CN114018174A - 复杂曲面轮廓测量*** - Google Patents

Abstract

本发明的复杂曲面轮廓测量***，通过覆盖一视角范围的激光采集***、可旋转的转台、可供转台沿Y轴运动的运动机构以及可供激光采集***可沿Z轴运动的运动机构，实现激光采集***坐标系和待测复杂曲面坐标***一，并通过控制器控制所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，实现了自动对复杂曲面整体的三维轮廓测量，并保证了测量效率以及测量精度。

Description

复杂曲面轮廓测量***

技术领域

本发明涉及轮廓测量领域，特别是涉及一种复杂曲面轮廓测量***。

背景技术

现阶段对完成加工的复杂曲面的轮廓测量往往会面临曲面的不规则性带来的困难。现有不同的测量手段均不能适应工业生产过程中对加工后的复杂曲面的测量需求。三坐标测量机可以满足测量的精度需求，但由于其一次只能采样一个点，很难实现快速测量，不能满足测量的速度需求。基于结构光等非接触式的测量方法可以实现快速测量，但在测量精度方面面临着在复杂曲面大曲率部位处测量精度难以达到10μm以下的问题，不能满足复杂曲面的测量精度需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种复杂曲面轮廓测量***，用于解决现有技术中不能适应工业生产过程中对加工后的复杂曲面的测量精确度以及测量速度的需求等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种复杂曲面轮廓测量***，所述***包括：所述***包括：转台，用于带动待测复杂曲面以该***坐标系下的Z轴为中心转动；其中，所述待测复杂曲面的水平基准面垂直于Z轴；第一运动机构，用于带动固定在其上的所述转台沿该***坐标系下的Y轴方向运动；覆盖一视角范围的激光采集***，其激光面垂直于Z轴，用于采集所述待测复杂曲面的轮廓数据；第二运动机构，以供带动固定在其上的激光采集***沿所述Z轴方向运动；控制器，连接所述转台、第一运动机构以及第二运动机构，用于控制所述所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。

于本发明的一实施例中，所述激光采集***包括：激光面处于同一平面的至少三个激光传感器，且共覆盖一视角范围。

于本发明的一实施例中，述激光采集***包括：至少两个局部激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的局部细节区域的轮廓数据；至少一个全局激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的除所述局部细节区域之外的区域的轮廓数据；其中，各局部激光传感器以及全局激光传感器的激光面处于同一平面，且共覆盖一视角范围。

于本发明的一实施例中，所述***还包括：曲面固定装置，设于所述转台上，用于固定设于其上的所述待测复杂曲面，以供所述待检测复杂曲面的水平基准面保持垂直于Z轴。

于本发明的一实施例中，所述控制器包括：数据获取模块，用于获取所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台当前的Y轴位置以及视角范围；控制模块，连接所述数据获取模块，用于根据所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台当前的Y轴位置以及所述视角范围控制所述所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。

于本发明的一实施例中，所述控制模块包括：Y轴补偿运动控制单元，用于由激光采集***所覆盖的视角范围确定最佳测量位置，并控制所述第一运动机构带动所述转台从当前的Y轴位置沿Y轴方向运动至最佳测量位置；Z轴补偿运动控制单元，用于由所述待测复杂曲面的尺寸信息确定检测高度限制值位置，并控制所述第二运动机构带动所述激光采集***沿所述Z轴方向从所述水平基准面所对应的高度值位置运动至检测高度限制值位置；补偿转动控制单元，用于由所述视角范围确定未覆盖视角范围，并控制所述转台进行一或多次转动，以供所述激光采集***覆盖所述未覆盖视角范围。

于本发明的一实施例中，所述第一运动机构设置有用于确定所述转台当前的Y轴位置的光栅尺；和/或，所述第二运动机构设置有用于确定水平基准面所对应的基准高度位置以及所述激光采集***的当前的高度值位置的光栅尺。

