一种用于激光线性扫描的高精度自适应平台的制作方法

1.本发明属于钢带检测测量的技术领域，具体涉及一种用于激光线性扫描的高精度自适应平台。


背景技术：

2.由于近年来国内科技的不断发展进步，高精度控制和高精度检测能力的需求也在不断提升，尤其是对一些对板形要求极高板材的连续在线轮廓检测能力。
3.板材的连续在线轮廓检测的实际应用过程中有两个较难处理的问题。首先，激光线性扫描设备对激光头自身的水平度要求非常高，而往往通过手动配合水平气尺的方法来进行调整，但这样基本无法达到到对实际运行钢带板形检测的控制要求；其次，为了匹配生产情况，连续生产线是不允许在运行钢带上方进行水平调整操作的。目前现有技术的应用过程中，采用在连续线外调整好水平再推入钢带上方测试的方式，导致最终获的水平状态完全不同。因为钢带两侧的地面状态不同，这造成激光头的实际水平状态一定不同，因此导致必须在将激光头导入钢带上方后，重新对激光头进行水平状态的调整。同时，经过现场实验证明，通过水平气尺观察获得的状态，是无法保障激光头与待测板材表面之间的相对位置状态的要求的。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种用于激光线性扫描的高精度自适应平台，既可以保障真实调整激光头位置要求，又能在运行钢带的上方非人工的进行自动调整。
5.本发明采用的技术方案是：一种用于激光线性扫描的高精度自适应平台，其特征在于：包括底部平台、升降机构、平衡梁、激光头联动机构和激光线扫描头；其中底部平台底面设置有万向轮，升降机构垂直设置于底部平台的顶面；平衡梁垂直固定于升降机构的顶端并与地面保持平行；平衡梁的一端设置有同轴向外延伸的圆轴，所述圆轴与地面保持平行；激光头联动机构固定套接于圆轴外侧，激光线扫描头固定设置于激光头联动结构的底面；激光头联动结构设置有均匀分布于激光线扫描头上方四角的4个伺服压电马达；还包括自动调节系统，自动调节系统获取激光线扫描头的测量数据，并根据测量数据发送驱动指令至伺服压电马达，伺服压电马达根据驱动指令控制其连杆的伸缩调整激光线扫描头的角度。
6.上述技术方案中，所述底部平台设置有定位螺栓，定位螺栓垂直穿过底部平台且与底部平台螺纹配合；定位螺栓的螺帽位于底部平台上方，定位螺栓的端部位于底部平台的下方。
7.上述技术方案中，所述升降机构上集成有电控柜和液压系统，通过液压系统实现升降机构的高度调节；所述自动调节系统设置于电控柜内。
8.上述技术方案中，所述底部平台上设置有负重铁块。
9.上述技术方案中，所述平衡梁和升降机构的顶部之间固定设置有斜铁。
10.上述技术方案中，所述激光头联动机构包括锁扣、安装平台、支架平板、伺服压电马达和固定连杆，其中伺服压电马达包括均匀分布并设置于安装平台的四角；伺服压电马达的本体固定设置于安装平台的上表面，伺服压电马达的连杆穿过安装平台垂直向下延伸并与支架平板的上表面相接触；锁扣设置于安装平台的上表面中心处，锁扣套接于圆轴的外侧并通过螺栓与圆轴固定；所述固定连杆的底端设置于与支架平板的中心处内部并通过螺纹固定；固定连杆还设置有固定螺栓并与其螺纹配合，所述固定螺栓设置于支架平板的上表面；固定连杆的顶端设置有球体结构；固定连杆通过球体结构活动卡设于安装平台的底面中心处；支架平板通过螺栓固定于激光线扫描头的顶面。
11.上述技术方案中，还包括保护线槽，所述保护线槽固定设置于平衡梁的表面并沿平衡梁的轴线延伸；伺服压电马达和激光线扫描头通过光缆与自动调节系统电连接，所述光缆设置于保护线槽内；光缆通过保护线槽接入电控柜。
