一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法。该侧头装置包括测头座、共焦法位移传感器探头、三角法激光位移传感器和移位式传感器安装组件。所述的共焦法位移传感器探头安装在测头座的底部，且检测头朝下设置。三角法激光位移传感器与测头座通过移位式传感器安装组件连接。移位式传感器安装组件能够带动三角法激光位移传感器进行升降，以及带动三角法激光位移传感器的位置在共焦法位移传感器探头的两侧切换。本发明专利技术通过三角法激光位移传感器进行路径检测，在三角法激光位移传感器的量程范围内达到共焦法位移传感器的测量精度，能够满足大量程、高精度的非接触式测量场合。接触式测量场合。接触式测量场合。

【技术实现步骤摘要】
一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法


[0001]本专利技术涉及复杂物体表面形状的光学测量领域，特别涉及一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法。

技术介绍

[0002]在汽车制造、航空航天、逆向工程、集成电路板印刷或焊接等领域中，为了满足外形尺寸以及安装位置等要求，往往需要对工件的表面进行高精度测量，以实现预定功能。
[0003]目前的测量方式主要分为接触式与非接触式两种，接触式测量精度高，但测量时测头需要与被测物表面直接接触，所以无法对一些表面不允许接触或质地较软的产品进行测量。非接触式测量不存在接触力，且测量精度在不断提升，因此在很多测量场合，非接触式测量正在逐步取代接触式测量。
[0004]非接触式测量主要包括电磁波测量、超声波测量和光学测量等。其中电磁波测量仅局限于对金属材料的测量，超声波测量的发散角较大、方向性差。相比之下，光学测量具有频率响应快、结构简单、对被测物材质无特殊要求等优点，在非接触式形状测量领域应用最为广泛。
[0005]目前常用的光学式形状测量方法包括激光三角法、结构光法、飞行时间法、共焦法等。其中，激光三角法在量程较小时测量精度较高，在量程较大时则测量精度大幅度下降；其测量原理是：激光器发射激光，入射到被测物表面，在被测物体表面产生漫反射光；然后通过聚焦透镜汇聚一部分漫反射光，汇聚后的漫反射光在位置敏感元件上形成光斑；最后通过测量光斑的位移量即可间接得到实际的位移测量值。共焦法的量程往往比较小，但是其测量精度比较高，一般应用于高精度测量场合。共焦法的测量原理是：由测量光源发出一束白光，并通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一种单色光波长的焦点都对应一个距离值，当色散光照射到被测物表面并被反射回来时，只有满足共焦条件的光才能通过小孔并被光谱仪检测到，通过计算检测到的焦点光的波长即可间接得到测量的距离值。
[0006]现有的非接触式位移测量传感器，往往在量程与精度方面只能取其中之一。然而，在实际位移检测场合中，经常会遇到一些不仅对测量精度要求较高，并且对量程要求也较大的场合，此时用现有的传感器往往不能满足要求。
[0007]针对此类问题，通常采用的方法是对被测物分别进行测量两次，即首先用大量程传感器进行粗测量，然后利用粗测量获得的数据对高精度传感器进行精确测量进行测量路径规划，从而保证高精度传感器在测量过程中始终工作在量程范围内。但是，该方法应用于生产现场时将增加时间成本及设备成本，并且在两次安装传感器的过程中，还会引入传感器的安装误差，会影响最终的测量精度。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方
法。
[0009]本专利技术一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，包括测头座、共焦法位移传感器探头、三角法激光位移传感器和移位式传感器安装组件。所述的共焦法位移传感器探头安装在测头座的底部，且检测头朝下设置。三角法激光位移传感器与测头座通过移位式传感器安装组件连接。移位式传感器安装组件能够带动三角法激光位移传感器进行升降，以及带动三角法激光位移传感器的位置在共焦法位移传感器探头的两侧切换。
[0010]所述的移位式传感器安装组件包括第一电磁铁、第二电磁铁、步进电机、上臂、滑动座、底板、光杆和丝杠电机；步进电机固定在测头座上；步进电机的输出轴线和共焦法位移传感器探头的中心轴线共线。步进电机的输出轴与上臂的一端固定。上臂的另一端与底板固定。第一电磁铁与第二电磁铁分别位于步进电机输出轴线的两侧。第一电磁铁和第二电磁铁均与上臂等高设置。下臂的两侧分别设置有第一铁块和第二铁块；第一铁块、第二铁块与第一电磁铁、第二电磁铁分别位置对应。当底板在步进电机的驱动下，到达第一个极限位置时，第一电磁铁与第一铁块接触。当底板在步进电机的驱动下，到达第二个极限位置时，第二电磁铁与第二铁块接触。
