面角度转换，将从入射倾角、入射转角以及测量距离三个参数进行激光测量传感器的校对实验；

4)误差校对实验的具体实施步骤为：

(1)先精确调整激光传感器的安装姿态，保证激光光束竖直入射，然后调整干涉仪光路组件的位置，在沿Z轴移动的过程中确保光路不发生偏移以及激光干涉仪能够准确读数；

(2)调整分度盘转角，将量块移出，使入射转角和入射倾角都为0度，通过机床***控制Z轴，带动点激光位移传感器在有效测量在-10～10mm范围内上下移动，每移动1mm记录下点激光位移传感器和激光干涉仪的数值，并计算出点激光位移传感器和激光干涉仪的误差值，即为该型号点激光位移传感器自身元器件因加工造成的测量误差；

(3)增加量块，使得入射倾角为5°左右，旋转分度盘，使入射转角在-180°～180°范围内，每隔20°停下，通过机床***控制Z轴，带动点激光位移传感器在有效测量在-10～10mm范围内上下移动，每移动1mm记录下点激光位移传感器和激光干涉仪的数值，点激光位移传感器与激光干涉仪的相差值即为该入射倾角和入射转角下的点激光误差传感器各个测量深度的误差值；

(4)调整量块高度，使搭建的入射倾角在-45°～45°之间变化，重复步骤(3)，记录点激光位移传感器和激光干涉仪的数值，得到不同入射倾角、入射转角和测量深度的点激光误差传感器的误差值；

5)将实验得到的多组点激光位移传感器与激光干涉仪的测量数据，它们的差值即为的点激光位移传感器的误差值，将这些误差值与入射倾角和入射转角都为0°时的测量深度误差进行消除校正后，选取入射转角为0°～±180°的数据，再利用四维模型分析方法，建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图；

根据点激光位移传感器四维误差图，分别选取倾角为10°、20°、30°、40°，转角为0°、10°、90°、170°、180°进行分析，利用最小二乘法对各组入射倾角和转角下的测量深度误差进行拟合，得到如下结论：

(1)在倾角转角不变的情况下，传感器误差值随着测量深度的增大而变大，且两者呈现线性关系；

(2)在倾角不变情况下，随着转角增大，传感器误差值随之变大，且变化速率逐渐减小，即在0°～10°时转角对误差变化影响较大，在170°～180°时，转角对误差变化影响较小；

(3)倾角越大，转角对传感器误差影响也增大；

由误差实验原理可知，入射转角180度时，入射倾角变为当前角度的负值；结合点激光位移传感器四维误差图，在转角为0°时，分别选取测量深度为8mm、4mm、0mm、-4mm、-8mm的五处测量点，绘制倾角误差图。