一種角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)以及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其包括：一支承調(diào)節(jié)單元，所述支承調(diào)節(jié)單元包括一轉(zhuǎn)臺、一升降臺、一平移臺以及一隔振平臺；一測量單元，所述測量單元包括一自準(zhǔn)直儀、一激光測距儀、一工業(yè)相機(jī)、一第一反射鏡以及一第二反射鏡，所述自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、工業(yè)相機(jī)、第一反射鏡以及第二反射鏡位于同一豎直面內(nèi)并且可以一起隨所述平移臺同時(shí)運(yùn)動，且所述激光測距儀發(fā)出的激光經(jīng)過第一反射鏡和第二反射鏡反射后可以與自準(zhǔn)直儀的光軸同軸；以及一系統(tǒng)控制單元，所述系統(tǒng)控制單元包括一系統(tǒng)控制接口、一監(jiān)視器以及一工控機(jī)。進(jìn)一步本發(fā)明涉及一種采用該測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的方法。
【專利說明】一種角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)以及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測角測距領(lǐng)域，特別涉及一種大范圍高精度測角、測距的自動化角度和空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)以及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，大型精密機(jī)械制造和大型工程安裝中對角度、坐標(biāo)的測量提出了越來越高的要求。單件或小角度裝調(diào)時(shí)，一般利用準(zhǔn)直儀或帶有準(zhǔn)直功能的經(jīng)緯儀測量光學(xué)基準(zhǔn)間角度關(guān)系。
[0003]目前，準(zhǔn)直技術(shù)的研究已非常成熟，已由傳統(tǒng)的光學(xué)準(zhǔn)直儀發(fā)展到數(shù)字CCD光電準(zhǔn)直儀，測量精度可達(dá)0.02"。通常，準(zhǔn)直儀的測量范圍是有限的，一般不超過±2000"。由于測量范圍很小，當(dāng)待測對象不同測量面的夾角超過準(zhǔn)直儀測量范圍時(shí)，待測目標(biāo)不能全部進(jìn)入視場，因此準(zhǔn)直儀不能單獨(dú)完成大范圍內(nèi)空間角度的高精度測量，更無法實(shí)現(xiàn)高效的自動化。電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)以兩臺以上的高精度電子經(jīng)緯儀為核心測量設(shè)備，以角度前方交會原理對被測物實(shí)現(xiàn)無接觸測量，精度高、范圍廣，但是裝調(diào)過程繁雜，測量過程中需依靠人眼對每一測量點(diǎn)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，測量效率低，無法實(shí)現(xiàn)測量過程的自動化。全站儀以極坐標(biāo)測量原理對被測物實(shí)施測量，測量范圍從幾米到兩百米之間，測量精度高，相對于電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)而言，具有成本低、操作方便、測量坐標(biāo)系的建立快、維持時(shí)間長等特點(diǎn)，但在高精度裝配測量工作應(yīng)用中，仍需采用手持反射棱鏡等特殊作業(yè)手段進(jìn)行測量，自動化方面存在不足。數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)精度高且建站方便靈活，但測量范圍受相機(jī)參數(shù)制約，不適用于測量距離較大的情況。激光跟蹤儀測量范圍大、測點(diǎn)精度高，可以主動跟蹤運(yùn)動目標(biāo)，但都需要合作靶鏡，且測量過程需要操作人員牽引反射靶標(biāo)進(jìn)行移動，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動識別與測量。
[0004]然而，大型精密設(shè)備裝調(diào)過程中，經(jīng)常要求同時(shí)測量角度和坐標(biāo)以保證裝配精度，但是，目前角度與坐標(biāo)同時(shí)大范圍精密測量中，通常采用多種測量設(shè)備相組合的方式，如多經(jīng)緯儀聯(lián)用、經(jīng)緯儀與激光跟蹤儀組合等，并且測量過程中需要大量人工輔助，從而導(dǎo)致測量系統(tǒng)的自動化程度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，確有必要提供一種既簡單又成本低廉的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)以及測
量方法。
[0006]一種角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其包括:
一支承調(diào)節(jié)單元，所述支承調(diào)節(jié)單元包括一轉(zhuǎn)臺、一升降臺、一平移臺以及一隔振平臺，所述隔振平臺具有一平面作為支撐面，在該隔振平臺的支撐面所在的平面定義一 X方向和一 Y方向，與該隔振平臺的支撐面垂直的方向定義為一 Z方向，所述升降臺和平移臺沿所述X方向間隔設(shè)置于該隔振平臺的支撐面上，所述轉(zhuǎn)臺設(shè)置于該升降臺上；
一測量單元，所述測量單元包括一自準(zhǔn)直儀、一激光測距儀、一工業(yè)相機(jī)、一第一反射鏡以及一第二反射鏡，所述自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、工業(yè)相機(jī)、第一反射鏡以及第二反射鏡位于同一豎直面內(nèi)并且可以一起隨所述平移臺同時(shí)運(yùn)動，且所述激光測距儀發(fā)出的激光經(jīng)過第一反射鏡和第二反射鏡反射后可以與自準(zhǔn)直儀的光軸同軸；以及
