本发明涉及起重机械检测技术，具体涉及一种用于起重机械检测的激光跟踪测量系统及其方法。
背景技术：
随着我国制造业的飞速发展，起重机械在我国现代工业生产和物流等领域发挥着非常重要的作用。在我国，根据特种设备相关的法规、部门规章、规范以及标准等要求，起重机械投入使用前必须进行安装监督检验或者首次检验，使用后需要按照一定的检验周期进行定期检验。
按照目前的标准和检规，起重机械检验项目多，由于起重机械检验方面没有专门的仪器，检验仪器的种类也繁多。例如采用经纬仪对主梁的下挠度和静刚度等进行测量，采用水准仪对主梁的上拱度进行测量。检验时，检验人员需要携带多种测量仪器。测量仪器操作过程繁琐，检验效率低，检验精度也无法保证。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种用于起重机械检测的激光跟踪测量系统，能够实现起重机械多个检验项目的检验。
针对上述问题，本发明的另一目的是提供一种用于起重机械检测的激光跟踪测量方法，该测量方法操作简单，能有效提高起重机械的检验效率，节约检验成本，提高检验质量，切实保障起重机械的使用安全和延长起重机械的使用年限。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种激光跟踪测量系统，包括电性连接的工控机和信号处理器，其特征在于：还包括光路传输机构、空间二自由度转动机构和用于测量空间二自由度转动机构转动角度的编码器；
所述光路传输机构包括激光测距传感器、反射镜ⅰ、反射靶球、分光镜、二维psd以及反射镜ⅱ；所述反射镜ⅰ与水平面呈45度角设置，所述激光测距传感器位于反射镜ⅰ的水平入射平面内，所述分光镜位于反射镜ⅰ的垂直入射平面内，且反射镜ⅰ任意一点与激光测距传感器1和分光镜的连线在同一水平面垂直；所述二维psd位于分光镜反射光线的水平出射端；
所述反射镜ⅱ，安装在空间二自由度转动机构上且位于分光镜的正上方，通过空间二自由度转动机构调整反射镜ⅱ的角度，可将激光入射到反射靶球；
所述激光测距传感器、二维psd和编码器分别与信号处理器相连。
进一步，所述空间二自由度转动机构包括上转动机构，下转动机构，外套筒以及基座，所述的下转动机构安装于外套筒和基座内，可以绕竖直轴转动；所述的上转动机构安装固定于下转动机构上，可以实现俯仰转动，并且和下转动机构一起绕竖直轴转动，所述反射镜ⅱ安装在上转动机构上，所述编码器设置有两个，分别用于检测上转动机构和下转动机构的转动角度。
进一步，所述基座和下转动机构上分别设置有用于光线穿射的第一、第二通孔，所述分光镜和反射镜ⅰ从上往下依次位于第二通孔的对应下方，所述反射镜ⅰ还与第一通孔相对设置。
进一步，所述的下转动机构包括下驱动支链和下从动支链，所述第二通孔位于下从动支链上。
进一步，所述的下驱动支链包括电机ⅰ、电机安装板、推力球轴承、联轴器ⅰ、下驱动轴、驱动齿轮和卡环ⅰ；所述的电机ⅰ安装固定于电机安装板上；所述的电机安装板固定安装于基座上；所述的推力球轴承安装于电机安装板的安装孔中，并且和电机ⅰ配合安装；所述的驱动齿轮安装在下驱动轴上，并且通过联轴器和电机ⅰ连接；所述的卡环ⅰ安装于下驱动轴上的沟槽里，固定驱动齿轮。
进一步，所述的下从动链包括角接触球轴承对ⅰ、下从动轴、角接触球轴承对ⅱ、轴套、从动齿轮以及卡环ⅱ；所述的从动齿轮安装于下从动轴上，通过安装于下从动轴上的轴套和卡环ⅱ固定；所述的角接触球轴承对ⅰ和角接触球轴承对ⅱ分别由两个串联配置的角接触球轴承配对组成，安装于下从动轴和外套筒的安装孔内。
进一步，所述的上转动机构包括上驱动支链、安装反射镜ⅱ的转镜结构、安装在下转动机构上的转动基座和配重支链；所述的上驱动支链包括电机ⅱ、电机安装架、联轴器ⅱ、上驱动轴以及角接触球轴承对ⅲ。所述的电机ⅱ通过电机安装架固定安装于上转动基座上；所述的上驱动轴通过联轴器ⅱ和电机ⅱ连接，穿过上转动基座和角接触球轴承对ⅲ与转镜基座连接；所述的角接触球轴承对ⅲ由两个面对面配置的角接触球轴承配对组成，安装于上驱动轴和上转动基座的安装孔内。