于本发明的一实施例中，所述***还包括：数据处理装置，连接所述激光采集***，用于将所述激光采集***采集到的轮廓数据进行拼合以及预处理，获得所述待测复杂曲面的整体轮廓。

于本发明的一实施例中，各激光器在构成平面的180度范围内设置。

于本发明的一实施例中，各局部激光传感器相邻设置。

如上所述，本发明是一种复杂曲面轮廓测量***，具有以下有益效果：本发明通过覆盖一视角范围的激光采集***、可旋转的转台、可供转台沿Y轴运动的运动机构以及可供激光采集***可沿Z轴运动的运动机构，实现激光采集***坐标系和待测复杂曲面坐标***一，并通过控制器控制所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，实现了自动对复杂曲面整体的三维轮廓测量，并保证了测量效率以及测量精度。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的复杂曲面轮廓测量***的结构示意图。

图2显示为本发明一实施例中的激光采集***示意图。

图3显示为本发明一实施例中的激光采集***示意图。

图4显示为本发明一实施例中的最佳检测位置确定示意图。

图5显示为本发明一实施例中的视角范围覆盖示意图。

图6显示为本发明一实施例中的基于多激光传感器的叶片轮廓测量***的结构示意图。

图7显示为本发明一实施例中的最佳检测位置确定示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

本发明提供一种复杂曲面轮廓测量***，本发明通过覆盖一视角范围的激光采集***、可旋转的转台、可供转台沿Y轴运动的运动机构以及可供激光采集***可沿Z轴运动的运动机构，实现激光采集***坐标系和待测复杂曲面坐标***一，并通过控制器控制所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，实现了自动对复杂曲面整体的三维轮廓测量，并保证了测量效率以及测量精度。

下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。

如图1展示本发明实施例中的一种复杂曲面轮廓测量***的结构示意图。

该***对应有一***坐标系，包括：X轴、Y轴以及Z轴，且X轴、Y轴以及Z轴相互垂直。

所述***包括：

转台11，用于带动待测复杂曲面10以该***坐标系下的Z轴为中心转动；其中，所述待测复杂曲面10的水平基准面垂直于Z轴；

第一运动机构12，用于带动固定在其上的所述转台11沿该***坐标系下的Y轴方向运动；优选的，第一运动机构上设有沿Y轴延伸的移动轨道，所述转台设于所述移动轨道上，且利用第一运动机构带动所述转台沿Y轴运动；

覆盖一视角范围的激光采集***13，其激光面垂直于Z轴，用于采集所述待测复杂曲面的轮廓数据；

第二运动机构14，以供带动固定在其上的激光采集***13沿所述Z轴方向运动；优选的，第二运动机构上设有沿Z轴延伸的移动轨道，所述激光采集***13设于所述移动轨道上，且利用第二运动机构带动激光采集***13沿所述Z轴方向运动；

控制器，连接所述转台11、第一运动机构12以及第二运动机构14，用于控制所述所述转台11、第一运动机构12以及第二运动机构14中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***13采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。需要说明的是，图1的控制器置于所述控制柜内，但是控制器的设置位置不仅限于图1，本发明对此不作限定。

可选的，所述激光采集***13包括：激光面处于同一平面的至少三个激光传感器，且共覆盖一视角范围；各激光传感器依次设置于所述第一运动机构上；优选的，各激光器在平面的180度范围内设置，其所覆盖的视角范围大于等于180度。如图2所示为三个传感器设置示意图。

需要说明的是，在轮廓测量前需要进行运动机构误差的校准以及通过标定方法实现各激光传感器坐标系和被测三维复杂曲面坐标系的统一，即调节各激光传感器的激光面处于同一平面且垂直于第二运动机构所对应的Z轴，以保证坐标系的统一。

可选的，由于复杂曲面一般具有相对的局部细节区域需要重点关注，只是通过全局采集并不能详细的描述该区域的特征，导致待测复杂曲面的轮廓计算不准确；因此所述激光采集***13包括：

