調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法與流程

本發明屬于測量技術領域，涉及一種調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法。

背景技術：

在航空、航天、核能和船舶等領域中，大型內孔特征的半徑和輪廓參數是基本的測量任務之一，例如航空發動機的機匣內壁、大型齒輪的軸孔和船體管道的截面等，其尺寸范圍通常為φ500～1000mm，而精度要求則為0.01～0.1mm。由于此類工件的內徑尺寸精度是保證大型裝備制造質量的一個重要因素，因而實現對這些大尺寸內徑的尺寸參數的精確測量，具有很大的現實意義和應用價值。長期以來，在我國大型裝備的制造過程中，對于大型軸孔零件內徑的測量問題，通常采用弓高弦長法、內徑千分尺和基線尺等進行測量，不僅操作不便、精度難以保證，而且人為因素影響較大。

隨著測量技術的發展和進步，出現了許多大尺寸內徑的測量方法。由于被測尺寸范圍大而測量精度要求高，現有的測距傳感器很難同時滿足測量范圍和精度的要求。因此，測量大尺寸內徑一般采用相對測量法來實現，即將激光位移傳感器安裝在高精度的測量臂上，通過測量臂的整周回轉帶動激光位移傳感器完成整個圓形截面的掃描測量。測量臂預先通過標定得到其真實長度l0，當測量臂的旋轉角度為θ時，激光位移傳感器測量的被測表面與傳感器之間的距離為δ(θ)，這樣就可得到被測點處的半徑r(θ)＝l0+δ(θ)，此方法即為相對測量法。此過程中的關鍵環節就是激光位移傳感器的出射激光束的調整問題，將激光位移傳感器安裝在測量臂上后，其出射激光束與測量臂的回轉軸線處于空間交錯的狀態，此時不能直接通過l0與δ(θ)的相加來獲得r(θ)。而要實現被測點處的半徑值r(θ)＝l0+δ(θ)的目標，就需要將激光位移傳感器的出射激光束調整到與測量臂的回轉軸線垂直相交的狀態。目前，針對此問題還沒有較為成熟和有效的方法，只能通過裝配和觀察近似予以保證，這就導致了大尺寸內徑測量系統的測量精度不高。因此，本發明所提供的一種調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法，可以將激光位移傳感器的出射激光束調整到與回轉軸線垂直相交的位置，從而有助于提高大尺寸內徑測量系統的測量精度，具有一定的實用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法。其目的是解決激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的調整難題，提高裝置的測量精度，從而實現大尺寸內孔半徑和輪廓參數的精確測量。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法所依托的測量裝置包括激光位移傳感器(1)、一維平移臺(3)、傳感器連接件(4)、回轉臺(5)和測量臂(6)；回轉臺(5)能夠繞自身的回轉軸線(7)進行360°整周回轉，測量臂(6)的一端通過軸孔套裝在回轉臺(5)的輸出軸上，另一端通過安裝板固定一維平移臺(3)，并且使一維平移臺(3)的一維工作臺面(8)的運動方向與測量臂(6)的長度方向垂直；將傳感器連接件(4)通過螺栓固定在一維平移臺(3)的一維工作臺面(8)上，將激光位移傳感器(1)通過螺栓安裝在傳感器連接件(4)上，并調整激光位移傳感器(1)的空間方位，使其出射激光束(2)的方向與測量臂(6)的長度方向平行。

本發明的特征在于，該方法的步驟如下：

步驟一、將測量裝置固定在二維位移臺(12)上，二維位移臺(12)能夠產生兩個垂直方向上的直線運動；在開始調整前，將測量臂(6)所處的位置記為a，并將位置a處的回轉臺(5)中編碼器的輸出角度記為0°；然后將一個圓環(11)套裝在二維位移臺(12)和測量裝置的外圍，調整圓環(11)的幾何軸線與回轉臺(5)的回轉軸線(7)平行；以圓環(11)的幾何中心為坐標原點建立平面直角坐標系，其x軸和y軸的方向分別與二維位移臺(12)的兩個垂直運動方向平行；

步驟二、啟動激光位移傳感器(1)，使其出射激光束(2)投射在圓環(11)的內圓柱面上，將此時的激光位移傳感器(1)的輸出記為l1；然后控制回轉臺(5)帶動測量臂(6)旋轉到180°的位置b處，將此時的激光位移傳感器(1)的輸出記為l2；計算δy＝l1-l2的值，如果δy>0，則l1>l2，控制二維位移臺(12)向y軸正方向移動(l1-l2)/2；如果δy<0，則l1<l2，控制二維位移臺(12)向y軸負方向移動(l2-l1)/2；重復此步驟的上述操作，直到δy的值接近于激光位移傳感器(1)的標稱精度值，此時可以認為l1與l2的值相等，將此時的狀態定義為回轉臺(5)的回轉中心位于x軸上；

