CN103673933A - 长导轨直线度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种长导轨直线度测量装置，包括测量头、角锥镜装置和计算机；测量头包括激光器，依次排列在激光器出射光路上的第一反射镜、第二反射镜、第一激光准直扩束镜、光阑、第三反射镜、分光镜和窗口玻璃，位于测量光路上的第二激光准直扩束镜、窄带滤光片、光电位置传感器、信号处理电路和数据采集卡；角锥镜装置主要由角锥镜、固定角锥镜的可调机构和定位驱动机构组成；通过USB方式与数据采集卡相连接的计算机，用于计算并实时显示位置信息；本发明可测量超长导轨直线度，具有测量简单，使用方便，成本低等特点。

Description

长导轨直线度测量装置

技术领域

本发明涉及导轨，特别是一种长导轨直线度的测量装置。 

技术背景

直线度是几何量测量领域中最基本、最重要的一项内容，同时也是平面平行度、垂直度、同轴度等几何量的测量基础。直线度测量在铁路导轨、电梯导轨、物料传输带等的制造与安装方面有着广泛的应用。 

目前，直线度测量技术很多。根据查询相关专利，有以下相关测量技术： 

公知技术[1]一种便携式自动钢轨直线测量同位图形显示仪，申请日为2003年6月26日的中国专利03232531.2。直线位移传感器置于直线导轨上，由微电机驱动在直线导轨上运动；与检测范围等长的显示屏由多个小显示屏拼接而成；位移传感器采集到的信号经处理后由显示屏上显示与被测钢轨同位的二维曲线图形。根据显示曲线的形态能很直观的看到被测钢轨弯曲变形的方向及与钢轨上各对应点弯曲变形的数值。 

公知技术[2]导轨直线度测量装置，申请日为2012年04月13日的中国专利201220156188.5。一种导轨直线度测量装置，包括投影机、测量光栅、待测导轨、基准光栅、摄像机、计算机、电机，测量光栅设在投影机的光源出口处，基准光栅设在摄像机上的镜头处，投影机、摄像机以穿过待测导轨的中点的垂直线为对称线呈对称设置；电机与测量光栅相连，计算机与摄像机相连。利用投影机投射光栅图像于待测导轨表面上，在导轨表面上形成由导轨表面形状所调制的变形光栅条纹图像，摄像机通过基准光栅拍摄变形光栅与基准光栅所形成的莫尔条纹图像，由条纹图像便可以重现导轨的三维形貌，进而利用计算机计算导轨直线度。该装置适合于长度短的导轨直线度测量。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种长导轨直线度的测量装 置。该装置的测量过程简单，使用方便，成本底，可测量长导轨的直线度。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种长导轨直线度的测量装置，其特点在于该装置包括测量头、角锥镜装置和计算机，所述的测量头包括激光器，沿该激光器的激光输出光路上依次是第一反射镜、第二反射镜、第一激光准直扩束镜、光阑、第三反射镜、分光镜和测量头的窗口玻璃，位于测量光路上的第二激光准直扩束镜、窄带滤光片、光电位置传感器、信号处理电路和数据采集卡，所述的角锥镜装置由角锥镜、固定角锥镜的可调机构和定位驱动机构组成，测量时，所述的测量头和计算机固定在待测长导轨的一端之外，所述的角锥镜装置放置在待测长导轨的另一端上，所述的测量头的数据采集卡通过USB电缆与所述的计算机的输入端连接。 

所述的测量头置于调节机构上，该调节机构自上而下由载物台、升降锁紧环、水平向调节钮、俯仰调节钮、底板和调整脚构成，承物台主要功能是支撑和固定测量头；当松开升降锁紧环，旋转测量头，实现高低升降调节，完成调节后，锁紧升降锁紧环；水平向调节钮用于调节测量头的水平方位角度；俯仰调节钮用于调节测量头的俯仰倾角；底板用于支撑；所述的调整脚可以实现水平、俯仰、升降三维粗调节。 

所述的角锥镜装置包括角锥镜、角锥镜调节机构和定位驱动机构，所述的角锥镜装置具有水平、高低和俯仰调节功能。 

激光器出射的激光束依次经过第一反射镜、第二反射镜、第一激光准直扩束镜、光阑、第三反射镜、分光镜和窗口玻璃后，激光束射出测量头，照射到放置在待测长导轨上方的角锥镜上，并被角锥镜反射，再次通过窗口玻璃返回到分光镜，经分光镜透射，经第二激光准直扩束镜压缩，透过窄带滤光片，照射到光电位置传感器上，该光电位置传感器输出的电流信号经信号处理电路处理后转换成电压信号，该电压信号被数据采集卡采集并通过USB方式传输到计算机中，由计算机计算并实时显示位置信息。 

