专利名称：准直激光二维位移测量系统及利用该系统测量导轨的方法
技术领域：
本发明属于激光测量技术，具体涉及准直激光二维位移测量系统及利用该系统测量导轨的方法。
背景技术：
切导轨的直线度、扭曲度是导轨制造中的重要质量指标；机床导轨的直线度、扭曲度对于设备的精度以及可靠度、高精度测量对于提高机械制造及安装的精度、延长机器工作寿命至关重要；导轨作为电梯的导向部件，其质量决定着电梯能否安全、舒适、高速地运行，而导轨的直线度误差是决定着导轨质量的最主要因素。目前对导轨直线度的测量水平仪法、激光干涉仪测量法、自准直仪法。水平仪法操作简单、使用方便、成本较低。但是精度较低，一般只能达到0. 4 0. 5mm / m。一般采用累计放点测量，所以累计测量误差和人为因素较大。水平仪可以测量导轨在垂直面内的直线度以及两条导轨之间的平行度，但是测量水平面内的直线度很困难。用水平仪测试法，数据的采集和整理容易出错，由于此法是以导轨上某些固定采样点为测量对象，所以测量距离长了难以保证测试结果的真实性。目前的自准直仪法是采用一束准直光源，在被测导轨上放置接收靶，人眼来估读准直光相对中心点的偏差，其精度低，人为因素较大。而且距离远激光容易受大气、震动等因素的扰动，而且外界光照较强后激光的可见性较差。激光干涉仪的优点是测量距离大，测量速度快，测量精度高，可连续测量和采用微计算机进行数据理、显示和打印。但激光干涉仪本身价格昂贵，用它进行直线度测量时还需要配备专门的光学器件，根据不同的测量范围，需要配备两套测量直线度误差的光学器件， 从而使整套系统价格不菲。再加上整套系统在检测中光路调整不方便，这使它很难被普及。 另外，角度反射镜运动中的倾斜也会影响测量精度。
发明内容
本发明的目的是解决现有导轨直线度测量技术中所存在的误差大、精度较低及成本高的缺陷。为达上述目的，本发明提供了一种准直激光二维位移测量系统，包括激光准直光源、置放在待测导轨上的用于接收该激光准直光源发出的激光的接收靶、自该接收靶获取信息的控制盒及接收该控制盒传来的信息并对该信息进行处理的PC机，其特殊之处在于， 所述激光准直光源是发射十字激光束的激光准直仪；该十字激光束的水平光线与所述导轨的水平面平行，其垂直光线与所述导轨的水平面垂直；所述接收靶的靶面上至少设置有一用于检测所述十字激光束的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和一用于测量所述十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；所述接收靶通过其底座与所述导轨活动联接，使其能沿该导轨前后移动；所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置均通过所述控
4制盒与所述PC机联接；所述控制盒主要完成所述PC机的命令的接收和对所述第一线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置的控制、 数据的传送以及电源的管理。该系统还包括有一测量靶，该测量靶的的靶面上至少设置有一第三线阵CXD激光光束位置与线宽检测装置和一第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；所述第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置用于接收所述十字激光束的水平光线，所述第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置用于接收所述十字激光束的垂直光线；所述第三线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置与第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置均与所述控制盒通讯；所述测量靶通过其底座与所述导轨活动联接，使其能沿该导轨前后移动。上述接收靶或测量靶外设置有遮光罩，该遮光罩的前端面上对应于所述第一线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置、第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第三线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置或第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置处设置有入光槽。上述接收靶上的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置分别在该接收靶的靶面上沿水平方向和竖直方向设置；所述测量靶的靶面上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置分别在该测量靶的靶面上沿水平方向和竖直方向设置。利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特殊之处在于，在测量近距离短导轨时，将激光准直仪和接收靶分别置放在该近距离短导轨的两端端部，该激光准直仪将发射的十字激光束投射到该接收靶上，该接收靶通过其上设置的用于测量该十字激光束的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和用于测量该十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测所述水平光线和垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；在测量的过程中，该接收靶通过其底座与近距离短导轨活动联接，并沿该近距离短导轨前后移动，以实现对该近距离短导轨的扭曲度的测量。在测量远距离长导轨时，将激光准直仪和接收靶分别置放在该远距离长导轨的两端端部，在该激光准直仪和接收靶之间的该远距离长轨道上置放测量靶，该激光准直仪将发射的十字激光束投射到该接收靶和测量靶上；该接收靶通过其上设置的用于测量该十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，探测垂直光线的位置， 并将该信息通过控制盒传输给PC机；该测量靶通过其上设置的用于接收所述十字激光束的水平光线的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和另一个用于接收所述十字激光束的垂直光线的第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测所述水平光线和垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；在测量的过程中，该测量靶通过其底座与所述远距离长导轨活动联接，使其能沿该远距离长导轨前后移动，以实现对该远距离长导轨的扭曲度的测量。