一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置

1.本公开涉及仪器测量和校准领域，具体涉及一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.激光跟踪仪是一种新型大尺寸空间测量仪器，在航空航天、能源机械、大科学装置等大型装备制造领域具有广泛应用。
3.目前国内激光跟踪仪的生产制造厂家较少，对于跟踪仪几何结构误差检测及调整的方法的相关技术专利和文献报道也非常有限。部分文献或专利对于激光跟踪仪俯仰轴和方位轴垂直度、光轴和方位轴垂直度与相交度误差的检定方法和装置进行了研究。在激光跟踪仪的几何结构中，俯仰轴和方位轴是跟踪仪的关键轴系。俯仰轴、方位轴以及光轴三轴需要相互相交并垂直，方位轴可以承载跟踪头在水平方向上进行旋转，俯仰轴可以将跟踪头在垂直方位上进行旋转，两者共同作用使得跟踪仪在测量空间内可以进行三维空间内的旋转。跟踪仪的方位轴和俯仰轴的在理想情况下应该相交并垂直，但由于机械结构存在加工和装调误差，导致跟踪仪俯仰轴与方位轴不垂直，即俯仰轴和方位轴相互倾斜存在一定夹角，该倾斜夹角称为俯仰轴和方位轴的垂直度误差，该误差使跟踪仪光束偏离理想位置，从而产生测量误差。
4.因此，需研究高精度的检测手段，检测出跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差，以利于对跟踪仪轴系的精确调整及误差修正。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置，旨在提供一种非接触测量、操作简便及精度较高的提取跟踪仪俯仰轴的轴线位置的检测装置及其检测方法。
6.本公开的第一个方面提供了一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置，包括：第一圆柱体检棒、第二圆柱体检棒以及投影图像测量仪；其中，第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒分别设置于激光跟踪仪两侧的俯仰轴上；投影图像测量仪包括：发射器和接收器，其中，第一圆柱体检棒设置于发射器及接收器之间；其中，发射器用于发射led光照射至第一圆柱体检棒上，接收器用于显示led光被第一圆柱体检棒或第二圆柱体检棒部分遮挡后形成的光影，以得到第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的中心轴线位置；根据第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的中心轴线位置偏差及检测端面距离，得到激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差。
7.进一步地，第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒分别通过转接件与激光跟踪仪两侧的俯仰轴的端面连接；其中，转接件用于调节第一圆柱体检棒和/或第二圆柱体检棒的方位。
8.进一步地，检测端面距离为第一圆柱体检棒的检测端面到第二圆柱体检棒的检测
端面之间的距离。
9.进一步地，接收器的垂直基准线与水平基准线在该检测装置检测过程中始终保持不变。
10.进一步地，第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的直径相同。
11.进一步地，还包括：第一支撑架，用于固定支撑发射器；第二支撑架，用于固定支撑接收器。
12.进一步地，发射器发射的led光与激光跟踪仪俯仰轴垂直。
13.进一步地，激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差满足以下关系：
14.θ＝arctan(|a-b|/cd)
15.其中，θ表示激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差；a表示第一圆柱体检棒的中心轴线位置所对应的数值；b表示第二圆柱体检棒的中心轴线位置所对应的数值；cd表示检测端面距离。
16.本公开的第二个方面提供了一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测方法，包括：将本公开第一个方面提供的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置中的第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒安装在激光跟踪仪两侧的俯仰轴上，以及，第一圆柱体检棒设置于发射器及接收器之间；利用发射器发射led光照射至第一圆柱体检棒上，以使接收器显示led光被第一圆柱体检棒部分遮挡后形成的光影，得到第一圆柱体检棒的中心轴线位置；将激光跟踪仪围绕其方位轴旋转180
°
，以使接收器显示led光被第二圆柱体检棒部分遮挡后形成的光影，得到第二圆柱体检棒的中心轴线位置；根据第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的中心轴线位置偏差及检测端面距离，得到激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差。
17.进一步地，该方法还包括：通过调节第一转接件和/或第二转接件的位移和角度，以调节第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的方位，使得第一圆柱体检棒及第二圆柱体检棒的中心轴线与激光跟踪仪俯仰轴的中心轴线重合。