[0011]所述的光杆固定在底板上，且轴线与步进电机的轴线平行。丝杠电机固定在底板上；滑动座与光杆滑动连接；滑动座与丝杠电机的输出丝杠构成螺旋副。三角法激光位移传感器固定在滑动座上。共焦法位移传感器探头发出的测量光的中心线与三角法激光位移传感器的入射光平行；所述的共焦法位移传感器探头发出的测量光的中心线、三角法激光位移传感器的入射光及接收光位于同一平面内。
[0012]作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括探头座盖。所述的测头座包括一体成型的连接杆及探头座。探头座与探头座盖通过螺钉连接，并夹紧共焦法位移传感器探头；连接杆用于与测量驱动装置连接。连接杆中心轴线与共焦法位移传感器探头的中心轴线共线。
[0013]作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括下臂。步进电机采用双出轴电机，输出轴的两端与上臂、下臂的一端分别固定。下臂的另一端与底板固定。
[0014]作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括第一定位柱和第二定位柱。第一定位柱与第二定位柱分别位于步进电机输出轴线的两侧。第一定位柱和第二定位柱均与下臂等高设置。第一定位柱和第二定位柱的外端部均开设有半球窝。下臂的内端的两侧分别设置有第二半球和第一半球；第一半球、第二半球的半径与第一定位柱、第二定位柱端部的半球窝半径分别相等。第一半球、第二半球与第一定位柱、第二定位柱分别位置对应。
[0015]该集成共焦法与三角法的探路式测头装置的测量方法，具体如下：
[0016]步骤一、将测头座安装在测量驱动装置的末端。
[0017]步骤二、利用三角法激光位移传感器的量程范围内对共焦法位移传感器的量程范围进行标定，使得三角法激光位移传感器在一个测量点进行测量后，能够知悉共焦法位移传感器到达该测量点时能否满足量程要求。
[0018]步骤三、将被测物放置在该测头装置的运动范围内，建立测量坐标系。
[0019]步骤四、测量驱动装置驱动三角法激光位移传感器到达被测物的上方，并使得三角法激光位移传感器的输出测量值为自身的量程中点值。
[0020]步骤五、测量驱动装置驱动三角法激光位移传感器进行横向移动，对被测物表面
进行横向逐点扫描。当三角法激光位移传感器检测到一个测量的位置将超出共焦法位移传感器的量程范围时，将该测量点记为超距测量点。每个超距测量点均对应一个超距调节距离δ。当位于超距测量点正上方的共焦法位移传感器向下移动对应的超距调节距离δ时，超距测量点进入共焦法位移传感器的量程范围内。
[0021]每当共焦法位移传感器到达一个超距测量点的正上方时，均执行一次下移测量。下移测量的过程为：丝杠电机带动三角法激光位移传感器上移距离至避免碰触被测物的位置，同时，测量驱动装置带动整个测头装置下移当前超距测量点对应的超距调节距离δ后，共焦法位移传感器对超距测量点进行距离测量，所得的距离值增加δ即为该超距测量点的对应的实际距离值。完成对超距测量点的测量后，丝杠电机带动三角法激光位移传感器下移复位，测量驱动装置带动整个测头装置上移复位。
[0022]步骤六、当共焦法位移传感器完本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，包括测头座(1)、共焦法位移传感器探头(9)、三角法激光位移传感器(12)和移位式传感器安装组件；其特征在于：所述的共焦法位移传感器探头(9)安装在测头座(1)的底部，且检测头朝下设置；三角法激光位移传感器(12)与测头座(1)通过移位式传感器安装组件连接；移位式传感器安装组件能够带动三角法激光位移传感器(12)进行升降，以及带动三角法激光位移传感器(12)的位置在共焦法位移传感器探头(9)的两侧切换；所述的移位式传感器安装组件包括第一电磁铁(2)、第二电磁铁(3)、步进电机(5)、上臂(10)、滑动座(13)、底板(15)、光杆(16)和丝杠电机(19)；步进电机(5)固定在测头座(1)上；步进电机(5)的输出轴线和共焦法位移传感器探头(9)的中心轴线共线；步进电机(5)的输出轴与上臂(10)的一端固定；上臂(10)的另一端与底板(15)固定；第一电磁铁(2)与第二电磁铁(3)分别位于步进电机(5)输出轴线的两侧；第一电磁铁(2)和第二电磁铁(3)均与上臂(10)等高设置；下臂(11)的两侧分别设置有第一铁块(10
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2)和第二铁块(10
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3)；第一铁块(10
