一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法。目前获得多量程的方法主要通过切换不同量程的测头实现，测量成本高，辅助时间长。本发明专利技术装置包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、定位安装件、第二量程板、第三量程板、第四量程板和压紧螺栓。每一块量程板与第一量程主基板上的位置敏感元件、接收透镜构成不同量程的测量单元。本发明专利技术通过不同量程板的快速切换改变测头装置的量程，从而获得四种倍率按优先数系递增的量程，一种测头装置可以应对多种不同尺度的测量对象，满足多种测量需求；测头装置结构简单，容易实现。

A multi range integrated laser probe device and its operation method

The invention discloses a multi range integrated laser probe device and a method for using the same. At present, the method of obtaining multi range is mainly realized by switching the probe with different ranges, and the measuring cost is high and the auxiliary time is long. The invention comprises a first range main base plate, a chip seat, a position sensitive element, a receiving lens, a receiving lens frame, a first focus lens, a first lens frame, a first holding frame, a first laser, a positioning installation, a second range plate, a third measure plate, a fourth range plate, and a pressing bolt. Each range plate is composed of a measuring unit of different ranges with a position sensitive element and a receiving lens on the first scale main substrate. The invention changes the range of the measuring device by fast switching of different range plates, thus obtaining four kinds of multiplyrate increasing range according to the priority number system. A head measuring device can respond to a variety of measuring objects of different scales and meet a variety of measurement requirements; the structure of the measuring device is simple and easy to be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法
本专利技术属于几何量激光非接触式测量
，具体涉及一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法。
技术介绍
在几何量检测领域，激光非接触式测量方法主要包括：三角法、干涉法、飞行时间法、调频连续波法、频率梳法等。其中激光三角法测头以其较高的测量精度、便捷的应用方式、相对低廉的设备成本等优点，在几何量测量、零件形状检测、曲面数字化方面有广泛的应用。目前的激光三角法测头量程是固定的，一种测头对应一种量程。但实际的测量任务，可能要应对多种不同尺度的测量对象，需要满足不同的测量需求，所以需要检测装置具备多量程功能。对于多量程功能需求，目前主要有三种解决方法：(1)配备多种测头。为检测装置配备多种不同量程的激光测头，实际测量时，根据不同的测量对象与测量要求选择量程合适的传感器。(2)与高精度升降平台配合使用。将激光测头搭载在竖直方向具有升降、精密定位功能的平台上，利用平台精确的空间移动与定位功能补偿激光测头的量程。(3)自制变量程传感器。将激光三角法测头中的位置敏感元件设计成可移动的。实际测量时，通过改变位置敏感元件的位置改变传感器的量程。上述方法中，方法(1)最为直接、简单地解决问题，但配备多种测头将直接增加测量成本，特别对于一些使用频次不高的量程，单独为其配置传感器成本过高。另外，当面对多种尺度各异的测量对象时，可能需要频繁地切换传感器，每一次切换都需要重新安装、校准，可能会影响测量效率。方法(2)可以较好拓展激光测头的量程，但精密升降平台一般价格昂贵，且对测量场地、环境都有较高要求。另外升降平台一般都配备专用的控制软件，激光测头的软件集成与数据融合可能存在问题。方法(3)可以使单个传感器获得各种不同的量程，但位置敏感元件在可移动范围内的精确定位及重复定位精度的保证较难实现。此外，量程与位置敏感元件输出的对应关系，以及各个量程位置上传感器的测量精度都要需要经过严格标定，而且需要定期进行校准，标定与校准过程非常繁琐。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法。该装置的第一量程主基板上有第一激光器、第一聚焦透镜、位置敏感元件和接收透镜，它们构成一个三角法测量单元，为第一量程。此外，测头装置配有三块量程板，每一块量程板上都有激光器和聚焦透镜。当量程板安装到第一量程主基板上时，量程板上的激光器和聚焦透镜与第一量程主基板上的位置敏感元件、接收透镜构成独立的三角法测量单元，不同的量程板构成的测量单元具有不同的量程。通过不同量程板的切换可快速改变测头装置的量程，能获得四种倍率按优先数系递增的量程。执行测量任务时，可根据待测表面的整体高度差选择合适的量程板进行测量。该测头装置可以应对多种不同尺度的测量对象，满足多种测量需求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术一种多量程集成的激光测头装置，包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、第二量程板、第二激光器、第二固持架、第二透镜架、第二聚焦透镜、定位安装件、第三量程板、第三激光器、第三固持架、第三聚焦透镜、第三透镜架、第四量程板、第四激光器、第四固持架、第四聚焦透镜、第四透镜架和压紧螺栓。