至少两个局部激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的局部细节区域的轮廓数据；令两个局部激光传感器的激光角度面向待测复杂曲面的局部细节区域，可以实现局部细节区域更全面的轮廓数据采集，进而可以获得更准确的轮廓。需要说明的是，局部细节区域的大小及形状对应不同尺寸的复杂曲面是各不相同，若待复杂曲面的局部细节区域的范围大则需增加局部激光传感器，若范围小则只需采用两个局部传感器即可。优选的，各局部激光传感器相邻设置。优选的，局部激光传感器等距和/或对称设置，保证局部细节区域的轮廓数据的完整采集。举例来说，如图3所示，局部细节区域为两个叶片的交叉区域，采用两个局部传感器的中心视角呈垂直设置，以保证局部细节区域的轮廓数据的完整采集。

至少一个全局激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的除所述局部细节区域之外的区域的轮廓数据；

其中，各局部激光传感器以及全局激光传感器的激光面处于同一平面，且共覆盖一视角范围。

可选的，所述***还包括：曲面固定装置15为复杂曲面零件快速固定装置，设于所述转台上，用于固定设于其上的所述待测复杂曲面，以供所述待检测复杂曲面的水平基准面保持垂直于Z轴。举例来说，所述曲面固定装置为夹具装置。

当利用曲面固定装置15将所述待检测复杂曲面固定之后使其水平基准面保持垂直于Z轴后，需要标定待检测复杂曲面的水平基准面；基准面通过激光采集***13进行标定，还可以借助一系列标准量具(如塞尺、圆柱、球、圆锥等)实现，举例来说，为固定塞尺后选择不同角度测量塞尺的长短边，并采集激光采集***的数据，对激光采集***的数据作线性拟合可以得到不同传感器坐标系间的夹角；固定圆柱后采集数据，经过圆拟合计算不同坐标系下圆心位置，进而得到激光采集***中的不同传感器坐标系的X-Y平面上的X方向偏移量和Y方向偏移量；固定圆球后采集数据，经过圆拟合计算激光采集***中不同传感器坐标系下圆的半径大小，得到激光采集***中的不同传感器坐标系的Z方向偏移量。

可选的，所述控制器包括：

数据获取模块，用于获取所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台11当前的Y轴位置以及视角范围；具体的，由于所述待测复杂曲面的水平基准面已经被标定，因此获取标定后的水平基准面的沿Z轴的高度位置；获取所述转台11当前的Y轴位置并获取所述视角范围，所述视角范围对应一视角，例如180度。

控制模块，连接所述数据获取模块，用于根据所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台11当前的Y轴位置以及所述视角范围控制所述所述转台11、第一运动机构12以及第二运动机构14中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***13采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。

可选的，所述控制模块包括：

Y轴补偿运动控制单元，用于由激光采集***所覆盖的视角范围确定最佳测量位置，并控制所述第一运动机构带动所述转台从当前的Y轴位置沿Y轴方向运动至最佳测量位置；具体的，由激光采集***所覆盖的视角范围来确定最佳测量位置，例如如图4所示，由于视角范围所对应的为180度平面半圆，且选择直径中心原点A为最佳测量位置，则使转台的圆心从当前的Y轴位置沿Y轴方向运动至最佳测量位置A。

Z轴补偿运动控制单元，用于由所述待测复杂曲面的尺寸信息确定检测高度限制值位置，并控制所述第二运动机构带动所述激光采集***沿所述Z轴方向从所述水平基准面所对应的高度值位置运动至检测高度限制值位置；具体的，由于水平基准面的高度位置已经确定，根据所述待测复杂曲面的尺寸信息确定待测复杂曲面的最高位置，以作为检测高度限制值位置，则令所述所述第二运动机构带动所述激光采集***沿所述Z轴方向从所述水平基准面所对应的高度值位置运动至检测高度限制值位置，进而实现采集Z方向待检测复杂曲面轮廓的采集。

