一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及复杂物体表面形状的光学测量领域，特别涉及一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法。
背景技术
在汽车制造、航空航天、逆向工程、集成电路板印刷或焊接等领域中，为了满足外形尺寸以及安装位置等要求，往往需要对工件的表面进行高精度测量，以实现预定功能。
目前的测量方式主要分为接触式与非接触式两种，接触式测量精度高，但测量时测头需要与被测物表面直接接触，所以无法对一些表面不允许接触或质地较软的产品进行测量。非接触式测量不存在接触力，且测量精度在不断提升，因此在很多测量场合，非接触式测量正在逐步取代接触式测量。
非接触式测量主要包括电磁波测量、超声波测量和光学测量等。其中电磁波测量仅局限于对金属材料的测量，超声波测量的发散角较大、方向性差。相比之下，光学测量具有频率响应快、结构简单、对被测物材质无特殊要求等优点，在非接触式形状测量领域应用最为广泛。
目前常用的光学式形状测量方法包括激光三角法、结构光法、飞行时间法、共焦法等。其中，激光三角法在量程较小时测量精度较高，在量程较大时则测量精度大幅度下降；其测量原理是：激光器发射激光，入射到被测物表面，在被测物体表面产生漫反射光；然后通过聚焦透镜汇聚一部分漫反射光，汇聚后的漫反射光在位置敏感元件上形成光斑；最后通过测量光斑的位移量即可间接得到实际的位移测量值。共焦法的量程往往比较小，但是其测量精度比较高，一般应用于高精度测量场合。共焦法的测量原理是：由测量光源发出一束白光，并通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一种单色光波长的焦点都对应一个距离值，当色散光照射到被测物表面并被反射回来时，只有满足共焦条件的光才能通过小孔并被光谱仪检测到，通过计算检测到的焦点光的波长即可间接得到测量的距离值。
现有的非接触式位移测量传感器，往往在量程与精度方面只能取其中之一。然而，在实际位移检测场合中，经常会遇到一些不仅对测量精度要求较高，并且对量程要求也较大的场合，此时用现有的传感器往往不能满足要求。
针对此类问题，通常采用的方法是对被测物分别进行测量两次，即首先用大量程传感器进行粗测量，然后利用粗测量获得的数据对高精度传感器进行精确测量进行测量路径规划，从而保证高精度传感器在测量过程中始终工作在量程范围内。但是，该方法应用于生产现场时将增加时间成本及设备成本，并且在两次安装传感器的过程中，还会引入传感器的安装误差，会影响最终的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置及其测量方法。
本发明一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，包括测头座、共焦法位移传感器探头、三角法激光位移传感器和移位式传感器安装组件。所述的共焦法位移传感器探头安装在测头座的底部，且检测头朝下设置。三角法激光位移传感器与测头座通过移位式传感器安装组件连接。移位式传感器安装组件能够带动三角法激光位移传感器进行升降，以及带动三角法激光位移传感器的位置在共焦法位移传感器探头的两侧切换。
所述的移位式传感器安装组件包括第一电磁铁、第二电磁铁、步进电机、上臂、滑动座、底板、光杆和丝杠电机；步进电机固定在测头座上；步进电机的输出轴线和共焦法位移传感器探头的中心轴线共线。步进电机的输出轴与上臂的一端固定。上臂的另一端与底板固定。第一电磁铁与第二电磁铁分别位于步进电机输出轴线的两侧。第一电磁铁和第二电磁铁均与上臂等高设置。下臂的两侧分别设置有第一铁块和第二铁块；第一铁块、第二铁块与第一电磁铁、第二电磁铁分别位置对应。当底板在步进电机的驱动下，到达第一个极限位置时，第一电磁铁与第一铁块接触。当底板在步进电机的驱动下，到达第二个极限位置时，第二电磁铁与第二铁块接触。