步驟三、控制回轉臺(5)帶動測量臂(6)旋轉到90°的位置c處，將此時的激光位移傳感器(1)的輸出記為l3；然后控制回轉臺(5)帶動測量臂(6)旋轉到270°的位置d處，將此時的激光位移傳感器(1)的輸出記為l4；計算δx＝l3-l4的值，如果δx>0，則l3>l4，控制二維位移臺(12)向x軸負方向移動(l3-l4)/2；如果δx<0，則l3<l4，控制二維位移臺(12)向x軸正方向移動(l4-l3)/2；重復此步驟的上述操作，直到δx的值接近于激光位移傳感器(1)的標稱精度值，此時可以認為l3與l4的值相等，將此時的狀態定義為回轉臺(5)的回轉中心位于y軸上；

步驟四、經過上述步驟二和步驟三，回轉臺(5)的回轉軸線(7)與圓環(11)的幾何軸線重合，旋轉一維平移臺(3)的調節手柄(10)，使激光位移傳感器(1)沿著垂直于其出射激光束(2)的方向運動，同時記錄激光位移傳感器(1)的輸出，當該輸出達到最大值時，停止旋轉一維平移臺(3)的調節手柄(10)并擰緊鎖緊螺釘(9)，將此時的狀態定義為激光位移傳感器(1)的出射激光束(2)通過回轉臺(5)的回轉中心。

在上述調整過程中，當激光位移傳感器(1)的出射激光束(2)逐漸逼近回轉臺(5)的回轉中心時，激光位移傳感器(1)的輸出將會逐漸變大；當激光位移傳感器(1)的輸出第一次達到最大值時，則反向旋轉一維平移臺(3)的調節手柄(10)并比較激光位移傳感器(1)的輸出，進行反復移動和比較，直到相鄰被測點處的激光位移傳感器(1)的輸出無突變時，停止旋轉調節手柄(10)，并擰緊鎖緊螺釘(9)進行鎖緊和防松，此時激光位移傳感器(1)的出射激光束(2)正好通過回轉臺(5)的回轉中心，從而實現了調整激光位移傳感器(1)的出射激光束(2)通過回轉中心的方法。

所述圓環(11)的材質為t10或者gcr15，經過熱處理、滲碳等工藝，表面硬度為hrc58～63，其內圓柱面經過精密研磨處理，直徑精度在±0.01mm以內，圓柱度小于0.01mm。

該方法所依托的測量裝置中的一維平移臺(3)包括一維工作臺面(8)、鎖緊螺釘(9)和調節手柄(10)；旋轉調節手柄(10)可以驅動一維工作臺面(8)運動，當一維工作臺面(8)到達所需位置后，通過鎖緊螺釘(9)進行鎖緊和防松。

激光位移傳感器(1)為基于點結構光的光學測距傳感器，可以通過所發射出的出射激光束(2)對被測物體的位移進行非接觸式測量，輸出傳感器與被測物體之間的距離信息，并且具有較高的采樣頻率和分辨率。

本發明所提供的一種調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法，以二維位移臺和圓環作為輔助工具，解決了激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的調整難題，可以應用于現有的非接觸式的大尺寸內徑掃描測量裝置中，以改進現有裝置中存在的不足并提高裝置的測量精度，從而實現大尺寸內孔半徑和輪廓參數的精確測量。

按照本發明所提供的方法對非接觸式大尺寸內徑掃描測量裝置進行調整，確保了裝置中的激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心，因而可以直接應用于大尺寸內徑特征的精確測量。在應用過程中，將經過調整的測量裝置安裝在被測大尺寸孔徑的內部，使測量裝置的回轉軸線與被測孔徑的幾何軸線平行，通過回轉臺帶動激光位移傳感器實現回轉運動，即可實現被測孔徑圓周方向上的高精度掃描測量。

附圖說明

圖1為本發明所依托的測量裝置的整體結構示意圖；

圖2為一維平移臺的結構示意圖；

圖3為測量臂處于0°和180°位置處的示意圖；

圖4為測量臂處于90°和270°位置處的示意圖；

圖5為調整激光束通過回轉中心的示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步詳述：

參見附圖1～5所示，該種調整激光位移傳感器的出射激光束通過回轉中心的方法所依托的測量裝置包括德國米銥公司的optoncdt2300-20型激光位移傳感器1、微納光科公司的wn110tm25l型一維平移臺3、傳感器連接件4、伺服回轉臺5和測量臂5等。伺服回轉臺5能夠繞自身軸線7進行360°整周回轉，測量臂6的一端通過軸孔套裝在伺服回轉臺5的輸出軸上，另一端通過安裝板固定一維平移臺3，并且使一維平移臺3的一維工作臺面8的運動方向與測量臂6的長度方向垂直；將傳感器連接件4通過螺栓固定在一維平移臺3的一維工作臺面8上，將激光位移傳感器1通過螺栓安裝在傳感器連接件4上，并調整激光位移傳感器1的空間方位，使其出射激光束2的方向與測量臂6的長度方向平行；

