CN103499355B - 一种激光投线仪校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光投线仪校准系统，包括底座、支架、8个采样光管；支架固定在底座上，采样光管固定在支架上；每个采样光管均包括平行光管、数字相机、镜头定位套筒、光管套，平行光管通过光管套固定在支架上，镜头定位套筒固定在平行光管上，数字相机依次通过接口转换件、镜头套筒与镜头定位套筒连接；数字相机前端设置有USB接口；本发明与光管微小角度测量、机器视觉测量技术、数据融合等技术结合对激光投线仪进行精度检测及校准，检测结果能够量化、存储及建库管理。本发明装配拆解方便，校准简单，占地面积小，且可以大大减小激光对人眼的伤害，减轻人员工作量，避免人的主观因素的影响，同时提高了检测校准的效率与精度。

Description

一种激光投线仪校准系统

技术领域

本发明涉及一种激光投线仪校准系统，尤其涉及一种基于机器视觉测量技术的激光投线仪数字化检测校准系统。

背景技术

激光投线仪是一种新型的激光类小型化测绘测量仪器，由于成本低廉、操作简单、精度可靠以及非接触式的测量方式，使得激光投线仪在机械加工、家具制造、建筑装潢等相关领域得到普及，市场前景广阔。它大多采用635nm激光二极管，可以在墙面等被射物体表面上投射出可见的红色水平直线和铅垂直线，起到标定基准线的作用，所以又称激光投线仪为激光标线仪。近年来又出现了采用波长为532nm的绿光激光的投线仪，视觉效果更好。

激光投线仪的安平结构有重力摆结构和电子安平结构两种。其达到安平状态后便可投射出精度很高的水平直线和铅锤直线，水平直线和铅锤直线构成正交平面。一个简单的激光投线仪只有一条水平直线，复杂的有4条水平直线和4条前垂直线。2条或2条以上的铅垂直线会在天顶相交并产生一个天顶点。铅垂直线分为共面直线和正交直线。

激光投线仪在出厂前都会经过校准，对激光直线的直线度、垂直度和天顶点的位置度等指标进行检测，确保其达到国家规定的标准或业界统一标准。传统的校准方式需要在足够远的距离处放置对应的校准靶板，然后是激光直线投射到各个靶板上面，通过闭路监视系统将画面汇集到显示器由人眼判断检测结果。此方法占地面积大，容易因检验员疲劳而发生误判，并且难以对测量值量化，不利于管理。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种激光投线仪校准系统，以解决激光投线仪校准问题，为相关行业提供简单、可靠的检测校准工具及解决方案。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种激光投线仪校准系统，包括底座、支架、8个采样光管；支架固定在底座上，采样光管固定在支架上；

每个采样光管均包括平行光管2、数字相机3、镜头定位套筒7、光管套8，平行光管2通过光管套8固定在支架上，镜头定位套筒7固定在平行光管2上，数字相机3依次通过接口转换件27、镜头套筒26与镜头定位套筒7连接；数字相机3前端设置有USB接口；

所述的8个采样光管包括的8个平行光管分别为平行光管2、平行光管48、平行光管49、平行光管50、平行光管51、平行光管52、平行光管53、平行光管54；

平行光管2和平行光管54标定了铅锤面V1；平行光管54和平行光管53标定了铅锤面V2；平行光管54、平行光管49和平行光管51标定了铅锤面V3；平行光管48、平行光管50和平行光管52标定了水平面H；铅锤面V1和铅锤面V2处在同一平面，铅锤面V3垂直于铅锤面V1和铅锤面V2所在的平面，水平面H垂直于铅锤面V1、V2、V3所在的平面。

所述接口转换件27通过接口转换件定位螺钉6固定在镜头套筒26上，镜头套筒26通过镜头套筒定位螺丝22固定在镜头定位套筒7上，镜头定位套筒7通过镜头定位套筒定位螺丝23固定在平行光管2上，平行光管2通过平行光管微调定位螺丝4固定在光管套8上，光管套8通过光管套固定螺栓固定在支架上。