12.上述技术方案中，所述4个伺服压电马达分别为电机a、电机b、电机c和电机d，其中电机a和电机b位于激光线扫描头的纵向方向上，电机a和电机c位于激光线扫描头的横向方向上；电机b和电机c分别位于电机a的同侧；电机a连杆的当前行程为a，电机b连杆的当前行程为b，电机c连杆的当前行程为c，电机d连杆的当前行程为d，其中a、b、c、d均为自然数，单位为mm；
13.所述自动调节系统的控制方法包括以下步骤：
14.s1：根据激光线扫描头第一条扫描的结果，计算出初始标准参数f0，再发送驱动指令以分别增加电机a、电机b连杆的一个单位的行程；然后计算调整后的标准参数f，并与初始标准参数f0进行对比；
15.s2：开启纵向方向自适应调整：如果标准参数f增大,则继续发送驱动指令以分别增加电机a、电机b连杆的一个单位的行程；如果标准参数f减小,则发送驱动指令以增加电机c、电机d连杆的一个单位的行程；当判定任何一个电机的连杆行程达到极限时,发送驱动指令使该达到极限的电机的连杆行程减少一个单位；
16.s3：反复重复步骤s2，直至位于纵向方向上的两个电机连杆行程都达到极限或标记参数f大于80％时,判定纵向方向自适应调整结束；
17.s4：当纵向自适应调整结束,且标记参数f小于等于80％时,则发送驱动指令以分别减少电机a、电机c连杆的一个单位的行程；
18.s5：再次重复s2和s3，当纵向自适应调整结束后,如果标记参数依然小于等于80％,则比较当前与上一次的标记参数f的计算结果；
19.如果标记参数f值相对减少,则发送驱动指令以分别减少电机b、电机c连杆的一个单位的行程；如果标记参数f值相对增加,则继续发送驱动指令以分别减少电机a、电机c连杆的一个单位的行程；
20.s6.反复重复步骤s2,直至标记参数f大于80％。
21.上述技术方案中，标准参数的计算公式如下：
[0022][0023]
其中，当λ
n
≤5％时，计合格系数η
n
＝1；设当λ
n
＞5％时，计合格系数η
n
＝0，其中n为
1,2,3
…
n的集合；n为实际测量点位置序号；λ
n
为第n个测量点的实际测量值与目标值之间的差量百分比为；
[0024]
λ
n
＝
△
y
n
/y
n
×
100％,
△
y
n
＝p
n
‑
y
n
；其中p
n
为第n个测量点线扫描测量的实际结果；y
n
为第n个测量点线扫描测量的目标结果；
[0025]
当n取1时标准参数f的计算结果作为初始标准参数f0。
[0026]
本发明提供了一种基于用于激光线性扫描的高精度自适应平台的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
[0027]
推动底部平台，使激光线扫描头位于待测板材上端，目测观察保证激光线扫描头的线扫描激光光线与钢带运行方向基本垂直；
[0028]
通过调节升降机构控制激光线扫描头与钢带表面之间的距离；
[0029]
调节定位螺栓，使万向轮脱离地面，然后通过外置的水平尺和定位螺栓将底部平台调至水平；
[0030]
启动自动调节系统完成对激光线扫描头的调节；
[0031]
连续测量，完成激光扫描测试工作，对待测板材的板面轮廓进行全景状态表征。
[0032]
本发明的有益效果是：本发明的线性扫描仪的激光头通过手动推动底部平台和目测观察可以保证有效设置于运行钢板的正上方，同时通过自动调节系统对激光线扫描头进行不间断的调节，保证即使在生产线运转时，激光线扫描头能始终保持激光头所需的水平状态。本发明的自动调节系统通过四台联动的微型直流伺服压电马达来直接控制激光头的四个水平控制度，避免通过人工操作的方式来控制水平，提高安全性的同时有效保证激光线扫描头的检测结果的准确性。本发明的自动调节系统采用的控制方法依据线扫描结果的反馈生成对应的控制指令，能够有效作出对激光头真实所需适应性状态的调整，为激光头的有效运行提供更精准的运行条件。