补偿转动控制单元，用于由所述视角范围确定未覆盖视角范围，并控制所述转台进行一或多次转动，以供所述激光采集***覆盖所述未覆盖视角范围。由于所述视角范围对应一视角且该视角可以确定，则利用360度减去该视角就可以获得当前激光采集***的未覆盖视角范围，进而控制转台转动以供所述激光采集***覆盖所述未覆盖视角范围，采集待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。举例来说，如图5所示，当前激光采集***覆盖的视角范围所对应的视角为180度，则未覆盖视角范围所对应的视角为180度，则控制转台转动180度以供所述激光采集***覆盖所述未覆盖视角范围。一般来说，三个激光传感器所覆盖的最大视角是有限制的并不能涉及到360度的范围，因此我们只需通过自动调整转台转动就可以实现仅通过三个激光传感器就能实现覆盖全视角范围，相比起需增加传感器来实现覆盖全视角范围的现有技术来说，可以减少成本且保证采集轮廓数据的效率。

由于通过Z轴补偿运动控制单元控制所述第二运动机构带动所述激光采集***沿所述Z轴方向运动可实现采集Z方向待检测复杂曲面轮廓的采集，且通过补偿转动控制单元自动调整转台转动就可以实现仅通过三个激光传感器就能实现覆盖全视角范围，因此可以实现待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据采集。

可选的，所述***还包括：数据处理装置，连接所述激光采集***，用于将所述激光采集***采集到的轮廓数据进行拼合以及预处理，获得所述待测复杂曲面的整体轮廓。具体的，由于个激光传感器激光面处于同一平面，因此可以直接将其采集的对应同一沿Z轴高度值得轮廓数据进行拼合并进行预处理就可以获得所述待测复杂曲面的整体轮廓，使得轮廓还原效率大大的提高，并且保证了精准的准确度。

可选的，所述第一运动机构设置有用于确定所述转台当前的Y轴位置的光栅尺16；和/或，所述第二运动机构设置有用于确定水平基准面所对应的基准高度位置以及所述激光采集***的当前的高度值位置的光栅尺17。

为了更好的描述所述复杂曲面轮廓测量***，提供具体实施例；

实施例1：一种基于多激光传感器的叶片轮廓测量***。图6为叶片轮廓测量***的结构示意图。

所述***包括：

大理石平台2，其上设有Y轴运动机构3、轮廓传感器4、轮廓传感器5、设于大理石立柱6上的Z轴运动机构7、Z轴光栅尺8、轮廓传感器9、轮廓传感器10、被测叶片11、快速装夹机构12、精密转台13以及Y轴光栅尺14；设于控制柜1的控制器。

轮廓测量传感器4、5、9以及10按一定角度分布在同一平面内用来同时采集截面轮廓数据；一个精密转台13和带光栅尺(14,8)的Y轴运动机构3和Z轴运动机构7用来产生被测叶片与多激光传感器之间的三轴相对运动；***软件用以控制运动机构和传感器数据的采集。被测叶片可以随转台13转动。转台13在Y轴运动机构3上运动。四个轮廓测量传感器4，5，9，10安装在Z轴运动机构7上，可以在Z方向运动。用一系列标准量具实现对运动机构和转台运动过程的几何误差补偿以及对运动机构和转台坐标系到多轮廓测量传感器坐标系的标定和统一。其中，轮廓测量传感器4，5，9，10均为线激光测量仪，可以一次采集大量数据点。

具体测量步骤如下：

(1)叶片的固定和基准面确定

测量前将其用特制的快速装夹机构12固定在转台13上，并用轮廓测量传感器标定其基准面。快速装夹机构能够与叶片的榫头咬合紧密，保证叶片测量过程中的稳定。基准面的确定借助轮廓测量传感器实现，当轮廓测量传感器I-IV随着Z轴运动刚采集到快速装夹机构12的轮廓时，以此时Z轴光栅尺8的示数为基准。

