本发明专利技术公开了一种集成点线双模式的激光测头装置及结构曲面测量方法；该激光测头装置包括测头面板、点式激光器、准直镜筒、光路切换机构、第一镜筒、第二镜筒、镜头和面阵相机。点式激光器、准直镜筒、第一镜筒和第二镜筒均固定在测头面板上。所述的面阵相机固定在测头面板上；镜头安装在面阵相机上。镜头朝向第一镜筒和第二镜筒的光线出射方向。第一镜筒和第二镜筒的其中一个为鲍威尔棱镜筒，另一个为聚焦镜筒。本发明专利技术在仅使用一个激光器和一个图像采集元件的情况下，利用光路切换的方式实现了点、线两种测量模式的集成，有效拓展了传感器的应用范围，增加了测量的灵活性，并降低了测量设备的成本。量设备的成本。量设备的成本。
【技术实现步骤摘要】
一种集成点线双模式的激光测头装置及结构曲面测量方法
[0001]本专利技术属于曲面形状激光非接触式精密测量
，具体涉及一种集成点线双模式的激光测头装置及结构曲面测量方法。
技术介绍
[0002]结构曲面是指一类表面具有按一定规律分布的特定几何特征(一般为高长径比特征)，能实现特定功能的曲面。结构曲面在光学仪器、3C产品、新能源装备、医疗器械、运动装备、文教器材等领域具有广泛应用，如衍射光栅、菲涅尔棱镜、智能终端主板、制氢用微结构阵列件、运动鞋底防滑纹理、乐高拼装玩具等。随着MEMS技术、微电子技术、生物与仿生制造技术及高性能精确成形制造技术的发展，结构曲面的应用将会越来越广泛。
[0003]为了保证结构曲面型零件实现预期的功能，需要对零件或生产零件的模具的形状进行精密检测。目前用于零件形状检测的方法主要有接触式测量和非接触式测量两种，其中非接触式测量具有快速、无接触力、可测量细节特征和测量数据无需半径补偿等优点，是结构曲面检测的发展趋势。激光三角法测头是应用最为广泛的非接触式测头，在同级别传感器中，点式激光测头的测量精度最高，且其测量数据具有局部有序性，便于数据处理。
[0004]高精度的点激光测头量程较小，如Keyence LK
‑
H022型激光测头的量程仅为6mm。而结构曲面上一般具有较多的曲率突变特征，所以在检测过程中很容易出现超量程现象，较难实现稳定的连续测量。目前解决激光测头超量程现象的方法主要有路径跟踪法、测头高度调整法、粗测量引导精测量法等。其中，粗测量引导精测量是相对最为理想的解决方法。
[0005]目前粗测量引导精测量的一般思路为：先用线、面结构光传感器或立体视觉传感器等快速3D测量设备对被测曲面进行扫描测量，获取被测曲面整体轮廓的点云数据；然后将点云数据拟合成曲面，获取被测曲面的粗模型；接着以粗模型为基础，为点激光测头二次测量规划测量路径；最后点激光测头按二次测量路径对被测曲面进行二次测量，并获取最终的测量数据。
[0006]现有的粗测量引导精测量解决超量程的方法存在以下问题：测量过程需要使用线、面结构光传感器或立体视觉等快速3D测量传感器，直接增加了设备成本；测量过程中线、面结构光传感器或立体视觉传感器等快速3D测量设备与点激光测头相互独立使用，一种传感器使用结束后需要进行测头切换，且每次切换后都需要对传感器进行位姿标定与坐标统一操作，过程较繁琐，影响测量效率。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种集成点线双模式的激光测头装置及结构曲面测量方法，通过将线激光系统和点激光系统并列布置，在点激光系统的一侧安装面阵相机，使线激光系统与面阵相机构成线结构光测量系统，使点激光系统与面阵相机构成点结构光测量系统。测量时，通过线结构光测量系统实现被测曲面零件的初步扫描，
获取粗测量模型，为点结构光测量系统二次测量规划测量路径，然后点结构光测量系统以测量路径为引导对被测曲面零件进行二次测量，获取最终的测量数据。
