一种基于激光线扫描技术的台阶间隙测量仪的制作方法

本实用新型属于检验检测技术，涉及一种基于激光线扫描技术的台阶间隙测量仪。

背景技术：

现今产品的外观和组装设计均普遍采用cad或先进的物理引擎法计算、模拟来实现产品的设计概念。但在实际制造和组装过程中，往往缺乏统一科学的量化手段和计算机设计中精确的模拟相比，存在多层次的差异和矛盾。使用传统的手动工具，如卡尺、塞规，虽然直观方便，但往往因产品轮廓的不规则，需要在一道工序上采用多种不同的测量手法，而且操作手法和读数难以有统一和有依据的标准。操作员的测量手法，也是导致数据不稳定的人为因素。个别只做判断的工具，无法计算工程指数，实现统计过程控制，因此达不到改进和保证质量的目的。

三坐标及各种接触、非接触式的三维扫描设备，拉近了设计和检验在技术上的距离。但设备的使用环境有着严格的控制，限制了使用的便携与灵活性；同时操作界面技术含量高，不能够直接读数判定，限制设备在组装尺寸检验上的应用。

激光台阶间隙测量是世界领先的非接触光学测量解决方案，该方案弥补了组装尺寸测量和检验技术上的不足。结合传统手动工具简单、直观、便携的优势，避免了人为误差、基准控制等问题。可在各个测量需求上取代传统工具和复杂的测量手法，大幅提升研发生产的速度及各方面的效率，目前被包括空客在内的多家军用及民航飞机制造商等指定为标准化测量方案。但其技术方案在公开渠道无法获知。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种基于激光线扫描技术的便携式、高精度、快速测量台阶间隙测量仪。

本实用新型的技术方案是：一种基于激光线扫描技术的台阶间隙测量仪，包括扫描仪和显示终端，所述扫描仪包括激光线扫描传感器6、电源模块4、通讯模块3手柄10,所述显示终端由嵌入式计算机2和计算机外壳1组成；所述激光线扫描传感器6与通讯模块3相连接；所述通讯模块3与嵌入式计算机2相连接；所述电源模块4与激光线扫描传感器6相连接；所述手柄安装在通讯模块3上；所述嵌入式计算机2安装于计算机外壳1内部。

进一步的，所述扫描仪还包括盖板。

进一步的，所述盖板包括盖板ⅰ7和盖板ⅱ8。

进一步的，所述手柄上设置控制按钮9，所述控制按钮9与通讯模块相连接。

进一步的，所述盖板ⅰ7和盖板ⅱ8分别安装于激光线扫描传感器6、电源模块4、通讯模块3的两侧，与安装于激光线扫描传感器6、电源模块4、通讯模块3的前端的计算机外壳1形成u形的半包围结构，将激光线扫描传感器6、电源模块4、通讯模块3包围起来。

进一步的，所述激光线扫描传感器6包括传感器窗口5。

本实用新型的有益效果是：本实用新型台阶间隙测量仪为一款便携式、高精度、快速测量设备，不仅能够实现飞机蒙皮台阶、间隙、划痕深度测量，经过适配相应的测量支架、传感器还能够广泛的满足多种场合(如飞行器、机载设备)、多种材料(具有反光特性的金属、非金属材料)的各种台阶、间隙、划痕深度测量，具有广泛的应用前景。本实用新型台阶间隙测量仪采用一体化手持结构，测量操作均使用软件实现，可以选择台阶间隙测量模式、报警模式，还可以根据测量需求调整测试参数，便于不同环境、不同类型的台阶间隙测试。本实用新型台阶间隙测试仪可以自动、快速、准确的对间隙与台阶值进行测量，降低了人力成本和测试的繁琐性，缩短了测试周期，提高测试效率，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型台阶间隙测量仪外形图；

图2为本实用新型台阶间隙测量仪结构示意图；

图3为本实用新型显示终端操作面板示意图；

图4为本实用新型台阶间隙测量仪结构原理框图；

图5为本实用新型台阶间隙测量仪工作框图。

其中，1-计算机外壳、2-嵌入式计算机、3-通讯模块、4-电源模块、5-传感器窗口、6-激光线扫描传感器、7-盖板ⅰ、8-盖板ⅱ、9-控制按键、10-手柄、11-键盘键、12-开始菜单键、13-暂停键、14-方向键、15-显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

