专利名称：激光位移传感器倾斜角误差的检测装置及方法
技术领域：
本发明属于误差检测及补偿领域，特别涉及采用三角法激光位移传感器的倾斜角 误差检测装置及检测方法。
背景技术：
随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度要求的不断提高，传统 的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和实时性， 已经成为测量领域的热点。随着电子学和光学技术的飞速发展，半导体激光器、光电位置探 测器(PSD)和电荷耦合器件(CCD)的出现及其性能的不断完善，使得基于三角法测量的激 光位移传感器(以下简称激光位移传感器)成为非接触测量的一种主要方法。由于其数据 点获取的高速性以及随之而来的测量时间和成本的降低，使得其在复杂三维曲面的快速测 量和逆向工程中得到了广泛的应用。目前用于测量的激光位移传感器，大多采用直射式三角法原理。三角法原理测量 的前提是激光位移传感器的出射光束始终与被测表面法线方向一致。规定被测表面上入射 点处，法线与传感器出射光的方向不重合时称被测表面发生了倾斜，其夹角称为倾斜角。当 被测表面发生倾斜时，虽然被测点与激光位移传感器之间的距离没有发生变化，但散射光 的空间分布将发生变化，从而使接收透镜接收到的光能量发生变化，这就使得激光位移传 感器检测的光斑光能的质心位置发生变化。也就是说，此时激光位移传感器的测量值已经 不能代表被测点的实际位置，存在倾斜角误差。经实验验证，当被测面的倾斜角达到30度 时，倾斜角误差将大于激光位移传感器测量精度两个数量级，而实际测量过程中，倾斜角的 存在是不可避免的，尤其是在复杂曲面的精密测量过程中，倾斜角误差成为制约高精密测 量的关键因素之一，严重限制了激光位移传感器的测量精度与使用范围。因此，倾斜角误差 的测量量化与补偿显得尤为重要。目前用于测量倾斜角误差的方法中，不能得出任意倾斜 角度下误差的具体值，可操作性差，测量不准确，精度不高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是针对现有技术的缺欠，发明了一种适用于任何一款 激光位移传感器的倾斜角误差检测装置及方法，本装置及方法可以在保证激光位移传感 器实测位移不变的前提下，实现被测表面任意角度的倾斜及定位。从而准确有效地测得激 光位移传感器任意测量位移下，任意倾斜角度所带来的倾斜角误差具体值。本发明采用研 华A/D转换卡PCI-1716L板卡作为数据采集转化的核心，保证了动态寻边测量的准确性与 实时性，数据可靠性强。为倾斜角误差的补偿提供了准确的误差数值结果。本发明所采用的技术方案是一种激光位移传感器倾斜角误差的检测装置，其特 征是检测装置由传感器夹具组件II、倾斜角测量平台组件III组成；其中，传感器夹具组 件II由调整板18、夹具基座19、六角螺母20、夹具杆21、十字盘头螺栓22、螺栓23、微调螺 栓24组成；夹具杆21上部加工成锥形，插入机床主轴Z轴I内的锥形孔中，夹具杆21下部绞有螺纹，将安装有六角螺母20的夹具杆21旋入夹具基座19顶部的螺纹孔中，再通过六 角螺母20锁紧夹具基座19 ；具有弹性的调整板18通过2个十字盘头螺栓22固定于夹具 基座19的上部，左、中、右三个微调螺栓M通过螺纹孔安装在夹具基座19的下部，激光位 移传感器17通过2个对角安装的螺栓23固定在调整板18上；倾斜角测量平台组件III由 