进一步，所述所述的配重支链包括配重块、配重轴以及角接触轴承对ⅳ；所述的配重块安装固定于配重轴上；所述的配重轴穿过上转动基座和角接触球轴承对ⅳ与转镜基座连接；所述的角接触球轴承对ⅳ由两个面对面配置的角接触球轴承配对组成，安装于配重轴和上转动基座的安装孔内。
进一步，所述反射靶球将入射的激光原路返回。
一种激光跟踪测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)开启工控机并打开测量软件，激光传感器启动并进行通信检测，若通信良好则进行下一步；
2)设置一个点为原点，将反射靶球放置在该点上，测量该点的三维坐标；再以原点处为起点的三条空间垂直的直线上分别取一点，将反射靶球放置于这些点上，测量这些点的三维坐标，测试软件根据这些点的三维坐标建立一个空间直角三维坐标系；
3)将反射靶球放置于测量初始位置，调整空间二自由度转动机构，使反射激光的中心和二维psd的中心重合，并且测量反射靶球的三维坐标；
4)将反射靶球移动至测量位置，在移动的过程中，反射激光的中心偏离二维psd的中心，二维psd将偏移信号反馈到信号处理卡，信号处理卡结合激光测距信号和偏移信号进行分析处理，控制空间二自由度转动机构转动，使反射激光的中心和二维psd的中心重合；
5)当反射靶球到达测量位置时，测量反射靶球的三维坐标值，测量软件对靶球初始位置和测量位置的三维坐标值进行运算处理，得到起重机械检验项目的参数值。
本发明的有益效果是：
本发明所采用的激光跟踪测量系统及方法，通过控制所述的空间二自由度转动机构实现对反射靶球的实时跟踪；通过采集所述的激光测距传感器的距离信号和所述的空间二自由度转动机构的转动角度，实现靶球三维坐标的实时测量；可以实现起重机械主梁的上拱度、下挠度以及静刚度、悬臂的上翘度、轨道的直线度和高度差、车轮的跨度等多个检验项目的检验。系统操作简单，能有效提高起重机械的检验效率，节约检验成本，提高检验质量，切实保障起重机械的使用安全和延长起重机械的使用年限。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：
图1是本发明较佳实施例的系统结构示意图；
图2是本发明较佳实施例的系统控制框图；
图3是本发明较佳实施例的光信号传输图；
图4是本发明较佳实施例空间二自由度转动机构结构示意图；
图5是本发明较佳实施例空间二自由度转动机构结构的下转动机构爆炸图；
图6是本发明较佳实施例空间二自由度转动机构结构的上转动机构爆炸图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思及技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参照图1、图2，一种激光跟踪测量系统，包括电性连接的工控机4和信号处理器5，其特征在于：还包括光路传输机构、空间二自由度转动机构和用于测量空间二自由度转动机构转动角度的编码器；
所述光路传输机构包括激光测距传感器1、反射镜ⅰ2、反射靶球3、分光镜6、二维psd7以及反射镜ⅱ9；所述反射镜ⅰ2与水平面呈45度角设置，所述激光测距传感器1位于反射镜ⅰ2的水平入射平面内，所述分光镜6位于反射镜ⅰ2的垂直入射平面内，且反射镜ⅰ任意一点与激光测距传感器1和分光镜6的连线在同一水平面垂直；所述二维psd7位于分光镜6反射光线的水平出射端；所述反射镜ⅱ9，安装在空间二自由度转动机构上且位于分光镜6的正上方，通过空间二自由度转动机构调整反射镜ⅱ9的角度，可将激光入射到反射靶球3；所述激光测距传感器1、二维psd7和编码器分别与信号处理器5相连。
进一步参照图3，当激光测距传感器1发出一束激光，水平发射到反射镜ⅰ2，反射镜ⅰ2将水平入射的激光垂直发射到分光镜6。分光镜6将入射光线分成水平和垂直两束激光，其中垂直激光继续向前传输到反射镜ⅱ9。通过通过控制所述的空间二自由度转动机构调整反射镜ⅱ9的角度，使激光入射到反射靶球3。反射靶球3将入射的激光原路返回到反射镜ⅱ9，反射镜ⅱ9再将激光反射到分光镜6。分光镜6将激光分成水平和垂直两束激光，水平激光入射到二维psd7，垂直激光通过反射镜ⅰ2水平入射到激光测距传感器1。
