本发明公开了测量方向可变的激光测头装置及其使用方法。目前改变激光测头测量方向的方法大多是通过改变激光测头的空间姿态来改变测量方向。这种方法要求测量区域中必须存在较大的操作空间。本发明测量方向可变的激光测头装置，包括连接座、激光测头、螺钉、测头外壳、圆柱磁铁、左右向镜架、第一平面镜、第一圆柱铁块、前向镜架、第二平面镜和第二圆柱铁块。本发明利用平面镜反射激光测头的测量光束与接收光束，使得激光测头能够对下方、左方、右方或前方的待测表面进行测量，在改变测量方向的过程中无需调整激光测头的空间位姿，所需的操作空间小。
1.测量方向可变的激光测头装置，包括连接座、激光测头、螺钉、测头外壳、圆柱磁铁、X向镜架、第一平面镜、第一圆柱铁块、Y向镜架、第二平面镜和第二圆柱铁块；其特征在于：所述的连接座上端端面与三坐标测量机竖直轴下端固定，下端端面与测头外壳上端端面通过螺钉固定；激光测头通过螺钉固定在测头外壳内部；
所述的测头外壳相对的两个侧面上均开设有接头槽，所述的接头槽由环形槽、磁铁槽和三个定位槽组成；所述的磁铁槽为圆槽，且与环形槽同心；所述的三个定位槽沿环形槽周向均布在环形槽内；定位槽由定位球槽和定位柱槽组成，定位柱槽的外端与环形槽连通；定位球槽设置在定位柱槽的内端，且与定位柱槽连通；定位柱槽的横截面为半圆形，且该半圆形的半径与定位球槽球面的半径相等；磁铁槽内固定有圆柱磁铁；
所述的X向镜架由一体成型的第一安装头、第一竖板、第一L形板和第一装镜板组成；所述第一L形板的上端为横向板，下端为竖向板；所述的第一竖板的上端与第一安装头连接，下端与第一L形板的上端端面连接；所述第一L形板的下端与第一装镜板连接，且第一装镜板向下倾斜；第一装镜板与第一L形板内侧面相连的侧面上固定有第一平面镜；所述第一平面镜的镜面与第一竖板内侧面的夹角为45°，与第一L形板上端端面的夹角为45°；所述的第一安装头由一体成型的第一定位圆筒、第一定位圆柱和三个第一定位凸起组成；第一定位圆筒的内径与测头外壳上环形槽的内径相等，外径与测头外壳上环形槽的外径相等；第一定位圆柱的直径与第一定位圆筒的内径相等，第一定位圆柱固定在第一定位圆筒内壁外端；第一定位圆柱的中心孔内固定有第一圆柱铁块；第一定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳上定位球槽球面的半径相等；三个第一定位凸起均设置在第一定位圆柱的内端端面上，且位置与测头外壳上的三个定位球槽分别对应；
所述的Y向镜架由一体成型的第二安装头、第二竖板、第二L形板和第二装镜板组成；所述第二L形板的上端为横向板，下端为竖向板；所述第二竖板的上端与第二安装头连接，下端与第二L形板的上端端面连接；第二L形板的下端与第二装镜板连接；第二装镜板与第二L形板内侧面相连的侧面上固定有第二平面镜；所述第二平面镜的镜面与第二竖板内侧面垂直，与第二L形板上端端面的夹角为45°；所述的第二安装头由一体成型的第二定位圆筒、第二定位圆柱和三个第二定位凸起组成；第二定位圆筒的内径与测头外壳上环形槽的内径相等，外径与测头外壳上的环形槽的外径相等；第二定位圆柱的直径与第二定位圆筒的内径相等，第二定位圆柱固定在第二定位圆筒内壁外端；第二定位圆柱的中心孔内固定有第二圆柱铁块；第二定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳上定位球槽球面的半径相等；三个第二定位凸起设置在第二定位圆柱的内端端面上，且位置与测头外壳上的三个定位球槽分别对应；
所述的激光测头采用点式激光位移传感器；以三坐标测量机的X轴为激光测头的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头的Z轴；以激光测头上激光发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正方向的单位向量成锐角；
所述测头外壳开设有接头槽的两个侧面与激光测头的X轴垂直，与激光测头激光发射点、接收透镜光心的连线平行；
所述的X向镜架与测头外壳装配状态下，测头外壳的装配侧面与第一竖板内侧面贴合，下端端面与第一L形板上端端面贴合；第一平面镜处于激光测头的激光光路上；
所述的Y向镜架与测头外壳装配状态下，测头外壳的装配侧面与第二竖板内侧面贴合，下端端面与第二L形板上端端面贴合；激光测头的激光发射点与第二平面镜的距离大于激光测头的接收透镜光心与第二平面镜的距离。
2.根据权利要求1所述的测量方向可变的激光测头装置，其特征在于：所述测头外壳、连接座、X向镜架及Y向镜架的材料均为铝合金。
3.根据权利要求1所述的测量方向可变的激光测头装置，其特征在于：所述第一平面镜及第二平面镜的镜面均为以钼作为基材抛光形成的镜面。
4.如权利要求1所述测量方向可变的激光测头装置的使用方法，其特征在于：首先，进行初始参数校核；之后对待测物体上朝向X轴正方向表面、朝向X轴负方向表面、朝向Y轴正方向表面或朝向Z轴正方向表面中的一个或多个进行测量；多次测量操作中，初始参数校核只需进行一次；