参见图1，本实用新型台阶间隙测量仪由扫描仪和显示终端两部分组成，正常使用扫描仪和显示终端为一个整体，特殊需要时可将显示终端拆分成独立部分使用，扫描仪和显示终端通过内部电缆连接实现数据传输。

如图2，台阶间隙测量仪扫描仪由激光线扫描传感器6、电源模块4、通讯模块3、盖板ⅰ7、盖板ⅱ8、控制按钮9及手柄10组成,手柄10可根据测量方式进行拆装；显示终端由嵌入式计算机2和计算机外壳1组成；测量时，手持手柄10使扫描仪与被测表面尽量垂直，操作控制按键9，触发激光线扫描传感器6发射激光经传感器窗口5照射测量表面(如：飞机蒙皮对接处)，经过表面反射后的激光束经传感器窗口返回激光线扫描传感器6，反射激光经激光线扫描传感器6接收、处理、成像后得到被测表面台阶、间隙数据，该数据经过通讯模块3，传输至显示终端嵌入式计算机2，数据经由嵌入式计算机2数据处理软件读取、解算后输出显示测量结果。如图3，显示终端通过上微机数据处理软件并结合操作键盘键11、暂停键13、方向键14实现参数输入、测量模式选择、传感器校准、数据处理等供能。测试结果通过传感器窗口5显示。

本实用新型是一种基于光学扫描原理的台阶间隙测量仪，可广泛用于飞机表面蒙皮对接质量、汽车外观检测等多种领域。在计算和分析软件支持下，实现:直接读数、自动化测量记录、基准分析、轮廓比对、通止判断等多项功能。大幅提高现场测控和检验的效率。台阶间隙测试仪兼容性强，可支持人手便携，大幅度提高了组装尺寸检测的效率及稳定性。本实用新型的特点是：

1)是一种便携仪器

本实用新型可手持操作，设计有相机式和手柄式两种结构操作测量仪，可依据用户使用习惯选择。相机式结构模仿相机的操作模式，可双手持测量仪，用户按需保存测试结果。手柄式结构类似扫码器的操作方式，以按钮的方式触发测量结果保存。

2)具有数据存储、下载和分析处理能力

本实用新型自带嵌入式计算机和外部数据下载接口，能够实现测量数据实时存储、回放、下载和上位机分析，测量数据记录为标准格式支持excel等常用数据处理软件分析处理。

3)具有多种测量模式，满足多种形面测量需求

主要模式分为台阶模式和间隙测量模式，根据不同的测量场合可选择不同的测量模式以提高测量精度，多种测量模式如下：

a).台阶测量模式

台阶测量模式：使用卡尺或者轮廓模式测量台阶。

台阶卡尺测量模式：以一段平面内的平均值作为测量结果计算值，可以提高测量精度。

台阶轮廓测量模式：在一个平面内每隔一段距离求一次平均值，取最高平均值作为台阶测量结果计算值，可以得到理论上最为精确的台阶值。

b)间隙测量模式

间隙测量模式：使用塞尺或者轮廓模式测量间隙。

间隙塞尺测量模式：以一定的尺寸作为单位，使结果总是其倍数，是一种还原手工测量方式。

间隙轮廓测量模式：首先通过塞尺参数设置获得认定为间隙的条件，即两点相差dmm即为下降点与上升点，计算下降点与第一个上升点的x轴距离，即为间隙测量值。

下面再对本实用新型的具体实施方式做更详细的描述。

1)台阶间隙测量仪总体方案

台阶间隙测量仪总体方案如图4所示。台阶间隙测试仪采用激光线扫描传感器实现被测对象轮廓的采集，激光线扫描传感器采集被测对象的实时轮廓坐标通过通讯模块将轮廓数据传入嵌入式计算机，嵌入式计算机通过数据处理算法先实时重构轮廓线的几何形状，再计算出台阶差、间隙等数据，最后以实时图像数据的形式在嵌入式计算机屏幕上显示测量结果。通信模块用以连接激光线扫描传感器的以太网接口与嵌入式计算机的usb接口，实现通信协议转换。嵌入式计算机除实现数据处理、显示外，可完成传感器设置、校准，测量模式选择等功能。电源模块为激光线扫描传感器提供供电，并以达到便携式需要。上位机和嵌入式计算机之间可通过数据传输、数据拷贝等方式将测量数据拷贝至上位机，在上位机里实现回放和存储。