上述测量靶与所述接收靶的高度不等，确保该测量靶阻挡不了所述十字激光束入射到该接收靶上。上述测量靶上设置有半透半反透镜，使得所述十字激光束入射到该半透半反透镜上之后一部分透过该半透半反透镜入射到所述接收靶上，另一部分垂直向下反射供该测量靶上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置探测接收。上述测量靶外设置有遮光罩，该遮光罩的前端面上对应于所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置或第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置处设置有入光槽。本发明的优点是成本较低，操作简单、使用方便、测量速度快，测量精度高，不但可以检测导轨的直线度，而且可以检测扭曲度，即两维测量，还可连续测量和采用微计算机进行数据处理、显示和打印。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明
图1是本发明提供的准直激光二维位移测量系统的示意图2是本发明提供的准直激光二维位移测量远距离长导轨系统时的示意图3是接收靶和测量靶不等高设置时的示意图4是遮光罩的示意图5是设置成L型的线阵CXD示意图6是测量靶中设置半透半反透镜时的光路示意图。图中1、激光准直光源；2、待测导轨；3、十字激光束；4、接收靶；5、测量靶；6、遮光罩；7、8、入光槽；9、第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；10、第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；11、遮光罩的后端面；12、半透半反透镜。
具体实施例方式为了解决现有导轨直线度测量技术中所存在的误差大、精度较低及成本高的缺陷，本实施例提供了如图1所示的准直激光二维位移测量系统，包括激光准直光源1、置放在待测导轨2上的用于接收该激光准直光源1发出的激光3的接收靶4和自该接收靶获取信息的控制盒及接收该控制盒传来的信息并对该信息进行处理的PC机(图中未示出)，其中，激光准直光源1是发射十字激光束3的激光准直仪；该十字激光束的水平光线与导轨2 的水平面平行，其垂直光线与导轨2的水平面垂直；接收靶4的靶面上至少设置有一用于测量十字激光束3的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和一用于测量十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；接收靶4通过其底座与导轨2活动联接，使其能沿该导轨2前后移动；所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置均通过所述控制盒与所述PC机联接； 控制盒主要完成PC机的命令的接收和对第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵CXD激光光束位置与线宽检测装置的控制、数据的传送以及电源的管理。利用图1所示的准直激光二维位移测量系统，在对导轨的水平度、扭曲度和直线度进行测量时，为得到较高精度的测量数据，优选测量近距离短导轨，具体过程是将激光准直仪1和接收靶4分别置放在该近距离短导轨的两端端部，该激光准直仪1将发射的十字激光束3投射到该接收靶4上，该接收靶4通过其上设置的用于测量该十字激光束3的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和用于测量该十字激光束3的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测十字激光束3的水平光线和十字激光束的垂直光线的位置，并将该信息通过控制盒传输给PC机，在测量的过程中，该接收靶4通过其底座与近距离短导轨活动联接，并沿该近距离短导轨前后移动，以实现对该近距离短导轨的水平度和扭曲度的测量，从而得出近距离短导轨的二维位移变量(即竖直方向和水平方向)。这里的二维位移变量指的是导轨在竖直方向和水平方向两个方向上的变量，根据测量数据，通过计算机处理，便可知道该导轨的直线度和水平度。在测量远距离长导轨时，由于在远距离时激光受大气的扰动较大，并且受外界环境如震动等影响，为了把这种影响降到最低，得到较高精度的测量数据，本实施例采用在远处即长导轨的另一端部放一基准接收靶4观测准直激光是否受大气的扰动，用一测量靶5 对准直激光进行探测，这样做的好处是在扰动后可以根据扰动的变化量来和测量结果比较，当精度较高符合测量要求时可继续测量或采用其探测数据，当误差较大不能符合要求时可停止测量，有利于工作效率的提高。其中提到的测量靶5的的靶面上至少设置有一用于接收十字激光束3的水平光线的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，一用于接收十字激光束3的垂直光线的第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；该第三线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置与第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置均通过控制盒与PC机联接；测量靶5通过其底座与导轨活动联接，使其能沿该导轨前后移动。为此，请参见图2，在测量远距离长导轨时，为了获取较高精度和可靠性的数据，在图1所示的系统中增设了一测量靶5，在测量时，将激光准直仪1和接收靶4分别置放在该远距离长导轨的两端端部，在该激光准直仪1和接收靶4之间的该远距离长轨道上置放测量靶5，该激光准直仪1将发射的十字激光束3投射到该接收靶4和测量靶5上；该接收靶 4通过其上设置的用于测量该十字激光束3的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和用于测量该十字激光束3的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测十字激光束3的水平光线和十字激光束3的垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；该测量靶5通过其上设置的用于接收十字激光束3的水平光线的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和另一个用于接收十字激光束3的垂直光线的第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测十字激光束3的水平光线和十字激光束的垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；在测量的过程中，该测量靶5通过其底座与远距离长导轨活动联接，使其能沿该远距离长导轨前后移动，以实现对该远距离长导轨的扭曲度的测量。