[0062] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0063] 如图1、2、3、4和5所示,一种多量程集成的激光测头装置,包括第一量程主基板1、芯片座2、位置敏感元件3、接收透镜4、接收透镜架5、第一聚焦透镜6、第一透镜架7、第一固持架8、第一激光器9、第二量程板 11、第二激光器12、第二固持架13、第二聚焦透镜14、第二透镜架15、定位安装件16、第三量程板17、第三激光器18、第三固持架19、第三聚焦透镜20、第三透镜架21、第四量程板22、第四激光器23、第四固持架24、第四聚焦透镜25、第四透镜架26和压紧螺栓27。
[0064] 如图1和2所示,第一量程主基板1正面设有一体成型的第一凸台1-1,第一凸台1-1上通过螺钉固定芯片座2、接收透镜架5、第一固持架8和第一透镜架7。位置敏感元件3固定在芯片座2上,接收透镜4固定在接收透镜架5上,第一激光器9固定在第一固持架8上,第一聚焦透镜6固定在第一透镜架7上。第一聚焦透镜6的主光轴与第一凸台1-1台面平行,第一激光器9发出的激光束10与第一聚焦透镜6的主光轴重合。接收透镜4的主光轴与第一凸台1-1台面平行,且与第一聚焦透镜6的主光轴之间的夹角为30°~35°(本实施例取30°);第一聚焦透镜6的主光轴与第一凸台1-1台面的距离等于接收透镜4的主光轴与第一凸台1-1台面的距离。位置敏感元件3的受光面与接收透镜4的主光轴垂直,垂足为位置敏感元件3受光面的中心点。
[0065] 如图2所示,第一量程主基板1为长方体,第一凸台1-1也为长方体。第一量程主基板1最靠近第一聚焦透镜6且与第一聚焦透镜6的主光轴平行的那个侧面开设有第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5,其中,第一定位半球槽1-2靠近第一激光器9,第二定位半球槽1-5靠近第一聚焦透镜6。第一定位半球槽1-2的直径大于第二定位半球槽1-5的直径。第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5之间等间距分布三个圆柱孔,每个圆柱孔内固定一个圆柱形铁块1-3。圆柱形铁块1-3的直径与圆柱孔孔径一致,圆柱形铁块1-3的外端面与第一量程主基板1侧面平齐。第一量程主基板1的背面开设有燕尾槽1-4,燕尾槽1-4两端开放设置。
[0066] 如图3所示,第二量程板11包括第二凸台11-1、传感器基板和连接板 11-2;第二凸台11-1固定在传感器基板正面,第二凸台11-1为长方体;传感器基板一端设有一体成型的定位支板11-3,连接板11-2固定在定位支板 11-3上;传感器基板与连接板11-2平行设置;第二凸台11-1上用螺钉固定第二固持架13和第二透镜架15,第二激光器12固定在第二固持架13上,第二聚焦透镜14固定在第二透镜架15上。第二聚焦透镜14的主光轴与第二凸台11-
1台面平行,第二激光器12发出的激光束与第二聚焦透镜14的主光轴重合。连接板11-2的横截面呈梯形,且连接板11-2与第一量程主基板1背面的燕尾槽1-4匹配;连接板11-2的长度比燕尾槽1-4短5~8mm(本实施例取5mm)。定位支板11-3靠近连接板11-2的侧面固定有第一定位半球11-4和第二定位半球11-5,且第一定位半球11-4设置在定位支板11-3靠近第二激光器12的一端,第二定位半球11-5设置在定位支板11-3靠近第二聚焦透镜14的一端,第一定位半球11-4和第二定位半球11-5的直径分别与第一量程主基板1的第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5直径相等。第一定位半球11-4和第二定位半球11-5之间等间距分布三个圆柱孔,每个圆柱孔内固定有圆柱形永磁体11-6。圆柱形永磁体11-6的外端面与定位支板11-3靠近连接板11-2的侧面平齐。