激光线扫描传感器采用光学三角形测量原理，测量示意图见图5。半导体激光器产生的激光经过一个透镜后形成一束线激光并照射到被测物体表面，镜头采集接收从被测物返回的散射光，并在二维cmos图像传感器产生图像，采用数字信号处理器分析图像的轮廓，信号处理器计算被测物沿激光线(x轴)上每个点到扫描仪之间的距离(z轴)，从而得到被测表面台阶、间隙值。受激光线、接收镜片组件位置关系影响，传感器的测量范围受到一定的限制。

2)系统硬件设计

测试仪硬件包括：激光线扫描传感器、嵌入式计算机、通信模块、电源模块、手柄、外壳、充电器等。

a)激光线扫描传感器选择：

传感器选择激光线扫描传感器，完成对轮廓的二维数据采集，其参数如后。z轴量程(即台阶测量范围)为50mm，线性度±0.1％，x轴量程(即间隙测量范围)为18mm，分辨率0.01％，线性度±0.2％，采样率最小为248次/s，以太网ipv4数据输出。

b)嵌入式计算机

嵌入式计算机为tainell的t500，主要完成采集数据的处理，测量结果的保存与回放。windowsxp操作系统,主频1.6ghz处理器,5英寸屏幕，电容触摸屏，分辨率1024×600,1×micro-usb2.0，1×usb2.0，hdmi，vga数据接口

c)通信模块

通信模块主要完成通信协议的转换。传感器通信接口是以太网，嵌入式计算机有多种通信方式。除无线的方式之外，嵌入式计算机的数据接口有usb，hdmi和vga，usb接口相对比较简单稳定。通信模块由电子科大项目组自制，完成tcp/ip协议转换usb协议的硬件电路设计，多路usb接口扩展电路的设计和采集数据的硬件触发电路设计。

d)电源模块

电源模块为传感器供电，电源模块本身可以进行充电。电源模块由多节锂电池组成，可稳定输出电压。锂电池可携带，方便拆卸更换；有备用电池，增强测量仪的持续使用能力。电源模块设计模块供电开关，可显示输出电压是否达到要求，电量指示灯不亮则需要进行充电；设计传感器供电开关，只在电量指示灯亮时，拨动开关，才可以打开和关闭传感器，防止欠压对传感器造成损伤；设计充电接口，可直接给测量仪进行充电，充电器是220v的标准输入。

e)外观结构

设计相机式和手柄式两种结构操作测量仪，可依据用户使用习惯选择。相机式结构模仿相机的操作方式，可双手把持测量仪，用户按需保存测试结果。手柄式结构时需安装操作手柄，操作方式类似于扫码器，通过手柄按钮触发测量。

3)系统操作软件设计与开发

a)软件功能

系统操作软件包括手持式设备下位机(测量)软件和上位机管理软件，手持设备和上位机之间可以通过数据拷贝的形式进行数据交互。下位机(测量)软件负责整个检测仪的管理、测量控制、测量结果的生成以及测量数据的相关处理。测量仪测量平台软件具备以下功能：

·具有现场检测间隙和台阶的功能，识别间隙和台阶，计算间隙的宽度和面差以及台阶的高度；

·测量结果显示，对结果做出报警提示判断；

·完成对测量数据的打包、上传和回放等管理。

上位机管理软件负责对测量仪上传的数据包进行深层次分析、整理、存储、归档，辅助用户完成产品信息的管理。本台阶间隙测量仪上位机平台软件具备以下功能：

·登录功能；

·设置功能；

·历史数据包的打开，重新显示；

·历史数据包管理。

b)软件主体框架

台阶间隙测试仪嵌入式计算机软件分为四大部分：人机界面、测量操作、测量结果处理、系统自检与校准。上位机软件主要负责测量结果管理。

台阶间隙测试仪软件的人机界面“简洁实用”，让使用者能够轻松的进行测量中各个环节操作：传感器设置，参数配置，自动测试，报警功能，结果的显示、保存、上传，人机操作的友好。