步骤一、将一个已知直径为D0的标准球放置在三坐标测量机的工作台上；以标准球的球心为原点，建立测量坐标系；测量坐标系的x、y、z轴方向与三坐标测量机的X、Y、Z轴方向相同；
步骤二、将X向镜架装配至测头外壳的X轴负方向一侧侧面上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达标准球表面；激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCi,yCi,zCi)，i＝1,2,…,15；然后将十五个测点的测量坐标值换算为实际坐标值(xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)
式中li为坐标(xCi,yCi,zCi)对应测量光束的长度，lR0为激光测头的激光发射点与第一平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离；
利用最小二乘法将十五个坐标值(xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)，i＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lR0与拟合球面直径DR的关系式，由DR＝D0建立方程式，求出lR0的值，并记录下来；
步骤三、将X向镜架拆下，并装配至测头外壳的X轴正方向一侧侧面上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达标准球表面；激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCj,yCj,zCj)，j＝1,2,…,15；然后将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值(xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)
式中lj为坐标(xCj,yCj,zCj)对应测量光束的长度，lL0为激光测头的激光发射点与第一平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离；
利用最小二乘法将十五个坐标值(xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)，j＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lL0与拟合球面直径DL的关系式，由DL＝D0建立方程式，求出lL0的值，并记录下来；
步骤四、将X向镜架拆下；将Y向镜架装配至测头外壳上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜反射后到达标准球表面；激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCk,yCk,zCk)，k＝1,2,…,15；然后将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值(xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)
式中lk为坐标(xCk,yCk,zCk)对应测量光束的长度，lF0为激光测头的激光发射点与第二平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离；
利用最小二乘法将十五个坐标值(xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)，k＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lF0与拟合球面直径DF的关系式，由DF＝D0建立方程式，求出lF0的值，并记录下来；
X向镜架和Y向镜架均不装配，驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光到达待测表面；激光测头测量待测表面上q个不同位置点的坐标，获得分别为(xh,yh,zh)，h＝1,2,3,
将X向镜架装配至测头外壳的X轴负方向一侧侧面上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达待测表面；激光测头测量待测表面上r个不同位置点的坐标，获得分别为(xii,yii,zii)，ii＝1,2,3,4,…,r，的r个坐标值；将r个坐标值分别换算为(xii+lii-lR0,yii，zii+lii-lR0)，ii＝1,2,3,4,…,r，并保存；