18.本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
19.(1)、该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置通过同轴圆柱检验棒和投影图像测量仪可以对激光跟踪仪的俯仰轴和方位轴垂直度进行检测，其测量流程简单，无需接触，测量精度高，可以满足激光跟踪仪轴系相交度误差高精度检测的需求。
20.(2)、该检测方法适用于绝大部分二维转台的轴系垂直度误差检测的精度，可满足精密装配和检测中二维转台垂直度检测的需求。
附图说明
21.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
22.图1示意性示出了本公开实施例的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置的俯视图；
23.图2示意性示出了本公开实施例的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置的左视图；
24.图3示意性示出了本公开实施例的接收器上的投影轮廓示意图；
25.图4示意性示出了本公开实施例的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测
装置的主视图；
26.图5示意性示出了本公开实施例的图4中局部区域o的放大示意图。
具体实施方式
27.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
28.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
29.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
30.图1示意性示出了本公开实施例的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置的俯视图。
31.如图1所示，该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置，包括：第一圆柱体检棒5、第二圆柱体检棒6以及投影图像测量仪。其中，第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6分别设置于激光跟踪仪7两侧的俯仰轴2上。投影图像测量仪包括发射器10和接收器11，其中，第一圆柱体检棒5设置于发射器10及接收器11之间，且非接触设置；发射器10用于发射led光照射至第一圆柱体检棒5上，接收器11用于显示led光被第一圆柱体检棒5或第二圆柱体检棒6部分遮挡后形成的光影，以得到第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的中心轴线位置；根据第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的中心轴线位置偏差及检测端面距离，得到激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差。
32.本公开的实施例中，第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6相对设置于激光跟踪仪7两侧的俯仰轴2上。如图1所示为第一圆柱体检棒5设置于激光跟踪仪7左侧的俯仰轴2上，第二圆柱体检棒6设置于激光跟踪仪7右侧的俯仰轴2上。需说明的是，如图1所示仅为示例性的说明，并不构成第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的限定，例如：第二圆柱体检棒6也可以设置于激光跟踪仪7左侧的俯仰轴2上，第一圆柱体检棒5设置于激光跟踪仪7右侧的俯仰轴2上，其根据激光跟踪仪7上的俯仰轴2位置进行设定，本公开的实施例对第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的位置关系不做限定。
33.具体地，第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6分别通过转接件与激光跟踪仪7两侧的俯仰轴2的端面连接；其中，转接件用于调节第一圆柱体检棒5和/或第二圆柱体检棒6的方位。如图1所示，第一圆柱体检棒5通过第一转接件8与俯仰轴2的端面3连接，第二圆柱体检棒6通过第二转接件9与俯仰轴2的端面4连接；反之亦可。本公开的实施例中，优选第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的直径相同。
34.本公开的实施例中，通过调节第一转接件8和/或第二转接件9的位移和角度，可调节第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的方位，使得第一圆柱体检棒5和第二圆柱体检棒6
的中心轴线与激光跟踪仪7的俯仰轴2的中心轴线重合。
35.如图2所示，该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置还包括：第一支撑架12，用于固定支撑发射器10；第二支撑架13，用于固定支撑接收器11。本公开的实施例中，通过第一支撑架12及第二支撑架13将投影图像测量仪的发射器10和接收器11进行固定，并将第一支撑架12、第二支撑架13与激光跟踪仪7架设在同一测量平台上，调节发射器10及接收器11使得光轴对齐，使其投射方向与激光跟踪仪7的俯仰轴2垂直。