测量操作是台阶间隙测试仪软件的主体部分，软件进行测量操作，实现对传感器的连接，测量请求，数据回传及算法处理。

测试结果处理是对测试数据进行必要的分析、处理，即可直接显示，也可存储到文件中供用户在以后使用。存储的文件上传可以形成报表和矢量图。

系统自检与校准是系统快速判别系统能否使用、校正误差、提升测量精度的有效手段，可根据使用时间定期进行校准。

c)软件系统实现

i.用户交互界面

用户界面将配备功能按钮以及数据，图形显示窗口，图形的操作按钮。为提高界面交互的友好度，用户界面还提供在测量过程和界面操作时与用户交互的信息窗口，指导用户进行测量。

整个软件系统按用户交互界面来分可以分为下位机(测量)软件、测量校准软件和上位机用户管理软件。三款软件完成的工作任务不同，每款软件都有相应的用户交互界面设计。

ii.台阶间隙测量仪嵌入式计算机软件

打开测量仪软件，显示欢迎界面，欢迎界面没有登录操作，会自动加载初始化数据，方便用户操作。

欢迎界面加载完成之后，自动跳转入文件名编辑界面。文件名编辑界面可以修改文件名内容中的机号、操作人员、日期三个内容。其中日期默认为系统时间，机号默认为000000001，操作员默认为000001，亦可根据用户要求进行设置。在日历控件中选择要保存的时间，点击“确认日期选择”按钮，即可修改日期选项。若填写错误，可以按“取消”按钮对机号和操作员编辑框清零。

在文件名编辑界面点击确定后，进入软件的工作界面。工作界面是测试仪软件最重要的部分，完成大部分工作，包括：传感器连接与测量操作，用户设置显示，测量轮廓实时显示，测量数据处理并显示，测量结果保存，用户信息交互以及其他辅助功能等。

点击“设置”按钮，进入设置界面，进行模式选择，功能选择和校准选择等操作。

“模式选择”区域，对选择的测试项和功能进行显示，如果测试值正常显示蓝色，超限就会显示红色并根据报警选择具体反应。右上方会根据一些具体操作给用户提示。

测量实时显示实际的轮廓。在显示坐标上会有测量的基准线和测量范围，该部分可以通过左移和右移进行移动，达到用户对具体位置的测量。

右侧按钮完成快速模式选择、传感器的搜索、连接和测量，还有测量结果的保存。下位机(测量)软件下方是设置内容的具体交互，包含功能的开启和关闭的提示，在具体选择下的不合格也会有红色报警显示。

在工作界面点击“快速选择模式”按钮，进入快速选择模式界面。该模式下设置8种较为常用的模式，其中台阶测量模式与间隙测量模式各4种。台阶测量模式中，台阶值为图中红色圆圈标识位置的面差值。间隙测量模式中主要更改的是间隙测量判定是否为间隙的参数，参数值分别为0.1、0.2、0.5、1。在界面下方是测量长度选项，可以将测量长度由20mm更改为10mm或者30mm。

在工作界面按“↑”按钮，下位机(测量)软件切换到设置界面。设置界面包括模式设置、功能设置和校准设置。选择具体项目，下位机(测量)软件会调用相应的算法完成测量数据的处理。用户完成选择，在工作界面会实时反映选择结果，方便快捷。同时，也可按嵌入式计算机的“↓”进行由上向下选择切换，“←”和“→”完成off和on的选择。

继续按“↑”按钮，下位机(测量)软件切换到参数界面。参数界面包括测试参数和校准参数。测试参数设置台阶和间隙的阈值，设置完成后实时显示在工作界面，超过阈值会报警(根据用户选择来报警)。校准参数用户不需要填写，由校准软件计算具体值更改下位机(测量)软件的配置文件，在用户打开下位机(测量)软件初始化加载该值。