[0067] 第二量程板11可以通过连接板11-2与燕尾槽1-4的配合装配至第一量程主基板1上。当第二量程板11装配至第一量程主基板1上时,各器件之间的定位关系如下:第一定位半球11-4、第二定位半球11-5分别嵌入第一定位半球槽1-2和第二定位半球槽1-5内,三块圆柱形永磁体11-6与三块圆柱形铁块1-3一一对齐。第二凸台11-1的台面和第一凸台1-1的台面平齐,第二聚焦透镜14的主光轴与第二凸台11-1台面的距离等于第一聚焦透镜6 的主光轴与第一凸台1-1台面的距离,且第二聚焦透镜14的主光轴(光心 O2)与第一聚焦透镜6的主光轴平行。接收透镜4光心到第二聚焦透镜14 主光轴的距离D2为2.4D1~2.6D1(本实施例中取2.5D1),其中,D1为接收透镜4光心到第一聚焦透镜6主光轴的距离。
[0068] 如图4所示,第三量程板17的传感器基板长度大于第二量程板11的传感器基板,其它形状、尺寸、结构与第二量程板11一致。第三激光器18和第三聚焦透镜20分别通过第三固持架19和第三透镜架21固定在第三凸台 17-1上。第三激光器18和第三聚焦透镜20在第三凸台17-1上的定位关系与第二激光器12和第二聚焦透镜14在第二凸台11-1上的定位关系一致。当第三量程板17装配至第一量程主基板1时,接收透镜4光心到第三聚焦透镜20主光轴的距离为3.9D1~4.1D1(本实施例中取4D1)。
[0069] 如图5所示,第四量程板22的传感器基板长度大于第三量程板17的传感器基板长度,其它形状、尺寸、结构与第三量程板17一致。第四激光器 23和第四聚焦透镜25分别通过第四固持架24和第四透镜架26固定在第四凸台22-1上。第四激光器23和第四聚焦透镜25在第四凸台22-1上的定位关系与第二激光器12和第二聚焦透镜14在第二凸台11-1上的定位关系一致。当第四量程板22装配至第一量程主基板1时,接收透镜4光心到第四聚焦透镜25主光轴的距离为6.2D1~6.4D1(本实施例中取6.3D1)。
[0070] 接收透镜4光心到第二聚焦透镜14主光轴的距离为2.5D1,到第三聚焦透镜20主光轴的距离为4D1,到第四聚焦透镜25主光轴的距离为6.3D1,这样设定的原因是:希望第二量程、第三量程、第四量程大致按第一量程的 2.5倍、4倍、6.3倍这样的倍率扩大。因为2.5,4,6.3是优先数系列R5中的项值,这里将量程倍率设置成按优先数系递增,在实际应用可以满足更多测量需求,可以适用更多的测量场合。
[0071] 第二量程板11、第三量程板17和第四量程板22可以在第一量程主基板 1上实现快速装卸,下面以第二量程板11在第一量程主基板1上的装卸为例,说明快速装卸原理与过程:第二量程板11上的第一定位半球11-4、第二定位半球11-5分别与第一量程主基板1上的第一定位半球槽1-2、第二定位半球槽1-5对应,用于定位,保证每次装配的重复定位精度。第一定位半球11-4 的直径大于第二定位半球11-5,是为了明确装配方向,防止倒装。安装第二量程板11时,将连接板11-2插入到第一量程主基板1的燕尾槽1-4内,然后将第二量程板11向第一量程主基板1推进。当第二量程板11的定位支板 11-3靠近第一量程主基板1的侧面时,第二量程板11上的三块圆柱形永磁体11-6吸引第一量程主基板1上对应位置的圆柱形铁块1-3,利用磁力将第二量程板11快速固定在第一量程主基板1上。卸载时,只需将第二量程板 11往外拉,克服磁力即可将第二量程板11卸下。同理,第三量程板17和第四量程板22都可以在第一量程主基板1上实现快速装卸。
[0072] 第一激光器9、第二激光器12、第三激光器18和第四激光器23均为点式激光器,具有相同的外形。第二激光器12的工作功率为2.5W1,其中, W1为第一激光器9的工作功率,第三激光器18的工作功率为4W1,第四激光器23的工作功率为6.3W1。
[0073] 对第一激光器9、第二激光器12、第三激光器18和第四激光器23的工作功率按1:2.5:4:6.3的比例设定,是为了使位置敏感元件3在不同量程模式下获得光能较为稳定的接收光线聚焦光点。因为这四种激光器工作时离开接收透镜4的距离不一样,从而工作时,接收透镜4能接收到的光能也不一样。为了避免光能变化对测量结果的影响,所以在不同量程模式下使用不同功率的激光器。因为第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25工作时它们的主光轴与接收透镜4光心之间的距离之比为 1:2.5:4:6.3,所以激光器的功率之比也设定为1:2.5:4:6.3。