激光器射出的激光束被第一反射镜、第二反射镜折转到第一激光准直扩束镜内，固定第一反射镜、第二反射镜的机构中有3个顶丝，通过调节顶丝，改变激光束的方向，使激光束通过第一激光准直扩束镜光轴出射；第一激光准直扩束镜是由一组双胶合正透镜和一片负透镜构成的伽利略望远镜，对激光束进行扩束与准直，减小激光束的发散角；光阑用于拦光，提供符合测量需求的激光光束口径；固定第三反射 镜的机构中也有3个顶丝，用于改变射出测量头的激光束方向；分光镜用于反射出射激光束和接收入射激光束，并将入射激光束透射；窗口玻璃用于防止外界环境中的灰尘进入测量头内部，避免对测量产生影响；角锥镜具有逆向反射的光学特性，用于将入射激光束的角度折转180°后平行于入射激光束射出，且出射激光束相对入射激光束在位置上产生偏移；第二激光准直扩束镜倒置放置，其入射口径大，出射口径小，用于压缩进入第二激光准直扩束镜的激光束，使其射入到光电位置传感器的有效感光区域上；光电位置传感器是以接收到光斑的位置作为模拟信号输出的半导体器件，其输出是以电流的形式体现出来，由于光电位置传感器易受暗电流和外界杂散光等影响测量结果，测量光路中采用窄带滤光片过滤杂散光，减小外界杂散光对测量结果的干扰；信号处理电路主要用于将光电位置传感器输出的电流信号转换为适当的小电压信号，并对小电压信号进行放大；数据采集卡自动采集经信号处理电路处理后的电压信号；计算机主要负责计算并显示测量结果。 

角锥镜装置的调节机构具有水平、高低向位置调节能力，可使激光束通过所述的角锥镜的对称中线上，此时，激光束按原路返回，入射激光束与反射激光束无位置偏移；定位驱动机构用于控制所述角锥镜装置在导轨上移动的状态和位置，针对不同型号和规格的待测导轨，所述的角锥镜装置具有不同的固定机构和移动方式；对于传输带的直线度测量，可将所述的角锥镜装置放置在传输带上，由传输带带动所述的角锥镜装置移动进行测量；对于直线导轨，所述的定位驱动机构驱动所述的角锥镜装置，使其移动，实现导轨的直线度测量，故不能以此限制本发明所述的角锥镜装置的保护范围。 

测量时，将角锥镜装置放置在待测导轨的某一端，调整角锥镜的调节机构，使入射光束与反射光束无位置偏移，并以此处作为测量的起始点，所述的角锥镜的通光面垂直于待测导轨水平基面；建立o-xyz空间坐标系，x方向、y方向和z方向满足左手定则，角锥镜的通光面平行于xoy平面，x方向和y方向分别为角锥镜的通光面上的水平方向和竖直方向，z方向为角锥镜装置移动方向，o为角锥镜对称中心；将计算机和测量头放置在待测导轨另一端之外，测量头正对着角锥镜，通过调整测量头，使得射出测量头的激光束与待测导轨水平面平行且通过角锥镜对称中线上，以该激光束作为理想准直线，该激光束返回射入测量头后，也将照射到光电位置传感器的中心；移动角锥镜装置从待测导轨一端移动到另一端，如果入射到角锥镜的 通光面上的激光束，相对于角锥镜的对称中心o沿x方向和y方向上偏移Δ_x和Δ_y，则从角锥镜的通光面反射后的激光束，沿x方向和y方向上将偏移-Δ_x和-Δ_y，其总偏移量分别为2Δ_x和2Δ_y。最终计算机实时显示并记录的各点数据，就是待测导轨上各点偏离理想准直线的偏离量，该偏离量即为待测导轨直线度的误差。 