所述底座为半圆形，所述支架包括前支架、后支架、侧支架，后支架固定在半圆形的直边上，前支架及侧支架固定在半圆形的弧形边上。

所述支架包括上杆和下杆；下杆内为空腔，上杆设置在空腔内且在空腔内上下移动，并通过固定旋钮与下杆固定。

所述上杆外表面设置有外螺纹，下杆内表面设置有内螺纹，上杆通过螺纹在下杆中旋进或旋出。

使用时，每个采样光管的数字相机都通过USB数据线连接至USB集线器，USB集线器连接至电脑USB端口。本发明采集投射到平行光管分划板的激光直线的图像，通过放置在平行光管后面的数字相机将图像拍摄下来，并将图像通过USB数据线传输到电脑端；高速的USB2.0保证数字相机拍摄的图像可以实时显示在计算机屏幕上；利用机器视觉测量技术对采集的图片按照控制软件(为此系统编写的算法)进行分类计算，最后由电脑将计算结果整合到一起，并将检测的各个量值和判断的结果通过计算机显示器反馈给操作员。操作员根据反馈的结果将合格的产品的检测参数以excel文件保存在电脑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过在水平、垂直、正交方向架设的8个采样光管，分别采集水平激光直线、铅锤激光直线和正交激光直线，其中的采样光管在使得装配调教方便的同时保证了数字相机可以拍摄到清晰的图像，并最大程度的减少外界环境对图像的影响。

2、本发明中的底座和支架全部为钢结构，可以提供足够的刚度，保证测量校准工作的顺利准确的进行；其占地面积小，长宽高均控制在1.5米内，装配方便。

3、本发明使用时通过机器视觉测量技术与相应的软件的配合来代替人眼完成检验测量工作，并加入了平行光管的测角技术使得系统整体小型化，并保证了激光投线仪的检测校准工作能够便捷高效准确地进行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中采样光管的结构示意图。

图3是本发明中采样光管的组装图。

图4是平行光管示意图。

图5是镜头定位套筒的正视图。

图6是镜头定位套筒的左视图。

图7是镜头套筒的半剖视图。

图8是镜头套筒的等轴测视图。

图9是接口转换件的剖面图。

图10是接口转换件的等轴测视图。

图11是本发明中支架的正视图。

图12是本发明的装配效果图。

图13是平行光管测角原理图。

图14是本发明采样校准原理图。

图15是本发明采用的控制软件流程图。

图16是本发明定标处理流程图。

图17是本发明激光线处理流程图。

其中，1—后支架、2—平行光管、3—数字相机、4—平行光管微调定位螺丝、5—光管套固定螺栓、6—接口转换件定位螺钉、7—镜头定位套筒、8—光管套、9—侧支架、10—支架固定螺钉、11—相机USB接口、12—前支架、13—底座、14—激光投线仪支架、15—激光投线仪、16—平行光管物镜、17—螺纹孔、18—外表面、19—内表面、20—分划板、21—内腔、22—镜头套筒定位螺丝、23—镜头定位套筒定位螺丝、24—微调定位螺孔、25—固定螺孔、26—镜头套筒、27—接口转换件、28—螺纹孔、29—空腔、30—内螺纹、31—镜头套定位螺纹孔、32—螺纹、33—内孔、34—相机镜头、35—偏振片、36—内表面、37—偏振片、38—凹槽、39—外螺纹、40—适配支架、41—外螺纹、42—上杆、43—外螺纹、44—固定旋钮、45—下杆、46—内螺纹、47—螺纹孔、48—平行光管、49—平行光管、50—平行光管、51—平行光管、52—平行光管、53—平行光管、54—平行光管。

具体实施方式

下面将结合附图和实施示例对本发明做进一步的描述说明，但该描述仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明包括底座、支架、8个采样光管；支架固定在底座上，采样光管固定在支架上；