内六角螺栓1、基座2、螺钉3、步进电机6、槽型电机支座7、平行式联轴器8、倾斜角旋转测 量轴9、锁紧圆螺母10、一号套筒11、端盖12、二号套筒13、一对角接触球轴承14、三号套筒 15、测量平台支座16组成；倾斜角旋转测量轴9上从左到右依次加工有实验被测表面a、退 刀槽b、定位轴肩C、安装面d、螺纹面e、外伸段f;其中，精密加工得到的实验被测表面a，通 过倾斜角旋转测量轴9的中心轴线，三号套筒15、一对角接触球轴承14、二号套筒13、一号 套筒11从左到右依次套在安装面d上，并通过锁紧圆螺母10与螺纹面e的配合紧固在倾 斜角旋转测量轴9上，再将倾斜角旋转测量轴9安装在测量平台支座16的内孔中，倾斜角 旋转测量轴9通过端盖12的外螺纹与测量平台支座16右侧螺纹孔的旋紧配合实现轴向固 定；测量平台支座16通过4个内六角螺栓1固定在基座2上；外伸段f通过平行式联轴器 8与步进电机6的输出轴相连，步进电机6通过4个螺钉3固定在槽型电机支座7上，槽型 电机支座7通过2个内六角螺栓1固定在基座2上，起支撑固定作用的基座2通过压板装 置5固定于机床水平工作平台IV上。所采用的检测方法的特征是，采用激光位移传感器进行动态寻边测量，保证激光 位移传感器17的出射光线准确地投射到实验被测表面a的中线上，其具体步骤为1)调平实验被测表面a及调整激光位移传感器17 根据激光位移传感器17的测量位移反馈值，通过控制步进电机6的旋转将实验被 测表面a调整至与机床XOY面平行；通过左、中、右微调螺栓M的调节确保激光位移传感器 17的出射光线竖直射出；2)确定激光位移传感器17的量程中点上下移动机床主轴Z轴I，使激光位移传感器17与实验被测表面a之间的距离在 激光位移传感器17量程的中点上； 3)动态寻边测量确定边缘位置a. 1、a. 2 向Y轴的正向移动机床工作台，在靠近实验被测表面a与外圆柱面相交的边缘线 a. 1时，降低速度，注意观察计算机实时采集到的测量位移反馈值，当反馈值发生突变时，人 工记录下机床此时Y轴坐标值yl ；同理，向Y轴的负方向移动机床，人工记录下实验被测表 面a的另一边缘位置a. 2所对应的机床坐标值y2 ；4)最终确定实验被测表面a中心线位置计算Y轴坐标值yl、y2的平均值即为激光位移传感器17的出射光线投射到实验 被测表面a的中心线时所对应的机床位置y ；重复步骤2、,3)三到五次，将得到的中心线位 置y取算术平均值，最终得到中心线所对应的机床Y轴坐标值。本发明的有益效果是实现了激光位移传感器任意倾斜角误差值的测量，为后续的 倾斜角误差补偿奠定了数据基础，扩宽了激光位移传感器的适用范围；本发明采用研华16 位模数转换板卡，最大程度上保证了激光位移传感器输出信号的精度，以及动态寻边测量 的实时性及准确性。
图1一检测装置安装示意图。I-机床主轴Z轴，II-传感器夹具组件，III-倾斜角 测量平台组件，IV-机床水平工作台。图2—倾斜角误差检测装置总体结构图。其中1-内六角螺栓，2-基座，3-螺钉， 4-螺母，5-压板装置，6-步进电机，7-槽型电机支座，8-平行式联轴器，9-倾斜角旋转测量 轴，10-锁紧圆螺母，11- 一号套筒，12-端盖，13- 二号套筒，14-角接触球轴承14，15-三号 套筒，19-测量平台支座，17-激光位移传感器，18-调整板，19-夹具基座，20 -六角螺母， 21-夹具杆，a-实验被测表面，b-退刀槽，C-定位轴肩，d-安装面，e-螺纹面，f-外伸段。图3—图2的A向局部放大图。其中，24-微调螺栓。图4一图2的B向视图。其中，α -倾斜角，a-实验被测表面，a. 1_左侧边缘线， a. 2-右侧边缘线，9-倾斜角旋转测量轴，17-激光位移传感器。图5—图2的C向视图。其中，22-十字盘头螺栓，23-螺栓，24-微调螺栓。图6—图2的D向视图。其中，24-微调螺栓。