附图说明
[0033]
图1是本发明的结构示意图；
[0034]
图2是本发明的俯视图；
[0035]
图3是本发明的激光头联动机构的示意图；
[0036]
图4是本发明的激光头联动机构的俯视图；
[0037]
图5是线扫描瞬间单点图；
[0038]
图6是本发明的电机a
‑
d控制实际点图；
[0039]
图7是本发明的自适应性调整控制方法流程图；
[0040]
图8是同一段钢板自适应调整前后扫描结果对比，左侧为调整前，右侧为调整后。
[0041]
其中，1
‑‑
升降机构；2
‑
电控柜；3
‑
平衡梁；4
‑
圆轴；5
‑
激光线扫描头；6
‑
底部平台；7
‑
定位螺栓；8
‑
万向轮；9
‑
斜铁；10
‑
负重铁块；11
‑
伺服压电马达，11
‑
a
‑
电机a，11
‑
b
‑
电机b，11
‑
c
‑
电机c，11
‑
d
‑
电机d；12
‑
固定连杆；13
‑
锁扣；14
‑
球体结构；15
‑
支架平板；16
‑
光缆连接端口；17
‑
激光线扫描头的发射端；18
‑
激光线扫描头的观测端，19
‑
保护线槽，20
‑
安装平台。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发
明，但它们不对本发明构成限定。
[0043]
如图1、2所示，本发明提供了一种用于激光线性扫描的高精度自适应平台，包括底部平台6、升降机构1、平衡梁3、激光头联动机构和激光线扫描头5；其中底部平台6底面设置有万向轮8，升降机构1垂直设置于底部平台6的顶面；平衡梁3垂直固定于升降机构1的顶端并与地面保持平行；平衡梁3的一端设置有同轴向外延伸的圆轴4，所述圆轴4与地面保持平行。所述圆轴4套接且贯穿于平衡梁3的内部。平衡梁3为圆轴4提供有效的支撑，保证圆轴4外露于平衡梁3的部分能有效保持与地面的平行状态。激光头联动机构固定套接于圆轴4外侧，激光线扫描头5固定设置于激光头联动结构的底面；激光头联动结构设置有均匀分布于激光线扫描头5上方四角的4个伺服压电马达11；还包括自动调节系统，自动调节系统获取激光线扫描头5的测量数据，并根据测量数据发送驱动指令至伺服压电马达11，伺服压电马达11根据驱动指令控制其连杆的伸缩调整激光线扫描头5的角度。本发明使用时，通过万向轮8操作人员可将设备整体推动至指定位置，保证激光线扫描头5位于待测钢带的正上方。所述激光线扫描头5包括多个，均匀沿圆轴4分布，多个激光线扫描头5共同覆盖待测钢带的检测区域。
[0044]
上述技术方案中，所述底部平台6设置有定位螺栓7，定位螺栓7垂直穿过底部平台6且与底部平台6螺纹配合；定位螺栓7的螺帽位于底部平台6上方，定位螺栓7的端部位于底部平台6的下方。当操作人员确认底部平台6已经被推动至指定位置，即可扭动定位螺栓7，使得底部平台6沿定位螺栓7向上爬升，直至万向轮8脱离底面，使得万向轮8不会带动底部平台6进行滑动，保证激光扫描过程的整体稳定性。所述定位螺栓7至少包括2个且分布均匀，能够有效支撑底部平台6并保持平衡。所述底部平台6上设置有负重铁块10。当底部平台6实现定位后，操作人员将负重铁块10放置于底部平台6上，进一步保证底部平台6不发生移动，强化设备的整体稳定性。所述平衡梁3和升降机构1的顶部之间固定设置有斜铁9，有效保证平衡梁3和升降机构1之间的连接稳定性。平衡梁3与升降机构1的固定点设置于平衡梁3的中心点处。
[0045]