所述的第一量程主基板正面设有一体成型的第一凸台，第一凸台上通过螺钉固定芯片座、接收透镜架、第一固持架和第一透镜架。位置敏感元件固定在芯片座上，接收透镜固定在接收透镜架上，第一激光器固定在第一固持架上，第一聚焦透镜固定在第一透镜架上。所述第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面平行，第一激光器发出的激光束与第一聚焦透镜的主光轴重合。接收透镜的主光轴与第一凸台台面平行，且与第一聚焦透镜的主光轴之间的夹角为30°～35°；第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离等于接收透镜的主光轴与第一凸台台面的距离。位置敏感元件的受光面与接收透镜的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件受光面的中心点。所述的第一量程主基板为长方体，第一凸台也为长方体。第一量程主基板最靠近第一聚焦透镜且与第一聚焦透镜的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽和第二定位半球槽，其中，第一定位半球槽靠近第一激光器，第二定位半球槽靠近第一聚焦透镜。第一定位半球槽的直径大于第二定位半球槽的直径。第一定位半球槽和第二定位半球槽之间等间距分布V个圆柱孔，V≥3，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块。圆柱形铁块的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块的外端面与第一量程主基板侧面平齐。第一量程主基板的背面开设有燕尾槽，燕尾槽两端开放设置。所述的第二量程板包括第二凸台、传感器基板和连接板；第二凸台固定在传感器基板正面，第二凸台为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板平行设置；第二凸台上用螺钉固定第二固持架和第二透镜架，第二激光器固定在第二固持架上，第二聚焦透镜固定在第二透镜架上。所述第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面平行，第二激光器发出的激光束与第二聚焦透镜的主光轴重合。连接板的横截面呈梯形，且连接板与第一量程主基板背面的燕尾槽匹配；连接板的长度比燕尾槽短5～8mm。定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且第一定位半球设置在定位支板靠近第二激光器的一端，第二定位半球设置在定位支板靠近第二聚焦透镜的一端，第一定位半球和第二定位半球的直径分别与第一量程主基板的第一定位半球槽和第二定位半球槽直径相等。第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体。圆柱形永磁体的外端面与定位支板靠近连接板的侧面平齐。第二量程板装配至第一量程主基板上时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第二凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第二聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行。接收透镜光心到第二聚焦透镜主光轴的距离为2.4D1～2.6D1，其中，D1为接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离。所述的第三量程板包括第三凸台、传感器基板和连接板；第三凸台固定在传感器基板正面，第三凸台为长方体；第三量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第三量程板的传感器基板与连接板平行设置；第三量程板的传感器基板长度大于第二量程板的传感器基板长度；第三凸台上用螺钉固定第三固持架和第三透镜架，第三激光器和第三聚焦透镜分别固定在第三固持架和第三透镜架上。第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面平行，第三激光器发出的激光束与第三聚焦透镜的主光轴重合。第三量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第三激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第三聚焦透镜的一端。该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆形孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体。该圆柱形永磁体的外端面与第三量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐。第三量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多量程集成的激光测头装置，包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、第二量程板、第二激光器、第二固持架、第二透镜架、第二聚焦透镜、定位安装件、第三量程板、第三激光器、第三固持架、第三聚焦透镜、第三透镜架、第四量程板、第四激光器、第四固持架、第四聚焦透镜、第四透镜架和压紧螺栓，其特征在于：所述的第一量程主基板正面设有一体成型的第一凸台，第一凸台上通过螺钉固定芯片座、接收透镜架、第一固持架和第一透镜架；位置敏感元件固定在芯片座上，接收透镜固定在接收透镜架上，第一激光器固定在第一固持架上，第一聚焦透镜固定在第一透镜架上；所述第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面平行，第一激光器发出的激光束与第一聚焦透镜的主光轴重合；接收透镜的主光轴与第一凸台台面平行，且与第一聚焦透镜的主光轴之间的夹角为30°～35°；第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离等于接收透镜的主光轴与第一凸台台面的距离；位置敏感元件的受光面与接收透镜的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件受光面的中心点；所述的第一量程主基板为长方体，第一凸台也为长方体；第一量程主基板最靠近第一聚焦透镜且与第一聚焦透