将X向镜架装配至测头外壳的X轴正方向一侧侧面上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达待测表面；激光测头测量待测表面上s个不同位置点的坐标，获得分别为(xjj,yjj,zjj)，jj＝1,2,3,4,…,s，的s个坐标值；将s个坐标值分别改写为(xjj-ljj+lL0,yjj,zjj+ljj-lL0)，jj＝1,2,3,4,…,s，并保存；
将Y向镜架装配至测头外壳上；驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜反射后到达待测表面；激光测头测量待测表面上t个不同位置点的坐标，获得分别为(xkk,ykk,zkk)，kk＝1,2,3,4,…,t，的t个坐标值；将t个坐标值分别改写为(xkk,ykk-lkk+lF0,zkk+lkk-lF0)，kk＝1,2,3,4,…,t，并保存。
测量方向可变的激光测头装置及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明属于非接触式物体形状测量技术领域，具体涉及一种测量方向可变的激光测头装置及其使用方法。
背景技术
[0002] 激光测头的测量原理基于激光三角法，即利用入射激光点、漫反射光接收透镜的光心与光敏元件上对应像点三者之间构成的三角关系确定被测点的空间位置。激光测头具有非接触式测量，响应速度快，测量精度较高，所获测量数据质量好，设备成本相对较低等优点，在零件形状检测、曲面数字化测量、逆向工程CAD建模等方面有着广泛的应用。
[0003] 为了扩大可测范围，增加测头的自由度，激光测头一般与三坐标测量机结合使用。为了完整、合理地获取被测物体的表面形状数据，进一步拓展可测方位，测量过程中可能需要改变测头的测量方向，目前改变激光测头测量方向的方法主要有以下三种：
[0004] (1)利用方位可调式测头座。将激光测头安装在空间位姿可以调整的测头外壳上，在测量过程中根据测量需求，手工调整测头外壳的方向，从而实现测头测量方向的改变。
[0005] (2)利用离散分度式测头座。用特制的连接器将激光测头安装在如Renishaw TP20、Renishaw PH10等手动或自动的离散分度式测头外壳上，测量过程中，根据测量需求手动或通过测量程序指令自动改变测头的测量方向。
[0006] (3)利用无极分度式测头座。用特制的连接器将激光测头安装在如Renishaw REVO等无极分度式自动测头外壳上，测量过程中，三坐标测量机根据测量需求通过程序指令驱动测头外壳，自动改变测头的测量方向。
[0007] 上述方法中，方法(1)装置简单、成本低、易于实现，但每次调整测量方向都需要手动调整整个测头外壳的方位，并且每次调整后都需要重新标定测量光束的方向，过程比较繁琐、耗时。方法(2)利用离散分度式测头外壳，该种测头外壳一般具有良好的重复定位精度，各个备选的测量方向只需标定一次就可以重复使用。方法(3)利用无极分度式测头外壳，可以自动将测量方向调整到可调范围内的任意一个位置上，利用测头外壳内的编码器获取测头的空间位姿，测量方向调整速度快、定位精度高、可靠性好。但方法(2)、(3)中使用的测头外壳成本较高；此外，商用的离散分度式与无极分度式测头外壳都是专用件，一般针对特定的接触式测头，使用激光测头时，需要设计、制作专用的连接装置，且由于激光测头在形状、体积与重量等方面与接触式测头存在较大区别，测量效果易受到影响。
[0008] 此外，上述三种方法都是通过改变激光测头的空间姿态来改变测量方向，这要求测量区域中存在足够的操作空间，如果可操作空间较小，上述三种方法可能都无法应用。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于提供一种测量方向可变的激光测头装置及其使用方法。
[0010] 本发明测量方向可变的激光测头装置，包括连接座、激光测头、螺钉、测头外壳、圆柱磁铁、X向镜架、第一平面镜、第一圆柱铁块、Y向镜架、第二平面镜和第二圆柱铁块。
[0011] 所述的连接座上端端面与三坐标测量机竖直轴下端固定，下端端面与测头外壳上端端面通过螺钉固定。激光测头通过螺钉固定在测头外壳内部。
[0012] 所述的测头外壳相对的两个侧面上均开设有接头槽，所述的接头槽由环形槽、磁铁槽和三个定位槽组成。所述的磁铁槽为圆槽，且与环形槽同心。所述的三个定位槽沿环形槽周向均布在环形槽内。定位槽由定位球槽和定位柱槽组成，定位柱槽的外端与环形槽连通。定位球槽设置在定位柱槽的内端，且与定位柱槽连通。定位柱槽的横截面为半圆形，且该半圆形的半径与定位球槽球面的半径相等。磁铁槽内固定有圆柱磁铁。