(1)采样光管的装配

图2是采样光管的结构，采样光管均包括平行光管2、数字相机3、镜头定位套筒7、光管套8，平行光管2通过光管套8固定在支架上，镜头定位套筒7固定在平行光管2上，数字相机3依次通过接口转换件27、镜头套筒26与镜头定位套筒7连接；数字相机3前端设置有USB接口；如图4—图10所示，优选的，接口转换件27通过其外螺纹39与数字相机连接在一起，接口转换件27上面镶嵌的偏振片37与镜头套筒26上镶嵌的偏振片35相互配合可以调节透过光的光强，当两个偏振片的偏振方向一致时，光强最大，当偏振方向垂直时，光强最小，通过旋转镜头套筒26可以使两片偏振片的偏正方向夹角改变。接口转换件27可以伸入到镜头套筒26的内腔33中，并用四个接口转换件定位螺钉6穿过镜头套定位螺纹孔31抵在接口转换件27的凹槽38上进行定位，调节接口转换件定位螺钉6可以使接口转换件27在内孔33中做垂直于光轴的移动。镜头套筒26上面的细密螺纹32部分旋入镜头定位套筒7的空腔29中，并与镜头定位套筒7的内螺纹30配合，通过旋转可以改变相机镜头34的像距，调节到一个合适的位置后通过镜头定位套筒7上的螺纹孔28用镜头套筒定位螺丝22进行固定。镜头定位套筒7可以嵌到平行光管2的内腔21中，通过镜头定位套筒定位螺丝23穿过螺纹孔17进行固定。镜头定位套筒7外表面与平行光管2内腔21内表面做成光滑表面，可以使其相互旋转。平行光管2上安装带角度分化的分划板20。平行光管2放置在光管套8中，并用八个平行光管微调定位螺丝4对平行光管2进行定位。

将上述的结构件按照图2的方式进行组装，效果如图3。光线经过平行光管物镜16、相机镜头34、偏振片35、偏振片37后被数字相机捕获。优选的，接口转换件27的内表面36、镜头套筒26的内腔33和平行光管2的内表面19要做磨砂处理并均匀涂抹黑色低反光涂料，以防止光线在采样光管中传播是反射强烈影响捕获的图像质量。平行光管微调定位螺丝4通过光管套8的微调定位螺孔24接触的外表面18对平行光管2进行微调定位。

(2)总体装配

将一个前支架12、两个侧支架9、一个后支架1用支架固定螺丝10固定到底座13上，底座为半圆形，后支架固定在半圆形的直边上，前支架及侧支架固定在半圆形的弧形边上。优选的，两个侧支架9关于前支架12对称。光管套8用光管套固定螺栓5通过固定螺孔25分别固定到前支架12、侧支架9和后支架1上面。优选的，用支架定位螺丝10将激光投线仪支架14通过螺纹孔47固定在底座13上。优选的，支架14包括上杆和下杆；下杆内为空腔，上杆设置在空腔内且在空腔内上下移动，并通过固定旋钮与下杆固定，上杆外表面设置有外螺纹，下杆内表面设置有内螺纹，上杆通过螺纹在下杆中旋进或旋出，通过上杆42的外螺纹43和下杆45的内螺纹46连接在一起，并用固定旋钮44固定上杆42的位置，如图11所示。将激光投线仪15安放在上杆42的适配支架40上，通过适配支架40的外螺纹41与激光投线仪15底部的螺纹孔连接。最后将每台数字相机3后面的相机USB接口通过USB数据线连接到USB集线器，将USB集线器通过USB数据线连接至电脑USB端口。

装配完成的效果如图12所示(USB数据线连接部分未画出)。其中，平行光管2和平行光管54标定了铅锤面V1；平行光管54和平行光管53标定了铅锤面V2；平行光管54、平行光管49和平行光管51标定了铅锤面V3；平行光管48、平行光管50和平行光管52标定了水平面H。铅锤面V1和铅锤面V2处在同一平面，铅锤面V3垂直于铅锤面V1和铅锤面V2所在的平面，水平面H垂直于铅锤面V1、V2、V3所在的平面。铅锤面V1、V2、V3上的平行光管用来校准激光投线仪所发射的铅锤激光线直线度及垂直度，水平面H上的用来校准水平激光线直线度。平行光管可以做适当精简，铅锤面V3中的平行光管49与水平面H中的平行光管50可以在满足校准精度要求的前提下省去，即本发明可适用于6根、7根和8根平行光管的装配的校准平台。

(3)控制软件流程及系统校准原理

控制软件流程：

1.打开为此系统编写的特定的控制软件，与每台相机进行通信测试，无错误后进入工作模式；

2.若为第一次使用则需要进行定标，即将每个平行光管2的分划板20的中心线坐标与线对间隔值用数字相机3标定。标定时，关闭激光投线仪15并用均匀柔和的光线垂直照射平行光管物镜16，在电脑屏幕上看到清晰的像时捕获图像，然后用数字图像处理技术提取出分划板20上的刻线，根据提取到的每条刻线的坐标得到标定值；