一系統(tǒng)控制單元，所述系統(tǒng)控制單元包括一系統(tǒng)控制接口、一監(jiān)視器以及一工控機(jī)，所述系統(tǒng)控制接口將自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、工業(yè)相機(jī)、轉(zhuǎn)臺、升降臺以及平移臺連接至所述工控機(jī)。
[0007]一種采用上述角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的方法，其包括以下步驟:
步驟S10，啟動所述測量系統(tǒng)；
步驟S11，設(shè)置工業(yè)相機(jī)的工作模式為最大視場，搜索并判斷待測樣品中心是否在大視場模式下的圖像中心附近，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S12，若判斷結(jié)論為“是”，則進(jìn)入步驟 S13 ；
步驟S12，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至待測樣品中心位于工業(yè)相機(jī)的圖像中心附近，并進(jìn)入步驟S13 ；
步驟S13，設(shè)置工業(yè)相機(jī)的工作模式為小視場，搜索并判斷待測樣品中心是否在小視場模式下的圖像中心附近，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S14，若判斷結(jié)論為“是”，則進(jìn)入步驟S15 ；
步驟S14，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至待測樣品位于小視場模式下的圖像中心附近，并進(jìn)入步驟S15 ；
步驟S15，打開自準(zhǔn)直儀，判斷自準(zhǔn)直儀是否有示數(shù)，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S16，若判斷結(jié)論為“是”，則記錄自準(zhǔn)直儀的示數(shù)β，確定該待測樣品的初始角度Υ = β，并進(jìn)入步驟S17 ;
步驟S16，判斷待測樣品相對于XOZ平面的角度，以此確定轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動方向，控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)動直至自準(zhǔn)直儀有示數(shù)，記錄轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度值α和自準(zhǔn)直儀的示數(shù)β，確定該待測樣品的初始角度Y = α + β，并進(jìn)入步驟S17 ;
步驟S17，打開激光測距儀，檢測激光的光斑是否在待測樣品中心處，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S18，若判斷結(jié)論為“是”，則記錄激光測距儀的測距值X，并以此確定該待測樣品幾何中心的空間坐標(biāo)；以及
步驟S18，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至激光的光斑與待測樣品中心重合，記錄激光測距儀的測距值X、平移臺的編碼反饋值y和升降臺的編碼反饋值ζ，并通過X，y, ζ來確定該待測樣品幾何中心的空間坐標(biāo)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且采用該測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的方法操作簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明實(shí)施例采用的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明實(shí)施例采用的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)的自準(zhǔn)直儀與激光測距儀的連接關(guān)系示意圖。
[0011]圖3為本發(fā)明實(shí)施例采用的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)的自準(zhǔn)直儀與激光測距儀的光路設(shè)計(jì)示意圖。
[0012]圖4為本發(fā)明實(shí)施例采用的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的工作原理示意圖。
[0013]圖5為本發(fā)明實(shí)施例采用的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的工作流程圖。
[0014]主要元件符號說明
【權(quán)利要求】
1.一種角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其包括: 一支承調(diào)節(jié)單元，所述支承調(diào)節(jié)單元包括一轉(zhuǎn)臺、一升降臺、一平移臺以及一隔振平臺，所述隔振平臺具有一平面作為支撐面，在該隔振平臺的支撐面所在的平面定義一 X方向和一 Y方向，與該隔振平臺的支撐面垂直的方向定義為一 Z方向，所述升降臺和平移臺沿所述X方向間隔設(shè)置于該隔振平臺的支撐面上，所述轉(zhuǎn)臺設(shè)置于該升降臺上； 一測量單元，所述測量單元包括一自準(zhǔn)直儀、一激光測距儀、一工業(yè)相機(jī)、一第一反射鏡以及一第二反射鏡，所述自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、工業(yè)相機(jī)、第一反射鏡以及第二反射鏡位于同一豎直面內(nèi)并且可以一起隨所述平移臺同時(shí)運(yùn)動，且所述激光測距儀發(fā)出的激光經(jīng)過第一反射鏡和第二反射鏡反射后可以與自準(zhǔn)直儀的光軸同軸；以及 一系統(tǒng)控制單元，所述系統(tǒng)控制單元包括一系統(tǒng)控制接口、一監(jiān)視器以及一工控機(jī)，所述系統(tǒng)控制接口將自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、工業(yè)相機(jī)、轉(zhuǎn)臺、升降臺以及平移臺連接至所述工控機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述升降臺可沿Z方向移動，該升降 臺用于定位并編碼反饋待測樣品沿Z軸的坐標(biāo)。