[0074] 接收透镜4、第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25均为凸透镜。第二聚焦透镜14的焦距为2.5f,其中,f为第一聚焦透镜6的焦距。第三聚焦透镜20的焦距为4f,第四聚焦透镜25的焦距为6.3f。第一透镜架7、第二透镜架15、第三透镜架21、第四透镜架26 和接收透镜架5具有相同的形状、尺寸与结构。
[0075] 对第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25的焦距按1:2.5:4:6.3的比例设定,是为了使位置敏感元件3在不同量程模式下获得大小较为恒定的接收光线聚焦光点。因为在不同的量程模式下,量程中心与聚焦透镜光心之间的距离不一样,如果使用焦距相同的透镜,不同量程模式下位置敏感元件3上接收光线聚焦光点的大小会有较大差别。为了避免接收光聚焦光点大小变化对测量结果的影响,所以在不同量程模式下使用不同焦距的聚焦透镜。因为第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜14、第三聚焦透镜20和第四聚焦透镜25工作时它们的主光轴与接收透镜4光心之间的距离之比为1:2.5:4:6.3,所以聚焦透镜的焦距之比也设定为1:2.5:4:6.3。
[0076] 位置敏感元件3为线阵CCD元件,或为线阵CMOS元件。
[0077] 如图6所示,第一固持架8固定第一激光器9处的结构采用卡箍结构,该卡箍结构设有两个环面,两个环面相对端均设有耳板8-2;两块耳板8-2 之间形成通槽8-1;依次穿过两块耳板8-2上通孔的锁紧螺栓8-3与螺母8-4 连接。第二固持架13、第三固持架19和第四固持架24与第一固持架9具有相同的形状、尺寸与结构。固持架上锁紧螺栓8-3与螺母8-4连接的拧紧与松开可以调节通槽8-1的宽度,从而实现激光器的固定与卸载。
[0078] 如图7-1所示,定位安装件16包括直角板16-1和定位安装板16-2,直角板16-1的水平臂顶部固定有竖直设置的连接柱16-3,竖直臂上固定定位安装板16-2;定位安装板16-2朝向连接柱16-3的侧面为安装面16-4。如图 7-2所示,定位安装板16-2的安装面16-4与第一量程主基板1背面贴合,并通过螺钉固定。定位安装板16-2的中心处开设有螺纹孔16-5,压紧螺栓27 与螺纹孔16-5连接,当压紧螺栓27处于锁紧状态时,压紧螺栓27的尾端与装配在第一量程主基板1上的量程板(如第二量程板11)的连接板背面接触,并产生压紧力。
[0079] 第一量程主基板1、第二量程板11、第三量程板17、第四量程板22、定位安装件16和压紧螺栓27的材质均为铝合金。
[0080] 压紧螺栓27为手拧式高头滚花螺栓。
[0081] 圆柱形永磁体11-6采用钕铁硼永磁体。
[0082] 将第二量程板11装配至第一量程主基板1后,激光测头装置量程扩大的原理如图8所示。未安装第二量程板11时,第一激光器9、第一聚焦透镜 6、接收透镜4和位置敏感元件3构成激光三角法位移测量单元,此时,位置敏感元件3的工作范围S1S2对应的量程为R1=M1M2,M1、M2分别为位置敏感元件3的工作范围下极限位置点S2和上极限位置点S1与接收透镜4光心连线交于第一聚焦透镜6主光轴的交点。将第二量程板11装配至第一量程主基板1,并关闭第一激光器9、开启第二激光器12后,第二激光器12、第二聚焦透镜14、接收透镜4和位置敏感元件3构成激光三角法位移测量单元,此时,位置敏感元件3的工作范围S1S2对应的量程为R2=N1N2,N1、 N2分别为位置敏感元件3的工作范围下极限位置点S2和上极限位置点S1与接收透镜4光心连线交于第二聚焦透镜14主光轴的交点。由△ORM1M2∽△ ORN1N2可得[0083]
[0084] 所以