镜的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽和第二定位半球槽，其中，第一定位半球槽靠近第一激光器，第二定位半球槽靠近第一聚焦透镜；第一定位半球槽的直径大于第二定位半球槽的直径；第一定位半球槽和第二定位半球槽之间等间距分布V个圆柱孔，V≥3，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块；圆柱形铁块的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块的外端面与第一量程主基板侧面平齐；第一量程主基板的背面开设有燕尾槽，燕尾槽两端开放设置；所述的第二量程板包括第二凸台、传感器基板和连接板；第二凸台固定在传感器基板正面，第二凸台为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板平行设置；第二凸台上用螺钉固定第二固持架和第二透镜架，第二激光器固定在第二固持架上，第二聚焦透镜固定在第二透镜架上；所述第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面平行，第二激光器发出的激光束与第二聚焦透镜的主光轴重合；连接板的横截面呈梯形，且连接板与第一量程主基板背面的燕尾槽匹配；连接板的长度比燕尾槽短5～8mm；定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且第一定位半球设置在定位支板靠近第二激光器的一端，第二定位半球设置在定位支板靠近第二聚焦透镜的一端，第一定位半球和第二定位半球的直径分别与第一量程主基板的第一定位半球槽和第二定位半球槽直径相等；第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；圆柱形永磁体的外端面与定位支板靠近连接板的侧面平齐；第二量程板装配至第一量程主基板上时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第二凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第二聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行；接收透镜光心到第二聚焦透镜主光轴的距离为2.4D1～2.6D1，其中，D1为接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离；所述的第三量程板包括第三凸台、传感器基板和连接板；第三凸台固定在传感器基板正面，第三凸台为长方体；第三量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第三量程板的传感器基板与连接板平行设置；第三量程板的传感器基板长度大于第二量程板的传感器基板长度；第三凸台上用螺钉固定第三固持架和第三透镜架，第三激光器和第三聚焦透镜分别固定在第三固持架和第三透镜架上；第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面平行，第三激光器发出的激光束与第三聚焦透镜的主光轴重合；第三量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第三激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第三聚焦透镜的一端；该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；该圆柱形永磁体的外端面与第三量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐；第三量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第三凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第三聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第三聚焦透镜主光轴的距离为3.9D1～4.1D1；所述的第四量程板包括第四凸台、传感器基板和连接板；第四凸台固定在传感器基板正面...

【技术特征摘要】
1.一种多量程集成的激光测头装置，包括第一量程主基板、芯片座、位置敏感元件、接收透镜、接收透镜架、第一聚焦透镜、第一透镜架、第一固持架、第一激光器、第二量程板、第二激光器、第二固持架、第二透镜架、第二聚焦透镜、定位安装件、第三量程板、第三激光器、第三固持架、第三聚焦透镜、第三透镜架、第四量程板、第四激光器、第四固持架、第四聚焦透镜、第四透镜架和压紧螺栓，其特征在于：所述的第一量程主基板正面设有一体成型的第一凸台，第一凸台上通过螺钉固定芯片座、接收透镜架、第一固持架和第一透镜架；位置敏感元件固定在芯片座上，接收透镜固定在接收透镜架上，第一激光器固定在第一固持架上，第一聚焦透镜固定在第一透镜架上；所述第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面平行，第一激光器发出的激光束与第一聚焦透镜的主光轴重合；接收透镜的主光轴与第一凸台台面平行，且与第一聚焦透镜的主光轴之间的夹角为30°～35°；第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离等于接收透镜的主光轴与第一凸台台面的距离；位置敏感元件的受光面与接收透镜的主光轴垂直，垂足为位置敏感元件受光面的中心点；所述的第一量程主基板为长方体，第一凸台也为长方体；第一量程主基板最靠近第一聚焦透镜且与第一聚焦透镜的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽和第二定位半球槽，其中，第一定位半球槽靠近第一激光器，第二定位半球槽靠近第一聚焦透镜；第一定位半球槽的直径大于第二定位半球槽的直径；第一定位半球槽和第二定位半球槽之间等间距分布V个圆柱孔，V≥3，每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块；圆柱形铁块的直径与圆柱孔孔径一致，圆柱形铁块的外端面与第一量程主基板侧面平齐；第一量程主基板的背面开设有燕尾槽，燕尾槽两端开放设置；所述的第二量程板包括第二凸台、传感器基板和连接板；第二凸台固定在传感器基板正面，第二凸台为长方体；传感器基板一端设有一体成型的定位支板，连接板固定在定位支板上；传感器基板与连接板平行设置；第二凸台上用螺钉固定第二固持架和第二透镜架，第二激光器固定在第二固持架上，第二聚焦透镜固定在第二透镜架上；所述第