上述技术方案中，所述升降机构1上集成有电控柜2和液压系统，通过液压系统实现升降机构1的高度调节；所述自动调节系统设置于电控柜2内。所述保护线槽19固定设置于平衡梁3的表面并沿平衡梁3的轴线延伸；伺服压电马达11和激光线扫描头5通过光缆与自动调节系统电连接，所述光缆设置于保护线槽19内；光缆通过保护线槽19接入电控柜2。本发明的控制系统均集成于装置本体上，通过保护线槽19和电控柜2的设置优化线路布置，保证装置在使用过程中安全性和操作便利性。
[0046]
如图3、4所示，所述激光头联动机构包括锁扣13、安装平台20、支架平板15、伺服压电马达11和固定连杆12，其中伺服压电马达11包括均匀分布并设置于安装平台20的四角；伺服压电马达11的本体固定设置于安装平台20的上表面，伺服压电马达11的连杆穿过安装平台20垂直向下延伸并与支架平板15的上表面相接触；锁扣13设置于安装平台20的上表面中心处，锁扣13套接于圆轴4的外侧并通过螺栓与圆轴4固定；所述固定连杆12的底端设置于与支架平板15的中心处内部并通过螺纹固定；固定连杆12还设置有固定螺栓并与其螺纹配合，所述固定螺栓设置于支架平板15的上表面；固定连杆12的顶端设置有球体结构14；固定连杆12通过球体结构14活动卡设于安装平台20的底面中心处；支架平板15通过螺栓固定于激光线扫描头5的顶面。激光线扫描头5的发射端17与观测端18均设置于激光线扫描头5
的底面，其发射面或接收面面对待测钢带。所述激光头联动机构通过圆轴4与锁扣13的配合，实现激光头联动机在圆轴4上的固定。所述激光线扫描头5通过螺栓与支架平板15的固定连接，实现激光线扫描头5在圆轴4上的固定。伺服压电马达11均匀分布于激光线扫描头5上方的四角，实现激光线扫描头5在纵向方向与横向方向的微调。由于球体结构14活动卡设于安装平台20的底面内，使得固定连杆12以及支架平台在伺服压电马达11的连杆伸缩时有一定的活动空间，故而实现了激光线扫描头5的微调。
[0047]
如图6所示，4个伺服压电马达11分别为电机a、电机b、电机c和电机d，其中电机a和电机b位于激光线扫描头5的纵向方向上，电机a和电机c位于激光线扫描头5的横向方向上；电机b和电机c分别位于电机a的同侧；电机a连杆的当前行程为a，电机b连杆的当前行程为b，电机c连杆的当前行程为c，电机d连杆的当前行程为d，其中a、b、c、d均为自然数，单位为mm，+1表示电机行程增加一个单位,
‑
1表示电机行程减少一个单位,1代表电动行程长度为0.05mm，该行程由电控柜2内部的plc控制。
[0048]
如图7所示，所述自动调节系统的控制方法包括以下步骤：
[0049]
s1：根据激光线扫描头5第一条扫描的结果，计算出初始标准参数f0，再发送驱动指令以分别增加电机a、电机b连杆的一个单位的行程，即a+1，b+1；然后计算调整后的标准参数f，并与初始标准参数f0进行对比；
[0050]
s2：开启纵向方向自适应调整：如果标准参数f增大,则继续发送驱动指令以分别增加前端电机即电机a、电机b连杆的一个单位的行程，即a+1，b+1；如果标准参数f减小,则发送驱动指令以增加后端电机即电机c、电机d连杆的一个单位的行程，即c+1，d+1；当判定任何一个电机的连杆行程达到极限时,发送驱动指令使该达到极限的电机的连杆行程减少一个单位；
[0051]
s3：反复重复步骤s2，直至位于纵向方向上的两个电机连杆行程都达到极限或标记参数f大于80％时,判定纵向方向自适应调整结束；
[0052]
s4：当纵向自适应调整结束,且标记参数f小于等于80％时,则发送驱动指令以分别减少电机a、电机c连杆的一个单位的行程，即a
‑
1且c
‑
1；
[0053]
s5：再次重复s2和s3，当纵向自适应调整结束后,如果标记参数依然小于等于80％,则比较当前与上一次的标记参数f的计算结果；
[0054]