所述的光杆固定在底板上，且轴线与步进电机的轴线平行。丝杠电机固定在底板上；滑动座与光杆滑动连接；滑动座与丝杠电机的输出丝杠构成螺旋副。三角法激光位移传感器固定在滑动座上。共焦法位移传感器探头发出的测量光的中心线与三角法激光位移传感器的入射光平行；所述的共焦法位移传感器探头发出的测量光的中心线、三角法激光位移传感器的入射光及接收光位于同一平面内。
作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括探头座盖。所述的测头座包括一体成型的连接杆及探头座。探头座与探头座盖通过螺钉连接，并夹紧共焦法位移传感器探头；连接杆用于与测量驱动装置连接。连接杆中心轴线与共焦法位移传感器探头的中心轴线共线。
作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括下臂。步进电机采用双出轴电机，输出轴的两端与上臂、下臂的一端分别固定。下臂的另一端与底板固定。
作为优选，所述的移位式传感器安装组件还包括第一定位柱和第二定位柱。第一定位柱与第二定位柱分别位于步进电机输出轴线的两侧。第一定位柱和第二定位柱均与下臂等高设置。第一定位柱和第二定位柱的外端部均开设有半球窝。下臂的内端的两侧分别设置有第二半球和第一半球；第一半球、第二半球的半径与第一定位柱、第二定位柱端部的半球窝半径分别相等。第一半球、第二半球与第一定位柱、第二定位柱分别位置对应。
该集成共焦法与三角法的探路式测头装置的测量方法，具体如下：
步骤一、将测头座安装在测量驱动装置的末端。
步骤二、利用三角法激光位移传感器的量程范围内对共焦法位移传感器的量程范围进行标定，使得三角法激光位移传感器在一个测量点进行测量后，能够知悉共焦法位移传感器到达该测量点时能否满足量程要求。
步骤三、将被测物放置在该测头装置的运动范围内，建立测量坐标系。
步骤四、测量驱动装置驱动三角法激光位移传感器到达被测物的上方，并使得三角法激光位移传感器的输出测量值为自身的量程中点值。
步骤五、测量驱动装置驱动三角法激光位移传感器进行横向移动，对被测物表面进行横向逐点扫描。当三角法激光位移传感器检测到一个测量的位置将超出共焦法位移传感器的量程范围时，将该测量点记为超距测量点。每个超距测量点均对应一个超距调节距离δ。当位于超距测量点正上方的共焦法位移传感器向下移动对应的超距调节距离δ时，超距测量点进入共焦法位移传感器的量程范围内。
每当共焦法位移传感器到达一个超距测量点的正上方时，均执行一次下移测量。下移测量的过程为：丝杠电机带动三角法激光位移传感器上移距离至避免碰触被测物的位置，同时，测量驱动装置带动整个测头装置下移当前超距测量点对应的超距调节距离δ后，共焦法位移传感器对超距测量点进行距离测量，所得的距离值增加δ即为该超距测量点的对应的实际距离值。完成对超距测量点的测量后，丝杠电机带动三角法激光位移传感器下移复位，测量驱动装置带动整个测头装置上移复位。
步骤六、当共焦法位移传感器完成被测物表面的一次横向扫描后，测量驱动装置带动整个侧头装置向远离被测物的方向运动一段安全距离。第二电磁铁断电，第一电磁铁通电，步进电机带动上臂由第一个极限位置运动到第二个极限位置，使得三角法激光位移传感器运动到共焦法位移传感器靠近被测物的一侧。之后，测量驱动装置带动测头装置纵向移动一个测量步长。
步骤七、测量驱动装置带动测头装置沿着与步骤五相反的方向进行横向逐点扫描，具体过程与步骤五相同。