36.具体地，发射器10发射led光照射至第一圆柱体检棒5上，被第一圆柱体检棒5部分遮挡后剩下的led光在接收器11上形成检棒的阴影部分，如图3所示，其中，接收器11上的垂直基准线14与水平基准线15垂直，且始终保持位置不变。通过接收器11读取第一圆柱体检棒的中心轴线位置16，其中，中心轴线位置16在接收器11上显示为一数值a。需说明的是，发射器10发射的led光可以为led平行光等。
37.本公开的实施例中，通过将第一圆柱体检棒5放置于投影图像测量仪的发射器10和接收器11之间，则可以根据接收器11上第一圆柱体检棒5的阴影轮廓将第一圆柱体检棒5的中心轴线的位置检测出来，完成对被测物体进行无接触式尺寸的测量。
38.进一步地，为检测得到第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的中心轴线位置偏差，将激光跟踪仪7围绕方位轴1旋转180
°
后，投影图像测量仪检测激光跟踪仪7另一端的第二圆柱体检棒6，如图4所示。led光被第二圆柱体检棒6部分遮挡后在接收器11上形成第二圆柱体检棒6的阴影部分，在接收器11上同样可以读取第二圆柱体检棒6的中心轴线位置17，中心轴线位置17在接收器11上显示一数值b，如图5所示。检测过程中，接收器11上的垂直基准线14与水平基准线15始终保持不变。
39.根据第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的中心轴线位置偏差及检测端面距离，得到激光跟踪仪7俯仰轴和方位轴的垂直度误差，其中，检测端面距离为第一圆柱体检棒5的检测端面到第二圆柱体检棒6的检测端面之间的距离cd。因此，可得到激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差与检测端面距离cd具体满足以下关系：
40.θ＝arctan(|a-b|/cd)
41.其中，θ表示激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差，a表示第一圆柱体检棒5的中心轴线位置所对应的数值，b表示第二圆柱体检棒6的中心轴线位置所对应的数值，cd表示检测端面距离。
42.本公开的实施例中，基于激光跟踪仪的实际装配需求，提供了一种基于圆柱检验棒和投影图像测量仪的检测装置，该检测装置测量原理简单，无接触测量，操作简便，精度较高，利用在线投影图像测量仪可以方便地提取跟踪仪俯仰轴的轴线位置，可为激光跟踪仪的俯仰轴和方位轴垂直度检测提供一种简单有效的检测新方法。
43.本公开的实施例还提供一种激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测方法，该方法基于如图1所示的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置实现，具体包括：步骤s101～s104。
44.s101，将该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置中的第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6安装在激光跟踪仪两侧的俯仰轴上，以及，第一圆柱体检棒5设置于发射器10及接收器11之间。本公开的实施例中，可通过调节第一转接件8和/或第二转接件9的位移和角度，以调节第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的方位，使得第一圆柱体检棒5
及第二圆柱体检棒6的中心轴线与激光跟踪仪俯仰轴的中心轴线重合。
45.s102，利用发射器10发射led光照射至第一圆柱体检棒5上，以使接收器11显示led光被第一圆柱体检棒5部分遮挡后形成的光影，得到第一圆柱体检棒5的中心轴线位置，该第一圆柱体检棒5的中心轴线位置在接收器11显示为一数值a。
46.s103，将激光跟踪仪7围绕其方位轴旋转180
°
，以使接收器11显示led光被第二圆柱体检棒6部分遮挡后形成的光影，得到第二圆柱体检棒6的中心轴线位置，该第二圆柱体检棒6的中心轴线位置在接收器11显示为一数值b。
47.s104，根据第一圆柱体检棒5及第二圆柱体检棒6的中心轴线位置偏差及检测端面距离，得到激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差。
48.需说明的是，该方法基于如图1所示的激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置实现，该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置的具体结构及检测原理如上述实施例所示，此处不再详细赘述。
49.本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
50.(1)、该激光跟踪仪俯仰轴和方位轴的垂直度误差检测装置通过同轴圆柱检验棒和投影图像测量仪可以对激光跟踪仪的俯仰轴和方位轴垂直度进行检测，其测量流程简单，无需接触，测量精度高，可以满足激光跟踪仪轴系相交度误差高精度检测的需求。
51.(2)、该检测方法适用于绝大部分二维转台的轴系垂直度误差检测的精度，可满足精密装配和检测中二维转台垂直度检测的需求。
52.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
53.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
54.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。