[0008]一种集成点线双模式的激光测头装置，包括测头面板、点式激光器、准直镜筒、光路切换机构、第一镜筒、第二镜筒、镜头和面阵相机。点式激光器、准直镜筒、第一镜筒和第二镜筒均固定在测头面板上。所述的面阵相机固定在测头面板上；镜头安装在面阵相机上。镜头朝向第一镜筒和第二镜筒的光线出射方向。第一镜筒和第二镜筒的其中一个为鲍威尔棱镜筒，另一个为聚焦镜筒。
[0009]所述的光路切换机构包括滑移驱动组件、第一直角棱镜和第二直角棱镜。第一直角棱镜安装在滑移驱动组件上。第二直角棱镜固定在测头面板上。第一直角棱镜在滑移驱动组件的驱动下滑动。第一直角棱镜具有两个工作位置，分别为第一工作位置和第二工作位置。第一直角棱镜处于第一工作位置时，第一直角棱镜与点式激光器错开，点式激光器的出射光线为经过准直镜筒和第一镜筒后射出；第一直角棱镜处于第二工作位置时，第一直角棱镜与点式激光器对齐，点式激光器的出射光线为经过准直镜筒、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第二镜筒后射出。
[0010]作为优选，所述的点式激光器、准直镜筒和第一镜筒依次排列并连成一条直线。第二镜筒与第二直角棱镜对齐。
[0011]作为优选，第一镜筒为聚焦镜筒；第二镜筒为鲍威尔棱镜筒。
[0012]作为优选，所述的滑移驱动组件包括滑轨、滑块、第一限位板、第二限位板和推拉式电磁铁；第一限位板与第二限位板相互间隔设置，且均固定在测头面板上。滑轨固定在测头面板上。滑块滑动连接在滑轨上，且设置在第一限位板与第二限位板之间。推拉式电磁铁固定在测头面板上；推拉式电磁铁的推杆与滑块固定。第一直角棱镜固定在滑块上。
[0013]作为优选，所述滑块的两端面均设置有半球形限位凹槽；第一限位板朝向滑块的侧面上设置有第一定位半球；第二限位板朝向滑块的侧面上设置有第二定位半球。滑块两端的半球形限位凹槽与第一限位板上的第一定位半球、第二限位板上的第二定位半球分别都对齐。
[0014]作为优选，所述的点式激光器通过第一支架固定在测头面板上；点式激光器的外侧面与第一支架之间设置有橡胶垫。
[0015]作为优选，点式激光器、准直镜筒、第一镜筒、第二镜筒的中心轴线，第一直角棱镜、第二直角棱镜的中心平面，以及镜头的中心轴线位于同一平面内；点式激光器、准直镜筒、第一镜筒、第二镜筒的中心轴线相互平行。
[0016]作为优选，所述的测头面板上固定有连接杆。工作过程中，连接杆与多自由度运动平台连接。
[0017]作为优选，所述的点式激光器的功率可调；激光测头装置在进行线激光测量时的功率为激光测头装置在进行点激光测量时的功率的3～5倍。
[0018]该集成点线双模式的激光测头装置的测量方法如下：
[0019]步骤一：将测头面板安装在多自由度运动平台上。
[0020]步骤二：将被测工件放置于三维运动平台的工作平台内，分别建立机器坐标系和世界坐标系。
[0021]步骤三：点式激光器启动，滑移驱动组件带动第一直角棱镜切换至激光从鲍威尔
棱镜筒输出的状态。点式激光器输出的激光经过鲍威尔棱镜后转化为线激光并照射在被测工件上；线激光在被测工件上产生的漫反射光经镜头聚焦后，在面阵相机的感光元件上形成光条纹。
[0022]步骤四：三维运动平台带动点式激光器运动，对被测工件进行线激光扫描，扫描完成后形成点云数据，构建出被测工件的粗模型。
[0023]步骤五：以粗模型为基础，规划点激光测量路径；滑移驱动组件带动第一直角棱镜切换至激光从聚焦镜筒输出的状态。
[0024]三维运动平台带动点式激光器沿着点激光测量路径移动，对被测工件进行点激光扫描，扫描完成后得到最终的测量数据。
[0025]本专利技术具有的有益效果是：