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2)、第二铁块(10
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3)与第一电磁铁(2)、第二电磁铁(3)分别位置对应；当底板(15)在步进电机(5)的驱动下，到达第一个极限位置时，第一电磁铁(2)与第一铁块(10
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2)接触；当底板(15)在步进电机(5)的驱动下，到达第二个极限位置时，第二电磁铁(3)与第二铁块(10
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3)接触；所述的光杆(16)固定在底板(15)上，且轴线与步进电机(5)的轴线平行；丝杠电机(19)固定在底板(15)上；滑动座(13)与光杆(16)滑动连接；滑动座(13)与丝杠电机(19)的输出丝杠构成螺旋副；三角法激光位移传感器(12)固定在滑动座(13)上；共焦法位移传感器探头(9)发出的测量光的中心线(34)与三角法激光位移传感器(12)的入射光(35)平行；所述的共焦法位移传感器探头(9)发出的测量光的中心线(34)、三角法激光位移传感器(12)的入射光(35)及接收光(36)位于同一平面内。2.根据权利要求1所述的一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，其特征在于：所述的移位式传感器安装组件还包括探头座盖(8)；所述的测头座(1)包括一体成型的连接杆(1
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1)及探头座(1
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2)；探头座(1
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2)与探头座盖(8)通过螺钉连接，并夹紧共焦法位移传感器探头(9)；连接杆(1
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1)用于与测量驱动装置连接；连接杆(1
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1)中心轴线与共焦法位移传感器探头(9)的中心轴线共线。3.根据权利要求1所述的一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，其特征在于：所述的移位式传感器安装组件还包括下臂(11)；步进电机(5)采用双出轴电机，输出轴的两端与上臂(10)、下臂(11)的一端分别固定；下臂(11)的另一端与底板(15)固定。4.根据权利要求3所述的一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，其特征在于：所述的移位式传感器安装组件还包括第一定位柱(6)和第二定位柱(7)；第一定位柱(6)与第二定位柱(7)分别位于步进电机(5)输出轴线的两侧；第一定位柱(6)和第二定位柱(7)均与下臂(11)等高设置；第一定位柱(6)和第二定位柱(7)的外端部均开设有半球窝；下臂(11)的内端的两侧分别设置有第二半球(11
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3)和第一半球(11
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2)；第一半球(11
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2)、第二半球(11
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3)的半径与第一定位柱(6)、第二定位柱(7)端部的半球窝半径分别相等；第一半球(11
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2)、第二半球(11
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3)与第一定位柱(6)、第二定位柱(7)分别位置对应。5.如权利要求1所述的一种集成共焦法与三角法的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢科青，秦鑫晨，王文，王传勇，陈占锋，居冰峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：