3.打开激光投线仪，在电脑屏幕上看到激光线时捕获画面，经电脑计算后得出检测结果。检测合格则换下一个激光投线仪，检测不合格则对激光投线仪校准后再次测量；

4.将校准检测结果保存在Excel文件。

控制软件流程如图15所示，定标流程如图16所示，激光线图像处理流程如图17所示。

本系统校准原理：

图13为平行光管测量角度的原理图，激光器发射的激光与平行光管光轴的夹角为α，经过平行光管物镜折射后投影到分划板的像到光轴的距离为y，投影点到物镜中心点的连线与光轴的夹角为β，物镜焦距为f，则：

β＝arctan(y/f)

由平行光束通过光学系统后必相交于像方焦平面上同一点的性质可知：

α＝β

即实现了角度测量。

激光线的中间和两段采样后得到如图14所示的结果，分别计算得到激光线相对于分划板中心线的距离Y1、Y2、Y3，根据上述公式便可得到激光线入射到平行光管时与光轴的夹角α1、α2、α3。根据α1、α2、α3的差值的最大值判断该激光线是否满足直线度要求。在直线度满足要求的情况下，根据相同的原理判断两条激光线的垂直度是否满足要求。

通过测试发现本发明对激光投线仪的校准结果检测达到了精度要求，直线度校准精度达到了±0.4mm/5m，垂直度校准精度达到了90°±25°。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了后支架1、平行光管2、数字相机3、平行光管微调定位螺丝4、光管套固定螺栓5、接口转换件定位螺钉6、镜头定位套筒7、光管套8、侧支架9、支架固定螺钉10、相机USB接口11、前支架12、底座13、激光投线仪安放台14、激光投线仪15、平行光管物镜16、镜头套筒定位螺丝22、镜头定位套筒定位螺丝23、镜头套筒26、接口转换件27等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (2)

1.一种激光投线仪校准系统，其特征在于：包括底座、支架、8个采样光管、激光投线仪支架；激光投线仪支架固定在底座上，支架固定在底座上，采样光管固定在支架上；

每个采样光管均包括平行光管、数字相机(3)、镜头定位套筒(7)、光管套(8)，平行光管通过光管套(8)固定在支架上，镜头定位套筒(7)固定在平行光管上，数字相机(3)依次通过接口转换件(27)、镜头套筒(26)与镜头定位套筒(7)连接；数字相机(3)前端设置有USB接口；所述接口转换件(27)通过接口转换件定位螺钉(6)固定在镜头套筒(26)上，镜头套筒(26)通过镜头套筒定位螺丝(22)固定在镜头定位套筒(7)上，镜头定位套筒(7)通过镜头定位套筒定位螺丝(23)固定在平行光管上，平行光管通过平行光管微调定位螺丝(4)固定在光管套(8)上，光管套(8)通过光管套固定螺栓固定在支架上；

所述的8个采样光管包括的8个平行光管分别为平行光管一(2)、平行光管二(48)、平行光管三(49)、平行光管四(50)、平行光管五(51)、平行光管六(52)、平行光管七(53)、平行光管八(54)；

平行光管一(2)和平行光管八(54)标定了铅锤面V1；平行光管八(54)和平行光管七(53)标定了铅锤面V2；平行光管八(54)、平行光管三(49)和平行光管五(51)标定了铅锤面V3；平行光管二(48)、平行光管四(50)和平行光管六(52)标定了水平面H；铅锤面V1和铅锤面V2处在同一平面，铅锤面V3垂直于铅锤面V1和铅锤面V2所在的平面，水平面H垂直于铅锤面V1、V2、V3所在的平面；

所述底座为半圆形，所述支架包括前支架、后支架、两个侧支架，后支架固定在半圆形的直边上，前支架及两个侧支架固定在半圆形的弧形边上；平行光管一(2)、平行光管七(53)和平行光管八(54)固定在后支架上，平行光管三(49)、平行光管四(50)和平行光管五(51)固定在前支架上，平行光管二(48)、平行光管六(52)分别固定在两个侧支架上；

所述激光投线仪支架包括上杆和下杆；下杆内为空腔，上杆设置在空腔内且在空腔内上下移动，并通过固定旋钮与下杆固定。

2.根据权利要求1所述的一种激光投线仪校准系统，其特征在于：所述上杆外表面设置有外螺纹，下杆内表面设置有内螺纹，上杆通过螺纹在下杆中旋进或旋出。