测量过程中，为确保测量靶5不挡住接收靶4的入射光，选用的方案一是图3所示的将测量靶5和接收靶4在垂直方向上错开设置，即不等高设置，这样可保证十字激光束3 中的垂直光线入射到接收靶4上，这时接收靶4只检测垂直光线的变化和扰动(当然，此时接收靶4上只要设置第二线阵CXD激光光束位置与线宽检测装置即可)，因为垂直光线发生变化时，水平光线也肯定会变化。另一方案如图6所示，是在测量靶5上设置了半透半反透镜12，使得十字激光束3 入射到该半透半反透镜12上之后一部分透过该半透半反透镜12入射到接收靶4上，另一部分垂直向下反射供该测量靶5上的第三线阵CXD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CXD激光光束位置与线宽检测装置接收探测。这种方案由于半透半反透镜12安装调试较复杂，其误差将会影响测量误差，较方案一复杂又不适用，不如不等高设计。
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为了避免外部光对激光的干扰，在测量靶5外加遮光罩6，形成一相对阴暗的区域，使得观测激光比较明显，如此可以实现在较强光下完成测量。同时，为了不影响激光入射到测量靶5上，在遮光罩6的前端面上对应于测量靶5上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置处设置有图4所示的入光槽 7和8。入光槽7和8之所以如图3所示设置即二者相互垂直，构成一 L形状，是因为，测量靶5上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置的设置如图5所示，测量靶5上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置分别在测量靶5的靶面上沿水平方向和竖直方向设置，相互构成一 L形状。当然，接收靶4上的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第二线阵CCD 激光光束位置与线宽检测装置分别在该接收靶4的靶面上沿水平方向和竖直方向设置，相互也可构成一 L形状。值得注意的是，为了不影响接收靶4对激光束的探测，遮光罩6要么是没有后面板 11，要么是在后面板11上设置有和入光槽7、8对应的出光槽或将后面板11设计成透光的， 也可以将整个后面板11制成如望远镜镜筒形式，总之，无论何种形式，只要其后面板11透光不阻挡接收靶4的入射激光即可。本实施例所选用的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD 激光光束位置与线宽检测装置，可借由公开号为CN102062579A，名称为“一种用线阵CXD 测量激光束位置与线宽的检测方法及其装置”的发明专利申请知悉，这里提及的线阵CCD测量激光光束位置与线宽的检测装置包括可编程器件FPGA、线阵(XD、电源管理系统、放大电路、A/D转换电路(整形与数字处理电路)，线阵CCD通过依次串接的放大电路和A/D转换电路电联接至可编程器件FPGA，可编程器件FPGA再连接至MCU (控制盒)，最后由该MCU (控制盒)将数据信息传输给PC机。线阵CCD测量激光光束位置与线宽的检测装置的工作过程具体是线阵CCD将打在其感光面上的激光光信号转化为电信号输出给放大电路进行信号的放大；放大后的信号通过整形与数字处理电路，将模拟信号转换为数字信号；并将此数字信号送入可编程器件 FPGA，由该可编程器件FPGA对该数字信号进行实时计算，并将计算结果(存储到存储器中) 通过RS485总线传输给控制盒(MCU)，由该控制盒(MCU)将最后的计算结果上传至PC机并由该PC机对该计算机结果进行处理，从而完成整个测量过程，其中，PC机通过串口或USB 口与控制盒通信。控制盒(MCU)主要完成PC机命令的接收和对CXD装置�？�(线阵CXD测量激光光束位置与线宽的检测装置)的控制、数据的传送以及电源的管理。控制盒(MCU)通过串口或 USB 口与PC机通讯。PC机通过串口或USB 口传送命令和接收控制盒(MCU)传来C⑶装置�？�(线阵CXD 测量激光光束位置与线宽的检测装置)的测量数据，并利用应用软件传输来的数据进行数据分析和轨迹分析，并完成相应数据的保存和打印等功能。本实施例子中提及的近距离短导轨和远距离长导轨根据其所处的环境不同而有所不同，一般室内50 60米左右为，激光受大气扰动较�。耸钡牟饬烤嗬胧屎媳臼凳├龅慕嗬攵痰脊欤簿褪撬档脊斓某ざ刃∮�60米时称为短导轨，适合近距离测量，导轨的长度大于60米时称为长导轨，适合远距离测量，而室外测量距离10大于米以后，激光受大气扰动较大，故导轨的长短以10米为分界点，小于10米的称为短导轨，大于10米的称为长导轨。 以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.准直激光二维位移测量系统，包括激光准直光源、置放在待测导轨上的用于接收该激光准直光源发出的激光的接收靶、自该接收靶获取信息的控制盒及接收该控制盒传来的信息并对该信息进行处理的PC机，其特征在于所述激光准直光源是发射十字激光束的激光准直仪；该十字激光束的水平光线与所述导轨的水平面平行，其垂直光线与所述导轨的水平面垂直；所述接收靶的靶面上至少设置有一用于检测所述十字激光束的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和一用于测量所述十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；所述接收靶通过其底座与所述导轨活动联接， 使其能沿该导轨前后移动；所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵 CCD激光光束位置与线宽检测装置均与所述控制盒通讯；所述控制盒主要完成所述PC机的命令的接收和对所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置及第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置的控制、数据的传送以及电源的管理。