[0085] N1N2=M1M2(D1+D2)/D1
[0086] 因为D2=((2.4~2.6)D1,所以N1N2=(2.4~2.6)M1M2,即R2=(2.4~2.6)R1,而本实施例中D2取2.5D1,所以安装了第二量程板11后,量程扩大了2.5倍。
[0087] 同理,将第三量程板17装配至第一量程主基板1后,量程可以扩大4 倍,将第四量程板22装配至第一量程主基板1后,量程可以扩大6.3倍。
[0088] 该多量程集成的激光测头装置的使用方法,具体为:首先进行量程及测量参考线标定,然后根据待测表面总体高度差来选择量程板,对待测表面进行测量。多次测量操作中,量程及测量参考线标定只需进行一次。
[0089] 量程及测量参考线标定的方法具体如下:
[0090] 步骤一、将未装配量程板的激光测头装置的连接柱16-3安装至三坐标测量机的竖直轴上,并使第一凸台1-1台面与三坐标测量机机器坐标系 OXYZ的YOZ面平行,使以第一聚焦透镜6光心O1为起点、接收透镜4光心OR为终点的向量与Y轴正向成锐角。开启第一激光器9。
[0091] 步骤二、调整三坐标测量机竖直轴高度,使接收光线的聚焦光点位于位置敏感元件3的中心S0处。然后使三坐标测量机的竖直轴向上运动,当聚焦光点位于位置敏感元件3的工作范围上极限位置点S1时,记录三坐标测量机向上运动的距离h1。
[0092] 步骤三、使三坐标测量机的竖直轴向下运动,使接收光线的聚焦光点回到位置敏感元件3的中心S0处。然后使三坐标测量机的竖直轴向下运动,当聚焦光点位于位置敏感元件3的工作范围下极限位置点S2时,记录三坐标测量机向下运动的距离h2。
[0093] 步骤四、将位置敏感元件3的工作范围记为S1S2;将激光测头装置的第一量程记为R1,R1=h1+h2。
[0094] 步骤五、调整三坐标测量机竖直轴的高度,使接收光线的聚焦光点回到位置敏感元件3的中心S0处。使三坐标测量机的竖直轴以Δh的步长向上运动,Δh在0.05~0.1mm中取值,直至位置敏感元件3输出值超出S1,获得 m1组数据:(i*Δh,S1i),i=1,2,3,4,…,m1。其中,i*Δh表示第i步时激光测头装置竖直向上的运动距离,S1i表示第i步时位置敏感元件
3的上位置点输出值。
[0095] 步骤六、调整三坐标测量机竖直轴的高度,使接收光线的聚焦光点回到位置敏感元件3的中心S0处。使三坐标测量机的竖直轴以Δh的步长向下运动,Δh在0.05~0.1mm中取值,直至位置敏感元件3输出值超出S2,获得 m2组数据:(j*Δh,S2j),j=1,2,3,4,…,m2。其中,j*Δh表示第j步时激光测头装置竖直向下的运动距离,S2j表示第j步时位置敏感元件
3的下位置点输出值。
[0096] 步骤七、以位置敏感元件3的上位置点或下位置点输出值为横坐标,位置敏感元件3的中心S0为原点,以激光测头装置竖直向上或向下的运动距离为纵坐标,建立参考线拟合坐标系,然后将m1组数据(i*Δh, S1i),i=1,2,3,4,…,m1,及m2组数据(j*Δh,S2j),j=1,
2,3,4,…,m2,描绘在参考线拟合坐标系中,接着将描绘出来的点用最小二乘法拟合成经过原点的直线。
[0097] 步骤八、将步骤七拟合成的直线作为激光测头装置的第一量程测量参考线。
[0098] 步骤九、将第二量程板11装配至第一量程主基板1上,拧紧压紧螺栓 27,然后关闭第一激光器9,开启第二激光器12,重复步骤二和三,获取第二量程板11对应的第二量程R2,R2的取值为h1+h2;接着重复步骤五~七,将步骤七拟合成的直线作为第二量程板11对应的第二量程测量参考线。
[0099] 步骤十、关闭第二激光器12,松开压紧螺栓27,卸载第二量程板11,然后将第三量程板17装配至第一量程主基板1,拧紧压紧螺栓27。接着开启第三激光器18,重复步骤二和三,获取第三量程板17对应的第三量程R3, R3的取值为h1+h2。然后重复步骤五~七,将步骤七拟合成的直线作为第三量程板17对应的第三量程测量参考线。