进一步，所述空间二自由度转动机构包括上转动机构10，下转动机构20，外套筒30以及基座40，所述的下转动机构20安装于外套筒30和基座40内，可以绕竖直轴转动；所述的上转动机构10安装固定于下转动机构20上，可以实现俯仰转动，并且和下转动机构20一起绕竖直轴转动，所述反射镜ⅱ9安装在上转动机构10上，所述编码器设置有两个，分别用于检测上转动机构10和下转动机构20的转动角度。
进一步，所述基座40和下转动机构20上分别设置有用于光线穿射的第一、第二通孔，所述分光镜6和反射镜ⅰ2从上往下依次位于第二通孔的对应下方，所述反射镜ⅰ2还与第一通孔相对设置。
进一步，所述的下转动机构20包括下驱动支链21和下从动支链22，所述第二通孔位于下从动支链22上。
进一步，所述的下驱动支链21包括电机ⅰ211、电机安装板212、推力球轴承213、联轴器ⅰ214、下驱动轴215、驱动齿轮216和卡环ⅰ217；所述的电机ⅰ211安装固定于电机安装板212上；所述的电机安装板212固定安装于基座40上；所述的推力球轴承213安装于电机安装板212的安装孔中，并且和电机ⅰ211配合安装；所述的驱动齿轮216安装在下驱动轴215上，并且通过联轴器214和电机ⅰ211连接；所述的卡环ⅰ217安装于下驱动轴215上的沟槽里，固定驱动齿轮216。
进一步，所述的下从动链22包括角接触球轴承对ⅰ221、下从动轴222、角接触球轴承对ⅱ223、轴套224、从动齿轮225以及卡环ⅱ226；所述的从动齿轮225安装于下从动轴222上，通过安装于下从动轴222上的轴套224和卡环ⅱ226固定；所述的角接触球轴承对ⅰ221和角接触球轴承对ⅱ223分别由两个串联配置的角接触球轴承配对组成，安装于下从动轴222和外套筒3的安装孔内。
进一步，所述的上转动机构10包括上驱动支链11、安装反射镜ⅱ9的转镜结构12、安装在下转动机构20上的转动基座13和配重支链14；所述的上驱动支链11包括电机ⅱ111、电机安装架112、联轴器ⅱ113、上驱动轴114以及角接触球轴承对ⅲ115。所述的电机ⅱ111通过电机安装架112固定安装于上转动基座13上；所述的上驱动轴114通过联轴器ⅱ113和电机ⅱ111连接，穿过上转动基座13和角接触球轴承对ⅲ115与转镜基座121连接；所述的角接触球轴承对ⅲ115由两个面对面配置的角接触球轴承配对组成，安装于上驱动轴114和上转动基座13的安装孔内。
进一步，所述所述的配重支链14包括配重块141、配重轴142以及角接触轴承对ⅳ143；所述的配重块141安装固定于配重轴142上；所述的配重轴142穿过上转动基座13和角接触球轴承对ⅳ143与转镜基座121连接；所述的角接触球轴承对ⅳ143由两个面对面配置的角接触球轴承配对组成，安装于配重轴142和上转动基座13的安装孔内。
一种激光跟踪测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)开启工控机4并打开测量软件，激光传感器1启动并进行通信检测，若通信良好则进行下一步；
2)设置一个点为原点，将反射靶球3放置在该点上，测量该点的三维坐标；再以原点处为起点的三条空间垂直的直线上分别取一点，将反射靶球3放置于这些点上，测量这些点的三维坐标，测试软件根据这些点的三维坐标建立一个空间直角三维坐标系；
3)将反射靶球3放置于测量初始位置，调整空间二自由度转动机构，使反射激光的中心和二维psd的中心重合，并且测量反射靶球的三维坐标；
4)将反射靶球3移动至测量位置，在移动的过程中，反射激光的中心偏离二维psd7的中心，二维psd7将偏移信号反馈到信号处理卡5，信号处理卡5结合激光测距信号和偏移信号进行分析处理，控制空间二自由度转动机构转动，使反射激光的中心和二维psd7的中心重合；
5)当反射靶球3到达测量位置时，测量反射靶球的三维坐标值，测量软件对靶球初始位置和测量位置的三维坐标值进行运算处理，得到起重机械主梁的上拱度、下挠度以及静刚度、悬臂的上翘度、轨道的直线度和高度差、车轮的跨度等检验项目的参数值。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。