步骤八、当共焦法位移传感器完成被测物表面的一次横向扫描后，测量驱动装置带动整个侧头装置向远离被测物的方向运动一段安全距离。第一电磁铁断电，第二电磁铁通电，步进电机带动上臂由第二个极限位置运动到第一个极限位置，使得三角法激光位移传感器运动到共焦法位移传感器靠近被测物的一侧。之后，测量驱动装置带动测头装置纵向移动一个测量步长。
步骤九、重复步骤五至八，直至完成对被测物表面的全部扫描，并获得测量数据。
作为优选，所述的三角法激光位移传感器为点式三角法激光位移传感器。
作为优选，测量步长ζ满足如下关系式其中，共焦法位移传感器探头所发出测量光的中心线与三角法激光位移传感器的入射光之间的距离；n为正整数。
作为优选，超距测量值δ小于三角法激光位移传感器在对应的超距测量点的测量值，且大于三角法激光位移传感器在对应的超距测量点的测量值减去共焦法位移传感器探头的量程所得的差值。
作为优选，所述的测量驱动装置采用三标测量机。
作为优选，步骤二中，在三角法激光位移传感器的量程范围内对共焦法位移传感器量程范围进行标定的方法，具体如下：
(1)测量驱动装置带动整个测头装置移动，使得共焦法位移传感器的输出测量值为其量程最小值x1；丝杠电机带动三角法激光位移传感器进行升降运动，使得三角法激光位移传感器的输出测量值为其量程最小值h1。
(2)测量驱动装置带动整个测头装置向上移动x距离，x为共焦法位移传感器在出厂时的标定量程，使共焦法位移传感器的输出测量值为其量程最大值x2，并记录此时三角法激光位移传感器的输出测量值为h′。当三角法激光位移传感器的输出测量值大于h′时，判定该测量点将超出共焦法位移传感器的量程范围。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明通过三角法激光位移传感器进行路径检测，在三角法激光位移传感器的量程范围内达到共焦法位移传感器的测量精度，能够满足大量程、高精度的非接触式测量场合。
2.本发明充分结合三角法激光位移传感器及共焦法位移传感器各地独有的测量优势于一体，通过电机驱动实现自动化路径检测，整体结构简单，易于维护。
3.本发明相比传统测量方式，在一定程度上能够提高测量效率，降低测量时间成本。
附图说明
图1是本发明提供的测头装置的第一张整体结构立体图；
图2是本发明提供的测头装置的第二张整体结构立体图；
图3是本发明提供的测头装置的整体结构主视图；
图4是本发明提供的测头装置中测头座的证明示意图；
图5是本发明提供的测头装置中移位式传感器安装组件的部分结构示意图；
图6是本发明提供的测头装置中滑动座的立体图；
图7是本发明提供的测头装置中上臂的立体图；
图8是本发明提供的测头装置中下臂的立体图；
图9是本发明提供的测头装置在+Y方向的测量示意图；
图10是本发明提供的测头装置在-Y方向的测量示意图；
图11是本发明提供的测头装置实时测量的距离关系示意图。
图中：1、测头座，1-1、连接杆，1-2、探头座，2、第一电磁铁，3、第二电磁铁，4、第一电机座，5、步进电机，6、第一定位柱，7、第二定位柱，8、探头座盖，9、共焦位移传感器探头，10、上臂，10-1、第一圆柱通孔，10-2、第一铁块，10-3、第二铁块，10-4、第一U型槽，11、下臂，11-1、第二圆柱通孔，11-2、第一半球，11-3、第二半球，11-4、第二U型槽，12、激光位移传感器，13、滑动座，13-1、第一连接座，13-2、第二连接座，14、第一安装座，15、底板，16、光杆，17、第二电机座，18、第二安装座，19、丝杠电机，20、第一螺钉，21、第二螺钉，22、第一螺栓组，23、第二螺栓组，24、第三螺栓组，25、第四螺栓组，26、第三螺钉，27、第四螺钉，28、第五螺钉，29、第五螺栓组，30、第六螺钉，31、第七螺钉，32、第八螺钉，33、第六螺栓组，34、测量光的中心线，35、入射光，36、接收光。