所述測量裝置中的手動一維平移臺3包括一維工作臺面8、鎖緊螺釘9和調節手柄10；旋轉調節手柄10可以驅動一維工作臺面8運動，當一維工作臺面8到達所需位置后，通過鎖緊螺釘9進行鎖緊和防松；

該方法所依托的測量裝置中的激光位移傳感器1為基于點結構光的光學測距傳感器。

該方法的步驟如下：

步驟一、將測量裝置固定在二維位移臺12上，二維位移臺12能夠產生兩個垂直方向上的直線運動；在調整前，將測量臂6所處的位置記為a，并將位置a處的伺服回轉臺5中的編碼器的輸出角度記為0°；然后將一個圓環11套裝在二維位移臺12和測量裝置的外圍，調整圓環11的幾何軸線與伺服回轉臺5的回轉軸線7平行；以圓環11的幾何中心為坐標原點建立平面直角坐標系，其x軸和y軸的方向分別與二維位移臺12的兩個垂直運動方向平行；

步驟二、啟動激光位移傳感器1，使其出射激光束2投射在圓環11的內圓柱面上，記錄此時激光位移傳感器1的輸出，將該輸出記為l1；然后控制伺服回轉臺5使其帶動測量臂6旋轉到180°位置b處，記錄位置b處的激光位移傳感器1的輸出，將該輸出記為l2；計算δy＝l1-l2的值，如果δy>0，說明l1>l2，則控制二維位移臺12向y軸正方向移動(l1-l2)/2；如果δy<0，說明l1<l2，則控制二維位移臺12向y軸負方向移動(l2-l1)/2；重復此步驟的上述操作，直到δy的值接近于激光位移傳感器1的標稱精度值，此時可以認為l1與l2的值相等，將此時的狀態定義為伺服回轉臺5的回轉中心位于x軸上；

步驟三、控制伺服回轉臺5帶動測量臂6旋轉到90°位置c處，記錄位置c處的激光位移傳感器1的輸出，將該輸出記為l3；然后控制伺服回轉臺5帶動測量臂6旋轉到270°位置d處，記錄位置d處的激光位移傳感器1的輸出，將該輸出記為l4；計算δx＝l3-l4的值，如果δx>0，說明l3>l4，則控制二維位移臺12向x軸負方向移動(l3-l4)/2；如果δx<0，說明l3<l4，則控制二維位移臺12向x軸正方向移動(l4-l3)/2；重復此步驟的上述操作，直到δx值接近于激光位移傳感器1的標稱精度值，此時可以認為l3與l4的值相等，將此時的狀態定義為伺服回轉臺5的回轉中心位于y軸上；

步驟四、經過上述步驟二和步驟三，伺服回轉臺5的回轉軸線7與圓環11的幾何軸線重合，旋轉手動的一維平移臺3的調節手柄10，使激光位移傳感器1沿著垂直于其激光束2的方向運動，同時記錄激光位移傳感器1的輸出，當該輸出達到最大值時，停止旋轉一維平移臺3的調節手柄10并擰緊鎖緊螺釘9，則此時激光位移傳感器1的出射激光束2通過回轉臺5的回轉中心；

當激光位移傳感器1的出射激光束2逐漸接近伺服回轉臺5的回轉中心時，激光位移傳感器1的輸出將會逐漸變大；當激光位移傳感器1的輸出第一次達到最大值時，則反向旋轉一維平移臺3的調節手柄10并比較激光位移傳感器1的輸出，進行反復移動和比較，直到相鄰被測點處的激光位移傳感器1輸出無突變時，則停止旋轉調節手柄10，并擰緊鎖緊螺釘9進行鎖緊進和防松，此時激光位移傳感器1的出射激光束2正好通過伺服回轉臺5的回轉中心，從而實現了調整激光位移傳感器1的出射激光束2通過回轉中心的方法。

所述圓環11的材質為t10或者gcr15，經過熱處理、滲碳等工藝，表面硬度為hrc58～63，其內圓柱面經過精密研磨處理，直徑精度在±0.01mm以內，圓柱度小于0.01mm。