具体实施例方式结合附图详细说明本发明的具体实施方式
，本发明的测量原理是如图4所示，在 保证激光位移传感器17到实验被测面a的位移不变的前提下，改变实验被测面a的倾斜角 度α，测得倾斜角误差。如附图1所示，测量开始前，将夹具组件II锁紧于机床主轴Z轴I 上；倾斜角平台测量组件III放置在机床水平工作平台IV上，大致保证倾斜角旋转测量轴 9的中心轴线与机床X轴平行，并通过压板5紧固。将步进电机6与驱动器、控制单元、PC 机顺序相连。倾斜角误差测量的关键在于保证激光位移传感器17测量距离和其它条件不变的 情况下，只改变实验被测面a倾斜的角度，否则测量值中将包含其它误差因素，无法得出倾 斜角误差准确值。为实现上述测量过程，必须满足如下三点要求1、保证激光位移传感器 17的出射光线竖直射出；2、保证倾斜角旋转测量轴9的实验被测表面a通过其回转中心轴 线；3、保证激光位移传感器17的出射光线投射在倾斜角旋转测量轴9的回转中心轴线上。 为满足要求1，通过激光位移传感器17自身的定位安装孔可保证出射光线与机床XOZ面平 行；另外，如附图5、附图6，本装置设计了三个用于调平的微调螺栓M，中间的微调螺栓M 可以沿X轴负方向压紧激光位移传感器17(即附图3中上部的微调螺栓；通过调节左、 右微调螺栓M可以沿X正方向顶起激光位移传感器17 (即附图3中下部的微调螺栓24)， 从而实现激光位移传感器17出射光线竖直射出。要求2可通过精密加工方法使倾斜角旋 转测量轴9的被测表面a通过其回转中心轴线；经实测其加工误差为+0. 012mm(此加工误 差可通过后续数据处理剔除)。为满足要求3，特采用动态寻边测量方法，寻找倾斜角旋转 测量轴9的实验被测表面a的中线。具体步骤如下1)调平实验被测表面a 首先将被测表面a大致调平，然后通过向Y轴正方向移动机床使激光位移传感器 17出射光线投射的光斑在靠近实验被测表面a的边缘位置，人工观察激光位移传感器反馈 值；再缓慢向Y轴负方向移动机床，使光斑缓慢移动至被测表面a另一边缘位置；人工观察 两次反馈值的变化情况，据此控制步进电机，从而调节实验被测表面a的倾斜角度，直至在移动机床Y轴过程中，激光位移传感器位移反馈值不再发生变化为止。2)确定激光位移传感器量程中点移动机床主轴Z轴I，使激光位移传感器与实验被测表面a之间的距离在激光位移 传感器17量程的中点上。例如激光位移传感器的量程范围为0 100mm，则量程中点为 50mmo3)动态寻边确定边缘位置a. 1、a. 2 向Y轴的正向移动机床工作台，在靠近实验被测表面a与外圆柱面相交的边缘线 a. 1时，降低速度，注意观察计算机实时采集到的传感器反馈值，当反馈值发生突变时，人工 记录下机床此时Y轴坐标值yl ；同理，向Y轴的负方向移动机床，人工记录下实验被测表面 a的另一边缘a. 2所对应的机床坐标值y2，如附图4所示；4)最终确定实验被测表面a中心线位置计算Y轴坐标值yl、y2的平均值即为激光位移传感器的出射光线投射到实验被测 表面a的中心线时所对应的机床位置ι ；重复步骤2、,3) 3-5次，将每次得到的中心线位置y 取算术平均值，得到最终中心线所对应的机床Y轴坐标值。