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、4、5、6、7、8和11所示，一种集成共焦法与三角法的探路式测头装置，包括测头座1、共焦法位移传感器探头9、三角法激光位移传感器12和移位式传感器安装组件。共焦法位移传感器探头9安装在测头座1的底部，且检测头朝下设置。三角法激光位移传感器12与测头座1通过移位式传感器安装组件连接。移位式传感器安装组件能够带动三角法激光位移传感器12进行升降，以及带动三角法激光位移传感器12移动到共焦法位移传感器探头9的两侧，从而使得共焦法位移传感器探头9向相反方向移动时可以共用同一个三角法激光位移传感器12。
移位式传感器安装组件包括第一电磁铁2、第二电磁铁3、第一电机座4、步进电机5、第一定位柱6、第二定位柱7、探头座盖8、上臂10、下臂11、滑动座13、第一安装座14、底板15、光杆16、第二电机座17、第二安装座18和丝杠电机19；第一电机座4与测头座1通过第五螺栓组29连接。第一电机座4与步进电机5通过第一螺钉20连接；所述的测头座1包括一体成型的连接杆1-1及探头座1-2。探头座1-2与探头座盖8通过第二螺钉21连接，并夹紧共焦法位移传感器探头9；连接杆1-1位于探头座1-2的顶部。连接杆1-1中心轴线、步进电机5的输出轴线和共焦法位移传感器探头9的中心轴线共线。
步进电机5采用双出轴电机，输出轴的两端与上臂10、下臂11的一端分别固定。上臂10和下臂11的另一端均与底板15固定。具体地，上臂10的内端开设有第一圆柱通孔10-1，外端开设有第一U型槽10-4；第一圆柱通孔10-1与步进电机5的输出轴顶端过盈连接；第一U型槽10-4卡在底板15两侧，并通过第一螺栓组22连接。下臂11的内端开设有第二圆柱通孔11-1，外端开设有第二U型槽11-4；第二圆柱通孔11-1与步进电机5的输出轴底端过盈连接；第二U型槽11-4卡在底板15两侧，并通过第二螺栓组23连接。第一电磁铁2与测头座1通过第四螺钉27连接；第二电磁铁3与测头座1通过第五螺钉28连接；第一定位柱6与测头座1通过第六螺钉30连接；第二定位柱7与测头座1通过第七螺钉31连接；
第一定位柱6与第二定位柱7分别位于步进电机5输出轴轴线的两侧。第一定位柱6和第二定位柱7均与下臂11等高设置。第一定位柱6和第二定位柱7的外端端部均开设有半球窝。下臂11的内端的两侧分别设置有第二半球11-3和第一半球11-2；第一半球11-2、第二半球11-3的半径与第一定位柱6、第二定位柱7端部的半球窝半径分别相等。第一半球11-2、第二半球11-3与第一定位柱6、第二定位柱7分别位置对应，用于实现底板15在两个极限位置的精准定位。
第一电磁铁2与第二电磁铁3分别位于步进电机5输出轴线的两侧。第一电磁铁2和第二电磁铁3均与上臂10等高设置。下臂11的内端的两侧分别设置有第一铁块10-2和第二铁块10-3；第一铁块10-2、第二铁块10-3与第一电磁铁2、第二电磁铁3分别位置对应，用于实现底板15在两个极限位置时提供紧固力，保持共焦法位移传感器探头9与三角法激光位移传感器12相对位置稳定。
第一安装座14与底板15侧面的底部通过第四螺栓组25连接；所述第二安装座18与底板15侧面的顶部通过第三螺栓组24连接；竖直设置的光杆16的两端与第一安装座14、第二安装座18分别固定。