(2)叶片的自适应测量

在软件中选取不同Z值即可对叶片基于基准面不同高度处的截面进行测量。对截面测量时，控制器根据轮廓测量传感器I-IV上采集到的数据点在传感器坐标系上的分布，调整精密转台13的转动角度和Y轴运动机构3以改变叶片的位置和朝向角度，最终在每个传感器坐标系中，叶片轮廓数据均在图7所示的轮廓测量传感器协作测量区域中的最佳位置。

该测量***可用在车间现场，进而在恒温、恒湿等严格的环境下进行测量。

综上所述，本发明的复杂曲面轮廓测量***，通本发明通过覆盖一视角范围的激光采集***、可旋转的转台、可供转台沿Y轴运动的运动机构以及可供激光采集***可沿Z轴运动的运动机构，实现激光采集***坐标系和待测复杂曲面坐标***一，并通过控制器控制所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，实现了自动对复杂曲面整体的三维轮廓测量，并保证了测量效率以及测量精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述***包括：

转台，用于带动待测复杂曲面以该***坐标系下的Z轴为中心转动；其中，所述待测复杂曲面的水平基准面垂直于Z轴；

第一运动机构，用于带动固定在其上的所述转台沿该***坐标系下的Y轴方向运动；

覆盖一视角范围的激光采集***，其激光面垂直于Z轴，用于采集所述待测复杂曲面的轮廓数据；

第二运动机构，以供带动固定在其上的激光采集***沿所述Z轴方向运动；

控制器，连接所述转台、第一运动机构以及第二运动机构，用于控制所述所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。

2.根据权利要求2中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述激光采集***包括：激光面处于同一平面的至少三个激光传感器，且共覆盖一视角范围。

3.根据权利要求3中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述激光采集***包括：

至少两个局部激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的局部细节区域的轮廓数据；

至少一个全局激光传感器，用于采集所述待测复杂曲面的除所述局部细节区域之外的区域的轮廓数据；

其中，各局部激光传感器以及全局激光传感器的激光面处于同一平面，且共覆盖一视角范围。

4.根据权利要求1中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述***还包括：曲面固定装置，设于所述转台上，用于固定设于其上的所述待测复杂曲面，以供所述待检测复杂曲面的水平基准面保持垂直于Z轴。

5.根据权利要求1中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述控制器包括：

数据获取模块，用于获取所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台当前的Y轴位置以及视角范围；

控制模块，连接所述数据获取模块，用于根据所述待测复杂曲面的水平基准面的高度位置、所述转台当前的Y轴位置以及所述视角范围控制所述所述转台、第一运动机构以及第二运动机构中的一种或多种进行相应的补偿运动，以供所述激光采集***采集到用于获得所述待测复杂曲面整体轮廓的轮廓数据。

6.根据权利要求5中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述控制模块包括：

Y轴补偿运动控制单元，用于由激光采集***所覆盖的视角范围确定最佳测量位置，并控制所述第一运动机构带动所述转台从当前的Y轴位置沿Y轴方向运动至最佳测量位置；

Z轴补偿运动控制单元，用于由所述待测复杂曲面的尺寸信息确定检测高度限制值位置，并控制所述第二运动机构带动所述激光采集***沿所述Z轴方向从所述水平基准面所对应的高度值位置运动至检测高度限制值位置；

补偿转动控制单元，用于由所述视角范围确定未覆盖视角范围，并控制所述转台进行一或多次转动，以供所述激光采集***覆盖所述未覆盖视角范围。

7.根据权利要求1中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述第一运动机构设置有用于确定所述转台当前的Y轴位置的光栅尺；和/或，所述第二运动机构设置有用于确定水平基准面所对应的基准高度位置以及所述激光采集***的当前的高度值位置的光栅尺。

8.根据权利要求1中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，所述***还包括：

数据处理装置，连接所述激光采集***，用于将所述激光采集***采集到的轮廓数据进行拼合以及预处理，获得所述待测复杂曲面的整体轮廓。

9.根据权利要求2中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，各激光器在构成平面的180度范围内设置。

10.根据权利要求3中所述的复杂曲面轮廓测量***，其特征在于，各局部激光传感器相邻设置。

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