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面平行，第二激光器发出的激光束与第二聚焦透镜的主光轴重合；连接板的横截面呈梯形，且连接板与第一量程主基板背面的燕尾槽匹配；连接板的长度比燕尾槽短5～8mm；定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且第一定位半球设置在定位支板靠近第二激光器的一端，第二定位半球设置在定位支板靠近第二聚焦透镜的一端，第一定位半球和第二定位半球的直径分别与第一量程主基板的第一定位半球槽和第二定位半球槽直径相等；第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；圆柱形永磁体的外端面与定位支板靠近连接板的侧面平齐；第二量程板装配至第一量程主基板上时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第二凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第二聚焦透镜的主光轴与第二凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第二聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行；接收透镜光心到第二聚焦透镜主光轴的距离为2.4D1～2.6D1，其中，D1为接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离；所述的第三量程板包括第三凸台、传感器基板和连接板；第三凸台固定在传感器基板正面，第三凸台为长方体；第三量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第三量程板的传感器基板与连接板平行设置；第三量程板的传感器基板长度大于第二量程板的传感器基板长度；第三凸台上用螺钉固定第三固持架和第三透镜架，第三激光器和第三聚焦透镜分别固定在第三固持架和第三透镜架上；第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面平行，第三激光器发出的激光束与第三聚焦透镜的主光轴重合；第三量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第三激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第三聚焦透镜的一端；该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；该圆柱形永磁体的外端面与第三量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐；第三量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第三凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第三聚焦透镜的主光轴与第三凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第三聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第三聚焦透镜主光轴的距离为3.9D1～4.1D1；所述的第四量程板包括第四凸台、传感器基板和连接板；第四凸台固定在传感器基板正面，第四凸台为长方体；第四量程板的传感器基板一端设有一体成型的定位支板，该定位支板上固定连接板；第四量程板的传感器基板与连接板平行设置；第四量程板的传感器基板长度大于第三量程板的传感器基板长度；第四凸台上用螺钉固定第四固持架和第四透镜架，第四激光器和第四聚焦透镜分别固定在第四固持架和第四透镜架上；第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面平行，第四激光器发出的激光束与第四聚焦透镜的主光轴重合；第四量程板的定位支板靠近连接板的侧面固定有第一定位半球和第二定位半球，且该第一定位半球设置在定位支板靠近第四激光器的一端，该第二定位半球设置在定位支板靠近第四聚焦透镜的一端；该第一定位半球和第二定位半球之间等间距分布V个圆柱孔，每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体；该圆柱形永磁体的外端面与第四量程板的定位支板上靠近连接板的侧面平齐；第四量程板装配至第一量程主基板时，第一定位半球、第二定位半球分别嵌入第一定位半球槽和第二定位半球槽内，V块圆柱形永磁体与V块圆柱形铁块一一对齐，第四凸台的台面和第一凸台的台面平齐，第四聚焦透镜的主光轴与第四凸台台面的距离等于第一聚焦透镜的主光轴与第一凸台台面的距离，且第四聚焦透镜的主光轴与第一聚焦透镜的主光轴平行，接收透镜光心到第四聚焦透镜主光轴的距离为6.2D1～6.4D1；所述的定位安装件包括直角板和定位安装板，直角板的水平臂顶部固定有竖直设置的连接柱，竖直臂上固定定位安装板；定位安装板朝向连接柱的侧面为安装面；定位安装板的安装面与第一量程主基板背面贴合，并通过螺钉固定；所述定位安装板的中心处开设有螺纹孔，压紧螺栓与螺纹孔连接，第一量程板、第二量程板、第三量程板或第四量程板的连接板在装配状态下，压紧螺栓的尾端压紧装配在第一量程主基板上的连接板背面。2.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述的第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器均为点式激光器，接收透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜均为凸透镜。3.根据权利要求1所述的一种多量程集成的激光测头装置，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的功率之比，等于第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和第四聚焦透镜的焦距之比，也等于接收透镜光心到第一聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第二聚焦透镜主光轴的距离、接收透镜光心到装配状态的第三聚焦透镜主光轴的距离和接收透镜光心到装配状态的第四聚焦透镜主光轴的距离之比。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢科青，王文，居冰峰，曹衍龙，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33