与在先技术相比，本发明的技术效果如下： 

1、本发明装置测量长导轨的直线度，使用方便，成本低，可以测量超长导轨或传输带的直线度； 

2、本装置采用角锥镜装置作为直线度测量中的基准移动部件，没有复杂的信号处理电路，减少了外界干扰，同时提供了测量的便利性； 

3、本装置测量过程及数据采集、处理和显示全部自动进行，可以减少人为误差、降低劳动强度，极大的提高了测量效率。 

附图说明

图1为本发明长导轨直线度的测量装置结构示意图 

图2为本发明测量头外观示意图 

图3为本发明角锥镜装置外观示意图 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

实施例 

本发明长导轨直线度测量装置实施例的结构如图1所示，所述的长导轨直线度测量装置由测量头1、角锥镜装置2和计算机3组成；所述的测量头1包括激光器101，沿激光器101出射光路上依次是第一反射镜102、第二反射镜103、第一激光准直扩束镜105、光阑106、第三反射镜104、分光镜107、窗口玻璃108，位于测量光路上的第二激光准直扩束镜109、窄带滤光片110、光电位置传感器111、信号处理电路112和数据采集卡113；所述的角锥镜装置2由角锥镜201、固定角锥镜的调节机构202和定位驱动机构203组成，测量时，所述的测量头和计算机固定在待测导轨的一端之外，所述的角锥镜装置放置在待测导轨的另一端上，所述的测量头 的数据采集卡通过USB电缆与所述的计算机的输入端连接；其中，所述的信号处理电路112和所述的数据采集卡113属于通用技术，本发明不作详细阐述；所述的角锥镜装置2由角锥镜201、固定角锥镜201的可调机构202和定位驱动机构203组成。 

所述的测量头1具有调节机构，该调节机构自上而下由载物台4、升降锁紧环5、水平向调节钮6、俯仰调节钮7、底板8和调整脚9构成，所述的载物台4主要功能是支撑和稳固测量头；当松开升降锁紧环，旋转测量头，实现高低升降调节，完成调节后，需锁紧书所的升降锁紧环5；所述的水平向调节钮6用于调节所述的测量头1的水平方位角度；所述的俯仰调节钮7用于调节所述的测量头1的俯仰倾角；所述的底板8用于支撑；所述的调整脚9共3个，可以实现水平、俯仰、升降三维粗调节。 

所述的角锥镜装置2包括角锥镜201、角锥镜调节机构202和定位驱动机构203，所述的角锥镜调节机构202具有水平、高低和俯仰调节功能。 

所述的激光器101出射的激光束依次经过第一反射镜102、第二反射镜103、第一激光准直扩束镜105、光阑106、第三反射镜104、分光镜107和窗口玻璃108后，激光束射出测量头1，照射到放置在待测导轨上方的角锥镜201上，并被所述的角锥镜201反射，再次通过所述的窗口玻璃108返回到所述的分光镜107，被所述的分光镜107透射，经所述的第二激光准直扩束镜109压缩，透过所述的窄带滤光片110，照射到所述的光电位置传感器111上，所述的光电位置传感器111输出的电流信号经所述的信号处理电路112处理后转换成电压信号，该电压信号被所述的数据采集卡113采集并通过USB方式传输到所述的计算机3中，由所述的计算机3实时显示位置信息。 

所述的激光器101提供波长为0.6328μm、发散角为1.5mrad的光源，且出射口径为0.6mm；所述的第一反射镜102、第二反射镜103用于将激光束折转到第一激光准直扩束镜105内，并且固定第一反射镜102、第二反射镜103的机构中有3个顶丝，可以通过调节顶丝，改变激光束的方向，使激光束经过第一激光准直扩束镜105的光轴出射；所述的第一激光准直扩束镜105是由一组双胶合正透镜和一片负透镜构成的伽利略望远镜，其扩束比为30倍，则第一激光准直扩束镜105出射光瞳处的发散角为1.5mrad/30=0.05mrad，出射激光束光斑大小为0.6mm×30=18mm，故减小了激光束的发散角，同时准直和扩束了激光束；所述的光阑106用于拦光，提供符合测量需求的激光光束口径；固定第三反射镜104的机构中也有3个顶丝，用 于改变射出测量头1的激光束方向；所述的分光镜107用于将激光束反射射出测量头1和将射入测量头1的激光束透射；所述的窗口玻璃108用于防止外界环境中的灰尘进入测量头1内部，避免对测量产生影响；所述的角锥镜201具有逆向反射的光学特性，用于将入射激光束的角度折转180°后平行于入射激光束射出，且出射激光束相对入射激光束存在位置偏移；所述的第二激光准直扩束镜109倒置放置，其扩束比为6倍，进光口径为36mm，出光口径为36mm/6=6mm，用于压缩进入所述的第二激光准直扩束镜109内的激光束，且所述的第二激光准直扩束镜109出瞳处的激光束相对其光轴中心距离是入瞳处激光束相对其光轴中心距离的1/6倍。所述的光电位置传感器111是以激光束光斑的位置作为模拟信号输出的半导体器件，其输出是以电流的形式体现出来，由于所述的光电位置传感器111易受暗电流和外界杂散光等影响测量结果，测量光路中采用窄带滤光片110过滤杂散光，减小暗电流和外界杂散光对测量结果的干扰；所述的信号处理电路112主要用于将所述的光电位置传感器111输出的电流信号转换为适当的小电压信号，并对小电压信号进行放大；所述的数据采集卡113自动采集经信号处理电路112处理后的电压信号；所述的计算机3主要负责显示测量结果。 