[0026]1、本专利技术在仅使用一个激光器和一个图像采集元件的情况下，利用光路切换的方式实现了点、线两种测量模式的集成，有效拓展了传感器的应用范围，增加了测量的灵活性，并降低了测量设备的成本。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种集成点线双模式的激光测头装置，包括测头面板(1)、点式激光器(2)、准直镜筒(5)、第一镜筒、第二镜筒、镜头(15)和面阵相机(16)；其特征在于：还包括光路切换机构；所述的点式激光器(2)、准直镜筒(5)、第一镜筒和第二镜筒均固定在测头面板(1)上；所述的面阵相机(16)固定在测头面板(1)上；镜头(15)安装在面阵相机(16)上；镜头(15)朝向第一镜筒和第二镜筒的光线出射方向；第一镜筒和第二镜筒的其中一个为鲍威尔棱镜筒，另一个为聚焦镜筒；所述的光路切换机构包括滑移驱动组件(7)、第一直角棱镜(8)和第二直角棱镜(10)；第一直角棱镜(8)安装在滑移驱动组件(7)上；第二直角棱镜(10)固定在测头面板(1)上；第一直角棱镜(8)在滑移驱动组件(7)的驱动下滑动；第一直角棱镜(8)具有两个工作位置，分别为第一工作位置和第二工作位置；第一直角棱镜(8)处于第一工作位置时，第一直角棱镜(8)与点式激光器(2)错开，点式激光器(2)的出射光线为经过准直镜筒(5)和第一镜筒后射出；第一直角棱镜(8)处于第二工作位置时，第一直角棱镜(8)与点式激光器(2)对齐，点式激光器(2)的出射光线为经过准直镜筒(5)、第一直角棱镜(8)、第二直角棱镜(10)和第二镜筒后射出。2.根据权利要求1所述的一种集成点线双模式的激光测头装置，其特征在于：所述的点式激光器(2)、准直镜筒(5)和第一镜筒依次排列并连成一条直线；第二镜筒与第二直角棱镜(10)对齐。3.根据权利要求1所述的一种集成点线双模式的激光测头装置，其特征在于：第一镜筒为聚焦镜筒(13)；第二镜筒为鲍威尔棱镜筒(11)。4.根据权利要求1所述的一种集成点线双模式的激光测头装置，其特征在于：所述的滑移驱动组件(7)包括滑轨(7
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1)、滑块(7
‑
2)、第一限位板(7
‑
3)、第二限位板(7
‑
4)和推拉式电磁铁(7
‑
5)；第一限位板(7
‑
3)与第二限位板(7
‑
4)相互间隔设置，且均固定在测头面板(1)上；滑轨(7
‑
1)固定在测头面板(1)上；滑块(7
‑
2)滑动连接在滑轨(7
‑
1)上，且设置在第一限位板(7
‑
3)与第二限位板(7
‑
4)之间；推拉式电磁铁(7
‑
5)固定在测头面板(1)上；推拉式电磁铁(7
‑
5)的推杆(7
‑5‑
1)与滑块(7
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2)固定；第一直角棱镜(8)固定在滑块(7
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2)上。5.根据权利要求4所述的一种集成点线双模式的激光测头装置，其特征在于：所述滑块(7
‑
2)的两端面均设置有半球形限位凹槽(7...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆军华，卢科青，刘木庆，杨世涛，肖方敏，卢新祖，
申请(专利权)人：杭州中测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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