[0013] 所述的X向镜架由一体成型的第一安装头、第一竖板、第一L形板和第一装镜板组成。所述的第一竖板的上端与第一安装头连接，下端与第一L形板的上端端面连接。所述第一L形板的下端与第一装镜板连接，且第一装镜板向下倾斜。第一装镜板与第一L形板内侧面相连的侧面上固定有第一平面镜。所述第一平面镜的镜面与第一竖板内侧面的夹角为45°，与第一L形板上端端面的夹角为45°。所述的第一安装头由一体成型的第一定位圆筒、第一定位圆柱和三个第一定位凸起组成。第一定位圆筒的内径与测头外壳上环形槽的内径相等，外径与测头外壳上环形槽的外径相等。第一定位圆柱的直径与第一定位圆筒的内径相等，第一定位圆柱固定在第一定位圆筒内壁外端。第一定位圆柱的中心孔内固定有第一圆柱铁块。第一定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳上定位球槽球面的半径相等。三个第一定位凸起均设置在第一定位圆柱的内端端面上，且位置与测头外壳上的三个定位球槽分别对应。
[0014] 所述的Y向镜架由一体成型的第二安装头、第二竖板、第二L形板和第二装镜板组成。所述第二竖板的上端与第二安装头连接，下端与第二L形板的上端端面连接。第二L形板的下端与第二装镜板连接。第二装镜板与第二L形板内侧面相连的侧面上固定有第二平面镜。所述第二平面镜的镜面与第二竖板内侧面垂直，与第二L形板上端端面的夹角为45°。所述的第二安装头由一体成型的第二定位圆筒、第二定位圆柱和三个第二定位凸起组成。第二定位圆筒的内径与测头外壳上环形槽的内径相等，外径与测头外壳上的环形槽的外径相等。第二定位圆柱的直径与第二定位圆筒的内径相等，第二定位圆柱固定在第二定位圆筒内壁外端。第二定位圆柱的中心孔内固定有第二圆柱铁块。第二定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳上定位球槽球面的半径相等。三个第二定位凸起设置在第二定位圆柱的内端端面上，且位置与测头外壳上的三个定位球槽分别对应。
[0015] 所述的激光测头采用点式激光位移传感器。以三坐标测量机的X轴为激光测头的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头的Z轴。以激光测头上激光发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正方向的单位向量成锐角。
[0016] 所述测头外壳开设有接头槽的两个侧面与激光测头的X轴垂直，与激光测头激光发射点、接收透镜光心的连线平行。
[0017] 所述的X向镜架与测头外壳装配状态下，测头外壳的装配侧面与第一竖板内侧面贴合，下端端面与第一L形板上端端面贴合。第一平面镜处于激光测头的激光光路上。
[0018] 所述的Y向镜架与测头外壳装配状态下，测头外壳的装配侧面与第二竖板内侧面贴合，下端端面与第二L形板上端端面贴合。激光测头的激光发射点与第二平面镜的距离大于激光测头的接收透镜光心与第二平面镜的距离。
[0019] 所述测头外壳、连接座、X向镜架及Y向镜架的材料均为铝合金。
[0020] 所述第一平面镜及第二平面镜的镜面均为以钼作为基材抛光形成的镜面。
[0021] 该测量方向可变的激光测头装置的使用方法如下：
[0022] 首先，进行初始参数校核。之后对待测物体朝向X轴正方向表面、朝向X轴负方向表面、朝向Y轴正方向表面或朝向Z轴正方向表面中的一个或多个进行测量。多次测量操作中，初始参数校核只需进行一次。
[0023] 初始参数校核的方法具体如下：
[0024] 步骤一、将一个已知直径为D0的标准球放置在三坐标测量机的工作台上。以标准球的球心为原点，建立测量坐标系。测量坐标系的x、y、z轴方向与三坐标测量机的X、Y、Z轴方向相同。
[0025] 步骤二、将X向镜架装配至测头外壳的X轴负方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达标准球表面。激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCi,yCi,zCi)，i＝1,2,…,15。然后将十五个测点的测量坐标值换算为实际坐标值
[0026] (xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)
[0027] 式中li为坐标(xCi,yCi,zCi)对应测量光束的长度，lR0为激光测头的激光发射点与第一平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0028] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)，i＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lR0与拟合球面直径DR的关系式，由DR＝D0建立方程式，求出lR0的值，并记录下来。