如果标记参数f值相对减少,则发送驱动指令以分别减少电机b、电机c连杆的一个单位的行程，即b
‑
1且c
‑
1；如果标记参数f值相对增加,则继续发送驱动指令以分别减少电机a、电机c连杆的一个单位的行程,即a
‑
1且c
‑
1；
[0055]
s6.反复重复步骤s2,直至标记参数f大于80％。
[0056]
图8是同一段钢板自适应调整前后扫描结果对比，左侧为调整前，右侧为调整后
[0057]
因各种外部因素影响，例如钢板和所测试位置托辊的水平状态、激光头的检测角度、水平平台与地面之间的相对放置位置等，平台推入至钢板上方后，能直接获得最佳效果的可能性微乎其微。通常实际获取的钢板线扫描结果如图5所示的弧oa，而实际线扫描最佳的目标状态为线oa，采用弧oa这类的实际激光线扫描结果，往往极难实现最终修正。
[0058]
因此本发明构建了控制算法，并通过四台升降电机实现了对激光头的适应性自动调节:
[0059]
1)设单行线扫描数据的起点和终点所在的点分别为o和a点，且这两点所在的目标
直线函数为y＝kx,其中k为通过o和a两点所确定目标直线函数的斜率，例如，当x＝x1时，y1＝kx1；式中目标直线函数y为目标曲线的方程，其中k为该直线方程的斜率。
[0060]
2)设实际测量结果的弧oa所在的函数为p＝f(x)，实际获取的弧oa的波动很大，但必定是函数，例如，当x＝x1时候，p1＝f(x1)，且p1实际就是在x＝x1时线扫描测量在位置序号为1点上的实际结果；
[0061]
3)设
△
y1＝p1‑
y1，既实际与目标之间的差量
△
y；设y；设既在位置序号为1的点上实际与目标之间的差量百分比为λ1；
[0062]
4)设o点对应的x为x1，a点对应的x为x
n
，其中n为o点至a点之间的实际测量点数量；
[0063]
设当λ
n
≤5％时，计η
n
＝1；设当λ
n
＞5％时，计η
n
＝0，其中n为1,2,3
…
n的集合；n为实际测量点位置序号；λ
n
＝
△
y
n
/y
n
×
100％,
△
y
n
＝p
n
‑
y
n
；其中，当λ
n
≤5％时，计合格系数η
n
＝1；设当λ
n
＞5％时，计合格系数η
n
＝0，其中n为1,2,3
…
n的集合；n为实际测量点位置序号；λ
n
为第n个测量点的实际测量值与目标值之间的差量百分比为；p
n
为第n个测量点线扫描测量的实际结果；y
n
为第n个测量点线扫描测量的目标结果，即y
n
＝kx
n
；
[0064]
5)核心标记参数f的计算公式如下：
[0065][0066]
当n取1时标准参数f的计算结果作为初始标准参数f0。
[0067]
本发明的实际外部操作过程如下：
[0068]
1)首先依照图3所示将高精度激光线扫描头5即激光线扫描头5通过支架平板15和螺栓(连接并固定在一起，然后通过上端的锁扣13将激光头联动机构整体套入可转向的圆轴4，光缆通过保护线槽19接入电控柜2。
[0069]
2)通过万向轮8将平衡梁3和挂有激光头联动机构的圆轴4推入待测板材上端，目测观察将线扫描激光光线与钢带运行方向基本垂直即可。
[0070]
3)首先升高定位定螺栓，使万向轮8脱离地面，然后通过外置的水平尺和调节定位螺栓7将底部平台调至水平，避免基本水平误差过大而超过自动调平系统所能调节的范围。
[0071]
4)启动自动调节系统完成对激光头的适应性调节。
[0072]
5)适用性调节完成后激光头进行连续测量，完成激光扫描测试工作，获取的数据为激光线扫描测量的实际结果，对板面轮廓进行全景状态表征。
[0073]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。