3.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述平移臺可沿Y方向移動，該平移臺用于定位并編碼反饋待測樣品沿Y軸的坐標(biāo)，并配合該激光測距儀的測距值，實(shí)現(xiàn)待測樣品的空間坐標(biāo)測量。
4.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)臺可繞一平行于Z方向的軸旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)臺和自準(zhǔn)直儀同時(shí)起測量角度的作用。
5.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述支承調(diào)節(jié)單元進(jìn)一步包括一樣品支撐架，該樣品支撐架設(shè)置于該轉(zhuǎn)臺上。
6.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)臺為具有角位移編碼反饋的角秒級高精度精密轉(zhuǎn)臺，所述升降臺為帶位置編碼反饋的升降臺和平移臺。
7.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述自準(zhǔn)直儀設(shè)置于該平移臺上，所述激光測距儀和工業(yè)相機(jī)設(shè)置于該自準(zhǔn)直儀上方，所述工業(yè)相機(jī)的高度高于該激光測距儀的高度，且該激光測距儀位于靠近升降臺一側(cè)，所述激光測距儀的出射激光平行于X方向，且與所述自準(zhǔn)直儀的光軸平行。
8.如權(quán)利要求1所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量單元進(jìn)一步包括一連接件，且該連接件將所述自準(zhǔn)直儀、激光測距儀、第一反射鏡以及第二反射鏡連接在一起；所述連接件包括一第一平板、一第二平板，一第一中空圓柱體以及一第二中空圓柱體；所述第一平板與第二平板平行且間隔設(shè)置，所述第一中空圓柱體設(shè)置于所述第一平板與第二平板之間，且與所述第一平板與第二平板固定；所述第二中空圓柱體垂直于所述第一平板設(shè)置于所述第一中空圓柱體遠(yuǎn)離所述自準(zhǔn)直儀的一側(cè)，且與所述第一平板與第二平板固定；所述第一中空圓柱體套設(shè)并卡固于所述自準(zhǔn)直儀上，且所述激光測距儀固定于連接件的第二平板表面；所述第一反射鏡和第二反射鏡設(shè)置于所述第二中空圓柱體上。
9.如權(quán)利要求8所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡和第二反射鏡平行間隔設(shè)置，且固定于所述第二中空圓柱體上；所述第一反射鏡設(shè)置于所述激光測距儀的出光部附近的光路上，且所述第一反射鏡的鏡面與所述激光測距儀的出射激光呈45度夾角，從而使該出射激光經(jīng)第一反射鏡反射后沿Z方向相所述第二反射鏡傳播；所述第二反射鏡設(shè)置于所述自準(zhǔn)直儀的光軸上，且所述第二反射鏡的鏡面與所述自準(zhǔn)直儀的光軸呈135度夾角，從而使得經(jīng)第一反射鏡反射到達(dá)該第二反射鏡的激光經(jīng)過第二反射鏡的反射后與自準(zhǔn)直儀的光軸同軸。
10.一種采用如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的角度和空間坐標(biāo)的測量系統(tǒng)測量待測樣品的角度和空間坐標(biāo)的方法，其包括以下步驟: 步驟S10，啟動所述測量系統(tǒng)； 步驟S11，設(shè)置工業(yè)相機(jī)的工作模式為最大視場，搜索并判斷待測樣品中心是否在大視場模式下的圖像中心附近，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S12，若判斷結(jié)論為“是”，則進(jìn)入步驟 S13 ； 步驟S12，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至待測樣品中心位于工業(yè)相機(jī)的圖像中心附近，并進(jìn)入步驟S13 ； 步驟S13，設(shè)置工業(yè)相機(jī)的工作模式為小視場，搜索并判斷待測樣品中心是否在小視場模式下的圖像中心附近，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S14，若判斷結(jié)論為“是”，則進(jìn)入步驟S15 ； 步驟S14，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至待測樣品位于小視場模式下的圖像中心附近，并進(jìn)入步驟S15 ； 步驟S15，打開自準(zhǔn)直儀，判斷自準(zhǔn)直儀是否有示數(shù)，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S16，若判斷結(jié)論為“是”，則記錄自準(zhǔn)直儀的示數(shù)β，確定該待測樣品的初始角度Υ = β，并進(jìn)入步驟S17 ; 步驟S16，判斷待測樣品相對于XOZ平面的角度，以此確定轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動方向，控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)動直至自準(zhǔn)直儀有示數(shù)，記錄轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度值α和自準(zhǔn)直儀的示數(shù)β，確定該待測樣品的初始角度Y = α + β，并進(jìn)入步驟S17 ; 步驟S17，打開激光測距儀，檢測激光的光斑是否在待測樣品中心處，若判斷結(jié)論為“否”，進(jìn)入步驟S18，若判斷結(jié)論為“是”，則記錄激光測距儀的測距值X，并以此確定該待測樣品幾何中心的空間坐標(biāo)；以及 步驟S18，控制升降臺和平移臺運(yùn)動，直至激光的光斑與待測樣品中心重合，記錄激光測距儀的測距值X、平移臺的編碼反饋值y和升降臺的編碼反饋值ζ，并通過X，y, z來確定該待測樣品幾何中心的空間坐標(biāo)。
【文檔編號】G01B11/00GK103743340SQ201310737161
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】李玉和, 邱永榮, 陳彥翔, 管愷森 申請人:清華大學(xué)