2.如权利要求1所述的准直激光二维位移测量系统，其特征在于该系统还包括有一测量靶，该测量靶的靶面上至少设置有一第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和一第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置；所述第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置用于接收所述十字激光束的水平光线，所述第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置用于接收所述十字激光束的垂直光线；所述第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置与第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置均通过所述控制盒与所述PC机联接；所述测量靶通过其底座与所述导轨活动联接，使其能沿该导轨前后移动。
3.如权利要求2所述的准直激光二维位移测量系统，其特征在于所述接收靶或测量靶外设置有遮光罩，该遮光罩的前端面上对应于所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置或第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置处设置有入光槽。
4.如权利要求1或2或3所述的准直激光二维位移测量系统，其特征在于所述接收靶上的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置分别在该接收靶的靶面上沿水平方向和竖直方向设置；所述测量靶的靶面上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置分别在该测量靶的靶面上沿水平方向和竖直方向设置。
5.利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于，在测量近距离短导轨时，将激光准直仪和接收靶分别置放在该近距离短导轨的两端端部，该激光准直仪将发射的十字激光束投射到该接收靶上，该接收靶通过其上设置的用于测量该十字激光束的水平光线的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和用于测量该十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，分别探测所述水平光线和垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；在测量的过程中，该接收靶通过其底座与近距离短导轨活动联接，并沿该近距离短导轨前后移动，以实现对该近距离短导轨的扭曲度的测量。
6.如权利要求5所述的利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于，在测量远距离长导轨时，将激光准直仪和接收靶分别置放在该远距离长导轨的两端端部，在该激光准直仪和接收靶之间的该远距离长轨道上置放测量靶，该激光准直仪将发射的十字激光束投射到该接收靶和测量靶上；该接收靶通过其上设置的用于测量该十字激光束的垂直光线的第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置，探测垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC 机；该测量靶通过其上设置的用于接收所述十字激光束的水平光线的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和另一个用于接收所述十字激光束的垂直光线的第四线阵CXD 激光光束位置与线宽检测装置，分别探测所述水平光线和垂直光线的位置，并将该信息通过所述控制盒传输给所述PC机；在测量的过程中，该测量靶通过其底座与所述远距离长导轨活动联接，使其能沿该远距离长导轨前后移动，以实现对该远距离长导轨的扭曲度的测量。
7.如权利要求6所述的利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于所述测量靶与所述接收靶的高度不等，确保该测量靶阻挡不了所述十字激光束入射到该接收靶上。
8.如权利要求6所述的利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于所述测量靶上设置有半透半反透镜，使得所述十字激光束入射到该半透半反透镜上之后一部分透过该半透半反透镜入射到所述接收靶上，另一部分垂直向下反射供该测量靶上的第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置探测接收。
9.如权利要求6或7或8所述的利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于所述接收靶或测量靶外设置有遮光罩，该遮光罩的前端面上对应于所述第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置、第三线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置或第四线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置处设置有入光槽。
10.如权利要求9所述的利用准直激光二维位移测量系统测量导轨的方法，其特征在于所述遮光罩的后面板上设置有和所述入光槽对应的出光槽或将该后面板是透光的。
全文摘要
本发明提供了一种准直激光二维位移测量系统，通过接收靶上的第一线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置和第二线阵CCD激光光束位置与线宽检测装置对发射十字激光束的激光准直仪的激光光束的检测，并将其检测数据通过控制盒传输给PC机进行处理，从而完成对导轨在水平方向和竖直方向上的位移变量的测量，从而完成对导轨的水平度、扭曲度的测量；该系统具有成本较低，操作简单、使用方便、测量速度快，测量精度高的优点，解决了现有导轨直线度测量技术中存在的误差大、精度较低及成本高的缺陷。
文档编号G01B11/27GK102506724SQ20111039283
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者孙建华, 袁科 申请人:西安华科光电有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
