[发明专利]一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法

说明书

本发明公开了一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。现有解决超量程的复杂曲面测量方法效率低。本发明装置包括传感器主板、激光测头、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第一棱镜架、第一直角棱镜、第二棱镜架和第二直角棱镜。本发明通过改变激光测头外围的测量光路实现量程的改变，不需要改变激光测头的内部结构，使单个激光测头可以实现多种量程；变量程二次测量法在一定程度上解决了激光测头量程与精度之间的矛盾。

技术领域

本发明属于物体表面形状激光非接触式精密测量技术领域，具体涉及一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。

背景技术

复杂曲面零件在航空航天装备、舰船推进装置、机动车、光学仪器等领域的应用非常广泛，如航空发动机叶片、舰船螺旋桨、汽车覆盖件、菲涅尔棱镜等。作为功能部件，零件上曲面的几何形状对其功能实现有很大影响，所以需要对功能型曲面的几何形状进行精密检测。

目前曲面测量方法主要分为接触式与非接触式两类，其中非接触式测量方法具有快速、无接触力、测量装置便捷、灵活性大等优点，是曲面检测的发展趋势。三角法激光测头是一种典型的非接触式测量传感器，在零件形状检测、曲面数字化测量领域有着广泛的应用。

用三角法激光测头测量复杂曲面时遇到的主要问题是传感器的量程与测量精度存在矛盾。当传感器的量程较大时，测量精度一般较低，测量结果可能不符合测量精度要求；当传感器的测量精度较高时，量程一般较小，对具有孔、洞、阶跃等特征的复杂曲面进行测量时可能会频繁地出现超量程现象。为了实现复杂曲面精密测量，需要选择测量精度高、量程小的激光测头，为了实现快速测量，需要在测量过程中避免超量程现象。目前主要有以下三种方法解决超量程问题：

(1)量程回归法。当出现超量程现象时，测量机及时调整竖直轴的高度，使待测曲面重新回到激光测头的量程范围内，然后继续测量。

(2)跟踪法。在扫描测量过程中，系统实时监控激光测头的输出值，当输出值靠近量程的上限时，系统控制测量机竖直轴向上运动，使被测点向量程的中点靠近；当输出值靠近量程的下限时，系统控制测量机竖直轴向下运动，使被测点向量程的中点靠近。

(3)多传感器集成法。先用3D视觉传感器、线激光扫描仪等快速三维形貌传感器对待测曲面进行全面扫描，并利用全面扫描获得数据为激光测头规划测量路径，然后激光测头按照测量路径对待测曲面进行精密、快速测量。

上述方法中，方法(1)简单、易于实现，对整体高度差变化不大的曲面比较有效。但使用该方法时，如果出现超量程现象，系统并不能识别待测曲面超出了量程的上限还是下限，为了避免激光测头与待测曲面发生碰撞，测量机竖直轴需要先往上运动，如果往上运动不能使待测曲面回到量程范围内，则再向下运动，使待测曲面回到量程范围内，往复调整过程将影响测量效率。此外，如果待测曲面的整体高度差变化较大，或曲面上存在较多的高度差超出量程范围的突变特征，则在测量过程中测量机需要频繁地进行量程回归操作，将严重影响测量效率。

方法(2)对缓渐变曲面比较有效，但如果待测曲面上存在较多的高度差超出量程范围的突变特征时，系统还是需要频繁地进行量程回归操作。

方法(3)可以较好地解决超量程问题，但需要三维形貌传感器介入测量过程，从而直接增加测量成本，且多传感器的集成需要进行标定与数据融合处理，测量过程相对更加繁琐。此外，三维形貌传感器获得是大量散乱点云数据，数据处理对计算机硬件、算法设计要求较高，处理过程比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种量程可变的激光测头装置及其曲面测量方法。