[0029] 步骤三、将X向镜架拆下，并装配至测头外壳的X轴正方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达标准球表面。激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCj,yCj,zCj)，j＝1,2,…,15。然后将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值
[0030] (xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)
[0031] 式中lj为坐标(xCj,yCj,zCj)对应测量光束的长度，lL0为激光测头的激光发射点与第一平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0032] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)，j＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lL0与拟合球面直径DL的关系式，由DL＝D0建立方程式，求出lL0的值，并记录下来。
[0033] 步骤四、将X向镜架拆下。将Y向镜架装配至测头外壳上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜反射后到达标准球表面。激光测头测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCk,yCk,zCk)，k＝1,2,…,15。然后将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值
[0034] (xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)
[0035] 式中lk为坐标(xCk,yCk,zCk)对应测量光束的长度，lF0为激光测头的激光发射点与第二平面镜镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0036] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)，k＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lF0与拟合球面直径DF的关系式，由DF＝D0建立方程式，求出lF0的值，并记录下来。
[0037] 测量待测物体上位于Z轴正方向表面的方法具体如下：
[0038] X向镜架和Y向镜架均不装配，驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光到达待测表面。激光测头测量待测表面上q个不同位置点的坐标，获得分别为(xh,yh,zh)，h＝1,2,3,4,…,q，的q个坐标值并保存。
[0039] 测量待测物体上位于X轴负方向表面的方法具体如下：
[0040] 将X向镜架装配至测头外壳的X轴负方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达待测表面。激光测头测量待测表面上r个不同位置点的坐标，获得分别为(xii,yii,zii)，ii＝1,2,3,4,…,r，的r个坐标值；将r个坐标值分别换算为(xii+lii-lR0,yii，zii+lii-lR0)，ii＝1,2,3,4,…,r，并保存。
[0041] 测量待测物体上位于X轴正方向表面的方法具体如下：
[0042] 将X向镜架装配至测头外壳的X轴正方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜反射后到达待测表面。激光测头测量待测表面上s个不同位置点的坐标，获得分别为(xjj,yjj,zjj)，jj＝1,2,3,4,…,s，的s个坐标值；将s个坐标值分别改写为(xjj-ljj+lL0,yjj,zjj+ljj-lL0)，jj＝1,2,3,4,…,s，并保存。
[0043] 测量待测物体上位于Y轴正方向表面的方法具体如下：
[0044] 将Y向镜架装配至测头外壳上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜反射后到达待测表面。激光测头测量待测表面上t个不同位置点的坐标，获得分别为(xkk,ykk,zkk)，kk＝1,2,3,4,…,t，的t个坐标值；将t个坐标值分别改写为(xkk,ykk-lkk+lF0,zkk+lkk-lF0)，kk＝1,2,3,4,…,t，并保存。
[0045] 本发明具有的有益效果是：