所述的角锥镜装置2的可调机构202具有水平、高低向位置调节能力，可使激光束通过所述的角锥镜201的对称中线上，此时，激光束按原路返回，入射激光束与反射激光束无位置偏移；所述的定位驱动机构203用于控制角锥镜装置在导轨上移动的状态和位置，针对不同型号和规格的待测导轨，所述的角锥镜装置2具有不同的固定机构和移动方式；对于传输带的直线度测量，可将所述的角锥镜装置2放置在传输带上，由传输带带动所述的角锥镜装置2移动进行测量；对于直线导轨，所述的定位驱动机构203驱动所述的角锥镜装置2使其移动，实现导轨的直线度测量，故不能以此限制本发明所述的角锥镜装置2的保护范围。 

将所述的角锥镜装置2放置在待测导轨上方的某一端，并以此处作为测量的起始点，且所述的角锥镜201的通光面垂直于待测导轨的水平基面；建立o-xyz空间坐标系，x方向、y方向和z方向满足左手定则，所述的角锥镜201的通光面平行于xoy平面，x方向和y方向分别为所述的角锥镜201的通光面上的水平方向和竖直方向，z方向为所述的角锥镜装置2移动方向，o为所述的角锥镜201对称中心；将所述的计算机3和测量头2放置在待测导轨的另一端之外，所述的测量头1正对着角 锥镜201，通过调整所述的测量头1，使得射出所述的测量头1的激光束与待测导轨水平面平行且通过所述的角锥镜201的对称中线上，以该激光束作为理想准直线，该激光束射入所述的测量头1后，也将照射到所述的光电位置传感器111的中心；所述的角锥镜装置2从待测导轨一端移动到另一端，如果入射到所述的角锥镜201的通光面上的激光束，相对于所述的角锥镜201的对称中心o沿x方向和y方向上偏移Δ_x和Δ_y，则从所述的角锥镜201的通光面反射后的激光束，沿x方向和y方向上将偏移-Δ_x和-Δ_y，其总偏移量分别为2Δ_x和2Δ_y。最终所述的计算机3实时显示并记录的各点数据就是待测导轨上各点偏离理想准直线的偏离量，该偏离量即为待测导轨直线度误差。 

Claims (3)

1.一种长导轨直线度的测量装置，其特征在于该装置包括测量头、角锥镜装置和计算机，所述的测量头包括激光器，沿该激光器的激光输出光路上依次是第一反射镜、第二反射镜、第一激光准直扩束镜、光阑、第三反射镜、分光镜和测量头的窗口玻璃，位于测量光路上的第二激光准直扩束镜、窄带滤光片、光电位置传感器、信号处理电路和数据采集卡，所述的角锥镜装置由角锥镜、固定角锥镜的调节机构和定位驱动机构组成，测量时，所述的测量头和计算机固定在待测长导轨的一端之外，所述的角锥镜装置放置在待测长导轨的另一端上，所述的测量头的数据采集卡通过USB电缆与所述的计算机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的长导轨直线度的测量装置，其特征在于所述的测量头固定在调节机构上，该调节机构自上而下由载物台、升降锁紧环、水平向调节钮、俯仰调节钮、底板和调整脚构成，承物台是支撑和固定所述的测量头；当松开升降锁紧环，旋转测量头，实现高低升降调节，完成调节后，锁紧升降锁紧环；水平向调节钮用于调节测量头的水平方位角度；俯仰调节钮用于调节测量头的俯仰倾角；底板为支撑；所述的调整脚实现水平、俯仰、升降三维粗调节。

3.根据权利要求1或2所述的长导轨直线度的测量装置，其特征在于所述的角锥镜装置包括角锥镜、角锥镜调节机构和定位驱动机构，所述的角锥镜装置具有水平、高低和俯仰调节功能。

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