设置完成后，点击“保存配置”，可以生成配置文件，下次进入软件界面初始化时即可加载该文件，自动记忆上次测量的配置，减少用户重新设置的工作。“出厂设置”会对下位机(测量)软件所有数据进行初始化。“退出”直接退出下位机(测量)软件。“↓”完成设置项切换。“←”和“→”让光标在数值上的位置移动。“enter”设置数值。

继续按“↑”按钮，下位机(测量)软件切换到浏览界面。浏览界面主要作用是把测量保存的文件以图片的形式展现出来。文件选择的方式有两种，一种是点击“浏览”，打开文件夹，选择文件；另一种是直接点击“上一张”或“下一张”。

浏览界面回放测量情况，不仅在轮廓的展示，还有当时的测量结果和测量参数设置。“↓”完成设置项切换。

信息交互，包括测量时间记录，保存的文件名，且用户可根据需要删减测试数据。

iii.校准软件

为了保证测量精度，需要对下位机(测量)软件进行定期的校准。校准软件可以分别对间隙(x轴)和台阶(z轴)的测量值进行校准。进入对应的校准项中，使用下位机(测量)软件测量标件，将值填入校准软件中，计算得到校准系数，并写入下位机(测量)软件配置文件中。

iv.上位机管理软件

上位机管理软件主要完成测量数据的回放和管理。

上位机管理软件解析了测量保存的数据，并在界面上显示，其保存了下位机(测量)软件的设置信息，浏览方式等，可以将测量结果转存为图片形式。

d)测量操作

测试操作的软件设计本着面向用户，操作简单，使用方便的思想，设计出三步完成测试的模式：“设置”->“连接”->“测量”。在多次测量过程中，可以暂停和测量切换。基本达到了“一键通”的指导思想，降低了人员操作的复杂度。

“设置”：用户进行测量的功能选择和参数配置。一般情况下，用户延续上一次的测量设置，在软件打开时就会加载上次的设置内容。用户可以点击工作界面左上角的“设置”按钮进入设置界面，也可以通过方向键“↑”进行界面切换。

“连接”：在测量之前，需要连接激光线扫描传感器。传感器上电后，等待20s左右，待激光稳定输出之后，点击“搜索”，软件会自动寻找传感器的连接地址。如果没有找到可以连接的传感器，按钮仍保持搜索状态；如果找到传感器，

“搜索”按钮变成“传感器连接”。再次点击，软件会连接传感器。传感器的连接也会出现成功和失败，成功连接，按钮会显示蓝色，连接失败，按钮显示红色。连接成功后就可以进行测量。在测量过程中，可能会出现连接或者数据上的出错，此时传感器连接会重置到具体步骤。

“测量”：点击“测量”，按钮变成“暂停”，软件会自动进行测量。测量时，软件会每50ms进行一次数据获取请求。获取数据后，首先完成对数据的有效性判别，设计相应的容错程序。数据有效性保证后，对采集数据进行算法处理，计算测量值，并将测量结果和报警结果在软件上显示。软件会实时进行数据处理和图像显示的更新，让操作更为简便。

e)测量结果处理

测量结果会有两个方面：一方面可以实时的显示，另一方面可以将测量数据保存。

测量结果显示会有轮廓线的绘制，绘制测量目标的截面轮廓，包括被测目标的纵轴坐标(高度，深度等信息)和被测目标表面横轴坐标(宽度)。测量结果显示还包括计算结果的显示，在绘图面板的上方有测量结果的显示控件，如果结果超出阈值，控件上的报警灯就会闪烁(可根据需求加设声控报警)。

测量结果保存会以固定格式保存入数据文件中，保存的数据有xz轴数据，计算结果和测量时间，保存文件会以测试时间+编号命名，或者按客户要求进行设计。在上位机打开相应的文件就会重现测试现场。

f)系统自检与校准

自检操作是在使用软件前，对测试仪的连接状态进行初步的检查。本测试仪的连接即与传感器的连接，传感器连接成功则系统自检完成。