通过上述实验步骤，可确保激光位移传感器17出射光投射在实验被测表面a的中 心轴线上。实验被测表面a中心线所在位置的特殊性在于，无论倾斜角旋转测量轴9与激 光位移传感器17出射光束之间的倾斜角如何变化，该中心线的空间位置不变，即激光位移 传感器17到实验被测表面a的位移不变，从而可以剔除其它误差，实现任意角度下倾斜角 误差的测量。其中，步骤幻中激光位移传感器17到实验被测表面a的距离可以任意改变， 从而实现任意位移下，倾斜角误差的测量。如附图2，本检测装置的倾斜角旋转测量轴9采用一体加工式结构，保证了各圆 柱面轴心与旋转中心重合；采用高精度角接触球轴承14，并通过锁紧圆螺母10与螺纹面e 的配合，以及端盖12的外螺纹与测量平台支座16右侧螺纹孔的配合对角接触球轴承14的 内、外圈同时施加预紧力，将轴承的径向间隙调整至最小，保证倾斜角旋转测量轴9在转动 过程中不会产生径向跳动；选用的平行式联轴器8为一体成型的金属弹性联轴器，其精度 高、无回转间隙、顺、逆时针回转特性完全相同、可以弹性补偿径向、轴向偏差，因此可以降 低对步进电机输出轴与测量装置中心轴线的重合精度的要求，防止步进电机的振动对测量 平台精度的影响。本发明使用的控制系统主要由动力提供装置及数据采集处理两部分构成。其中， PC机作为控制核心，通过RS232接口与机床连接，控制激光位移传感器移动，从而改变测量 距离。步进电机作为动力提供装置，可以实现定位控制及定速控制，配合SH-2H042Ma系列 步进电机驱动器使用，改善了电动机电流的控制精度，降低了力矩的脉动，提高了旋转角度 的细分精度，本装置可实现的最小分度角为0. 225°。数据采集处理选用研华PCI-1716L数 据采集卡，其16位高分辨率及250KHZ的采样频率保证了动态寻边测量的可靠性以及倾斜 角误差测量的精度。如下所示，为实际测量某型号激光位移传感器在整个测量位移中点处的倾斜角误 差数值。从下表的倾斜角误差值中可分析得知该型号传感器的倾斜角误差变化规律，从而 可对特定型号的激光位移传感器进行有针对性的倾斜角误差分析与补偿，提高了激光位移 传感器在复杂曲面高精密测量过程中的准确性。
权利要求
1.一种激光位移传感器倾斜角误差的检测装置，其特征是检测装置由传感器夹具组 件(II)、倾斜角测量平台组件(III)组成；传感器夹具组件(II)由调整板(18)、夹具基座 (19)、六角螺母(20)、夹具杆(21)、十字盘头螺栓(22)、螺栓(23)、微调螺栓(24)组成；其 中，夹具杆上部加工成锥形，插入机床主轴Z轴I内的锥形孔中，夹具杆下部绞 有螺纹，将安装有六角螺母OO)的夹具杆旋转拧入夹具基座(19)顶部的螺纹孔中， 再通过六角螺母OO)锁紧夹具基座(19)；具有弹性的调整板(18)通过两个十字盘头螺栓 (22)固定于夹具基座(19)的上部，左微调螺栓(M)、中微调螺栓(M)、右微调螺栓04) 通过螺纹孔安装在夹具基座(19)的下部，传感器(17)通过两个对角安装的螺栓固定 在调整板(18)上；倾斜角测量平台组件(III)由内六角螺栓(1)、基座O)、螺钉(3)、步进 电机(6)、槽型电机支座(7)、平行式联轴器(8)、倾斜角旋转测量轴(9)、锁紧圆螺母(10)、 一号套筒(11)、端盖(I2)、二号套筒(13)、一对角接触球轴承(14)、三号套筒(I5)、测量平 台支座(16)组成；倾斜角旋转测量轴(9)从左到右依次加工有实验被测表面(a)、退刀槽 (b)、定位轴肩(C)、安装面(d)、螺纹面(e)、外伸段(f)；其中，精密加工得到的实验被测表 面(a)通过倾斜角旋转测量轴(9)的中心轴线，三号套筒(15)、一对角接触球轴承(14)、二 号套筒(13)、一号套筒(11)从左到右依次套在安装面(d)上，并通过锁紧圆螺母(10)与螺 纹面(e)的配合紧固在倾斜角旋转测量轴(9)上，再将倾斜角旋转测量轴(9)安装在测量 平台支座(16)的内孔中，倾斜角旋转测量轴(9)通过端盖(12)的外螺纹与测量平台支座(16)右侧螺纹孔的旋紧配合实现轴向固定；测量平台支座(16)通过4个内六角螺栓(1)固 定在基座⑵上；外伸段(f)通过平行式联轴器⑶与步进电机(5)的输出轴相连，步进电 机( 通过四个螺钉(3)固定在槽型电机支座(7)上，槽型电机支座(7)，通过两个内六角 螺栓(1)固定在基座( 上，起支撑固定作用的基座( 通过压板装置(5)固定于机床水 平工作平台(IV)上。
2.一种激光位移传感器倾斜角误差的检测装置，其所采用测量方法的特征是，采用激 光位移传感器进行动态寻边测量，保证激光位移传感器(17)的出射光线准确地投射到实 验被测表面(a)的中线上，其具体步骤为1)调平实验被测表面(a)及调整激光位移传感器(17)根据激光位移传感器(17)的反馈值，通过控制步进电机(6)旋转角度将实验被测表面 (a)调整至与机床XOY面平行；通过左、中、右微调螺栓04)的调节，确保激光位移传感器(17)的出射光线竖直射出；2)确定激光位移传感器(17)量程中点上下移动机床主轴Z轴(I)，使激光位移传感器(17)与实验被测表面(a)之间的距离 在激光传感器量程的中点上；3)动态寻边确定边缘位置(a.Ua. 2)向Y轴的正向移动机床工作台，在靠近实验被测表面(a)与外圆柱面相交的边缘线 (a. 1)时，降低速度，注意观察计算机实时采集到的传感器反馈值，当反馈值发生突变时，人 工记录下机床此时Y轴坐标值yl ；同理，向Y轴的负方向移动机床，人工记录下实验被测表 面(a)的另一边缘(a. 2)的位置y2;4)最终确定实验被测表面(a)中心线位置计算Y轴坐标值yl、y2的平均值即为激光位移传感器的出射光线投射到实验被测表面(a)的中心线时所对应的机床位置y;重复步骤2)、3)三到五次，将得到的中心线位置y取 算术平均值，得到最终中心线所对应的机床Y轴坐标值。
全文摘要
本发明激光位移传感器倾斜角误差的检测装置及方法属于误差检测及补偿领域。检测装置由传感器夹具组件，倾斜角测量平台组件组成。其中，传感器夹具组件由调整板、夹具基座、六角螺母、夹具杆、十字盘头螺栓、螺栓、微调螺栓组成；倾斜角测量平台组件由内六角螺栓、基座、螺钉、步进电机、槽型电机支座、平行式联轴器、倾斜角旋转测量轴、锁紧圆螺母、一号套筒、端盖、二号套筒、一对角接触球轴承、三号套筒、测量平台支座组成。采用激光位移传感器进行动态寻边的检测方法，保证激光位移传感器的出射光线准确地投射到实验被测表面中线上。该装置实现了倾斜角误差的测量，为后续的倾斜角误差补偿提供了数据依据，测量精度高，操作简单，适用性强。
文档编号G01B11/26GK102059589SQ201010522110
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者刘巍, 刘海波, 卢艳峰, 王永青, 盛贤君, 陶冶, 黄潇苹 申请人:大连理工大学