[0100] 步骤十一、关闭第三激光器18,松开压紧螺栓27,卸载第三量程板22,然后将第四量程板22装配至第一量程主基板1,拧紧压紧螺栓27。接着开启第四激光器23,重复步骤二和三,获取第四量程板22对应的第四量程R4, R4的取值为h1+h2。接着重复步骤五~七,将步骤七拟合成的直线作为第四量程板22对应的第四量程测量参考线。
[0101] 若待测表面的整体高度差小于R1,则测量待测表面的方法具体如下:
[0102] 不安装量程板,直接开启第一激光器9,由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描,测量待测表面上n1个不同位置点在三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值。根据待测表面上n1个不同位置点在位置敏感元件3上的上位置点或下位置点输出值以及第一量程测量参考线给出待测表面上n1个不同位置点对应的激光测头装置在竖直方向的运动距离值(参考线拟合坐标系中,任何一个位置敏感元件3上的上位置点或下位置点输出值都是第一量程测量参考线上其中一个坐标点的横坐标,该坐标点的纵坐标就是对应的激光测头装置在竖直方向的运动距离值),从而获得分别为 (xp,yp,zp),p=1,2,3,4,…,n1,的n1个测量坐标值,并保存。其中,当待测表面上的位置点在位置敏感元件3上对应为上位置点时,测量坐标值为三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值减去激光测头装置在竖直方向的运动距离值;当待测表面上的位置点在位置敏感元件3上对应为下位置点时,测量坐标值为三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值加上激光测头装置在竖直方向的运动距离值。
[0103] 若待测表面的整体高度差在R1~R2之间,则测量待测表面的方法具体如下:
[0104] 将第二量程板11装配至第一量程主基板1,并拧紧压紧螺栓27。然后关闭第一激光器9,开启第二激光器12,由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描,测量待测表面上n2个不同位置点在三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值。根据待测表面上n2个不同位置点在位置敏感元件3上的上位置点或下位置点输出值以及第二量程测量参考线给出待测表面上n2个不同位置点对应的激光测头装置在竖直方向的运动距离值,从而获得分别为(xq,yq,zq),q=1,2,3,4,…,n2,的n2个坐标值,并保存。
[0105] 若待测表面的整体高度差在R2~R3之间,则测量待测表面的方法具体如下:
[0106] 将第三量程板17装配至第一量程主基板1,并拧紧压紧螺栓27。然后关闭第一激光器9,开启第三激光器18,由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描,测量待测表面上n3个不同位置点在三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值。根据待测表面上n3个不同位置点在位置敏感元件3上的上位置点或下位置点输出值以及第三量程测量参考线给出待测表面上n3个不同位置点对应的激光测头装置在竖直方向的运动距离值,从而获得分别为(xk,yk,zk),k=1,2,3,4,…,n3,的n3个坐标值,并保存。
[0107] 若待测表面的整体高度差在R3~R4之间,则测量待测表面的方法具体如下:
[0108] 将第四量程板22装配至第一量程主基板1,并拧紧压紧螺栓27。然后关闭第一激光器9,开启第四激光器23,由三坐标测量机引导激光测头装置对被测表面进行逐行扫描,测量待测表面上n4个不同位置点在三坐标测量机机器坐标系OXYZ中的坐标值。根据待测表面上n4个不同位置点在位置敏感元件3上的上位置点或下位置点输出值以及第四量程测量参考线给出待测表面上n4个不同位置点对应的激光测头装置在竖直方向的运动距离值,从而获得分别为(xl,yl,zl),l=1,2,3,4,…,n4,的n4个坐标值,并保存。