第二电机座17与底板15通过第六螺栓组33连接。所述第二电机座17与丝杠电机19通过第三螺钉26连接；滑动座13与光杆16滑动连接；滑动座13与丝杠电机19的输出丝杠构成螺旋副。具体地，滑动座13上设置有第一连接座13-1和第二连接座13-2；第一连接座13-1上开设有带梯形螺纹的通孔，能够与丝杠电机19的输出丝杠配合；所述第二连接座13-2上开设有圆柱通孔，能够与光杆16间隙配合。
三角法激光位移传感器12与滑动座13通过第八螺钉32连接。第一电磁铁2、第二电磁铁3、步进电机5、丝杠电机19及三角法激光位移传感器12均分别与控制器相连接；共焦法位移传感器探头9与控制器连接组成共焦法位移传感器，所述的共焦法位移传感器探头9所发出测量光的中心线34与三角法激光位移传感器12的入射光35平行；所述的共焦法位移传感器探头9所发出测量光的中心线34、三角法激光位移传感器12的入射光35及接收光36位于同一平面内。
所述的三角法激光位移传感器12为点式三角法激光位移传感器。
所述的测头座1、第一定位柱6、第二定位柱7、探头座盖8、上臂10、下臂11、滑动座13、第一安装座14、底板15、第二安装座18均为航空铝材料。
如图9、10和11所示，该集成共焦法与三角法的探路式测头装置的测量方法，具体如下：
步骤一：将测头装置通过测头座1与三标测量机的Z轴固定安装，使共焦法位移传感器探头9所发出测量光的中心线34及三角法激光位移传感器12的入射光35与三坐标测量机的Z轴平行。
步骤二：在三角法激光位移传感器12的量程范围内对共焦法位移传感器的量程范围进行标定，将共焦法位移传感器的量程范围x1x2对应至在三角法激光位移传感器12的量程范围内的区间h1h′。
步骤三：将被测物以合适的姿态放置在三坐标测量机平台的可测量区域内，并以三坐标测量机的X、Y、Z坐标轴为基础建立测量坐标系。
步骤四：将测头装置移动至被测物的上方，调整三坐标测量机Z轴在竖直方向上的位置，从而调整测头装置在竖直方向上的位置，使三角法激光位移传感器12的输出测量值为其量程中点值h0。
步骤五：测头装置在三坐标测量机Z轴的带动下，在三坐标测量机的XY平面内对被测物表面进行横向逐点扫描测量。首先，由三角法激光位移传感器12对被测物表面按照步长ζ进行横向(附图中为+Y方向)逐点扫描测量；然后，根据三角法激光位移传感器12的输出测量值是否位于区间h1h′内，实时判断共焦法位移传感器测量该点时是否会超出其量程范围。若三角法激光位移传感器12的输出测量值位于区间h1h′内，则可以确定共焦法位移传感器测量该点时不会超出其量程范围，可直接进行测量并保存测量数据为(xn,yn,zn)，其中n＝1,2,3,……。若三角法激光位移传感器12的输出测量值不在区间h1h′内(即在图11中的区间h′h2内)，则可以确定共焦法位移传感器测量该点时会超出其量程范围；在共焦法位移传感器即将测量该点时，上位机先根据三角法激光位移传感器12的输出测量值计算三坐标测量机Z轴向下平移的距离δ，使得该测量点在共焦法位移传感器在下移距离δ后落入共焦法位移传感器的量程范围内，同时上位机通过控制器驱动丝杠电机19的输出轴正向旋转(俯视测头装置时的顺时针转动)，在滑动座13的带动下使三角法激光位移传感器12上移距离Δh至安全位置，防止撞击被测物；然后，三坐标测量机带动测头装置沿Z坐标方向下移距离δ；最后，进行测量并保存测量数据为(xn,yn,zn-δ)，其中n＝1,2,3,……，保存完测量数据以后，三坐标测量机的Z轴带动测头装置沿Z坐标方向上移距离δ，同时上位机通过控制器驱动丝杠电机19的输出轴反向旋转(俯视测头装置时的逆时针转动)，在滑动座13的带动下使三角法激光位移传感器12下移距离Δh。
步骤六：重复步骤五的过程，对被测物表面进行横向(附图中为+Y方向)逐点扫描，当扫描完第一行时，测头装置继续沿横向(附图中为+Y方向)扫描方向前进安全距离s至安全位置。随后，第二电磁铁3断电，第一电磁铁2通电，上位机通过控制器驱动步进电机5的输出轴顺时针方向旋转180°(俯视测头装置时)，直至第一电磁铁2与上臂10中的第一铁块10-2贴合并吸住时，同时第一定位柱6与下臂11中的第一半球11-2配合，步进电机5停止工作。
步骤七：测头装置在三坐标测量机的带动下沿纵向前进距离步长ζ，然后对第二行进行横向(附图中为-Y方向)逐点扫描，逐点扫描方法与步骤五相同。
步骤八：当扫描完第二行时，测头装置继续沿横向(附图中为-Y方向)扫描方向前进安全距离s至安全位置。随后，第一电磁铁2断电，第二电磁铁3通电，上位机通过控制器驱动步进电机5的输出轴逆时针方向旋转180°(俯视测头装置时)，直至第二电磁铁3与上臂10中的第二铁块10-3贴合并吸住时，同时第二定位柱7与下臂11中的第二半球11-3配合，步进电机5停止工作。
步骤九：测头装置在三坐标测量机的带动下沿纵向前进距离步长ζ，然后对第三行进行横向逐点扫描，逐点扫描方法与步骤五相同。
步骤十：重复步骤五、六、七、八、九，直至完成对被测物表面的全部扫描，并获得测量数据。
进一步说明，步长ζ应满足如下条件：
式中，L2为共焦法位移传感器探头9所发出测量光的中心线34，与三角法激光位移传感器12的入射光35之间的距离。
进一步说明，上位机根据三角法激光位移传感器12的输出测量值，计算三坐标测量机Z轴向下平移的距离δ应满足如下条件：
式中，h′为共焦法位移传感器输出测量值为其量程最大值时，三角法激光位移传感器12的输出测量值，hx为三角法激光位移传感器12在共焦法位移传感器实时测量点时的输出测量值。
进一步说明，丝杠电机19的旋转圈数与激光位移传感器12上移Δh至安全位置的关系为：
式中，N为丝杠电机19的旋转圈数，Δh为激光位移传感器12上移至安全位置的距离值，L为丝杠电机19输出轴梯形螺纹的导程。
进一步说明，为了防止三角法激光位移传感器12撞击被测物，三角法激光位移传感器12向上移至安全位置的距离值Δh应满足如下条件：
Δh≥h
式中，h为三角法激光位移传感器12的出厂标定量程值。
进一步说明，为了防止底板15底部撞击被测物，底板15底部与共焦法位移传感器探头9底部的距离L1应满足如下条件：
L1≥h
式中，h为三角法激光位移传感器12的出厂标定量程值。
进一步说明，为了防止每行测量完成后，调整测头装置探路部分时撞击被测物，测头装置沿横向扫描方向前进的安全距离s应满足如下条件：
s≥L3
式中，L3为滑动座13的外侧端面与连接杆1-1的中心线之间的距离。
在三角法激光位移传感器12的量程范围内，标定共焦法位移传感器量程范围的方法，具体如下：
(1)第二电磁铁3通电，上位机通过控制器控制步进电机5输出轴反转，直至第二电磁铁3与上臂10中的第二铁块10-3贴合并吸住。同时，第二定位柱7与下臂11中的第二半球11-3配合，步进电机5停止工作。
(2)调整测头装置在三坐标测量机Z轴方向上的位置，使共焦法位移传感器的输出测量值为其量程最小值x1，然后上位机经控制器控制丝杠电机19输出丝杠旋转，调节三角法激光位移传感器12的高度，使三角法激光位移传感器12的输出测量值为其量程最小值h1。
(3)三坐标测量机的Z轴向上移动x距离，x为共焦法位移传感器在出厂时的标定量程，调整测头装置在三坐标测量机Z坐标轴上的位置，使共焦法位移传感器的输出测量值为其量程最大值x2，并记录此时三角法激光位移传感器12的输出测量值为h′。
(4)记在三角法激光位移传感器12的量程范围内，标定的共焦法位移传感器的量程范围为h1h′。
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