[0046] 1、本发明利用平面镜反射激光测头的测量光束与接收光束，使得激光测头能够对待测物体位于X轴正方向表面、位于X轴负方向表面、位于Y轴正方向表面或位于Z轴正方向表面进行测量。
[0047] 2、本发明在改变测量方向的过程中无需调整激光测头的空间位姿，所需的操作空间小。
[0048] 3、本发明利用磁性吸附的原理实现快速装配，操作十分便捷。
[0049] 4、本发明结构简单、成本低、易于实现。
附图说明
[0050] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0051] 图2是本发明中测头外壳的结构立体图；
[0052] 图3是本发明中X向镜架的结构立体图；
[0053] 图4是本发明中Y向镜架的结构立体图；
[0054] 图5是本发明在X轴负方向一侧装配X向镜架的示意图；
[0055] 图6是本发明在X轴负方向一侧装配X向镜架的工作原理图；
[0056] 图7是本发明在X轴正方向一侧装配X向镜架的示意图；
[0057] 图8是本发明在X轴正方向一侧装配X向镜架的工作原理图；
[0058] 图9是本发明装配Y向镜架的示意图；
[0059] 图10是本发明装配Y向镜架的工作原理图。
具体实施方式
[0060] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0061] 如图1、2、3、4、5、7和9所示，测量方向可变的激光测头装置，包括连接座2、激光测头3、螺钉4、测头外壳5、圆柱磁铁6、X向镜架7、第一平面镜8、第一圆柱铁块9、Y向镜架10、第二平面镜11和第二圆柱铁块12。
[0062] 如图1和2所示，连接座2上端端面与三坐标测量机竖直轴1下端固定，下端端面与测头外壳5上端端面通过螺钉4固定。激光测头3通过螺钉4固定在测头外壳5内部。激光测头3采用点式激光位移传感器。以三坐标测量机的X轴为激光测头3的X轴，以三坐标测量机的Y轴为激光测头3的Y轴，以三坐标测量机的Z轴为激光测头3的Z轴。以激光测头3上激光发射点为起点、接收透镜光心为终点的向量与Y轴正方向的单位向量成锐角。
[0063] 如图1和2所示，测头外壳5相对的两个侧面上均开设有接头槽，该两个侧面与X轴垂直，与激光测头3激光发射点、接收透镜光心的连线平行。接头槽由环形槽、磁铁槽和三个定位槽组成。磁铁槽为圆槽，且与环形槽同心。三个定位槽沿环形槽周向均布在环形槽内。定位槽由定位球槽和定位柱槽组成，定位柱槽的外端与环形槽连通。定位球槽设置在定位柱槽的内端，且与定位柱槽连通。定位柱槽的横截面为半圆形，且该半圆形的半径与定位球槽球面的半径相等。磁铁槽内固定有圆柱磁铁6。
[0064] 如图3、5和7所示，X向镜架7由一体成型的第一安装头7-1、第一竖板7-2、第一L形板7-3和第一装镜板7-4组成。第一竖板7-2的上端与第一安装头7-1连接，下端与第一L形板7-3的上端端面连接。第一L形板7-3的下端与第一装镜板7-4连接，且第一装镜板7-4向下倾斜。第一装镜板7-4与第一L形板7-3内侧面相连的侧面上固定有第一平面镜8。第一平面镜8的镜面与第一竖板7-2内侧面的夹角为45°，与第一L形板7-3上端端面的夹角为45°。第一安装头7-1由一体成型的第一定位圆筒、第一定位圆柱和三个第一定位凸起组成。第一定位圆筒的内径与测头外壳5上环形槽的内径相等，外径与测头外壳5上环形槽的外径相等。第一定位圆柱的直径与第一定位圆筒的内径相等，第一定位圆柱固定在第一定位圆筒内壁外端。第一定位圆柱的中心孔内固定有第一圆柱铁块9。第一定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳5上定位球槽球面的半径相等。三个第一定位凸起均设置在第一定位圆柱内端端面上，且位置与测头外壳5上的三个定位球槽分别对应。
[0065] X向镜架7与测头外壳5装配状态下，测头外壳5的装配侧面与第一竖板7-2内侧面贴合，下端端面与第一L形板7-3上端端面贴合。第一平面镜8处于激光测头3的激光光路上。
[0066] 如图4和9所示，Y向镜架10由一体成型的第二安装头10-1、第二竖板10-2、第二L形板10-3和第二装镜板10-4组成。第二竖板10-2的上端与第二安装头10-1连接，下端与第二L形板10-3的上端端面连接。第二L形板10-3的下端与第二装镜板10-4连接。第二装镜板10-4与第二L形板10-3内侧面相连的侧面上固定有第二平面镜11。第二平面镜11的镜面与第二竖板10-2内侧面垂直，与第二L形板10-3上端端面的夹角为45°。第二安装头10-1由一体成型的第二定位圆筒、第二定位圆柱和三个第二定位凸起组成。第二定位圆筒的内径与测头外壳5上的环形槽的内径相等，外径与测头外壳5上的环形槽的外径相等。第二定位圆柱的直径与第二定位圆筒的内径相等，第二定位圆柱固定在第二定位圆筒内壁外端。第二定位圆柱的中心孔内固定有第二圆柱铁块12。第二定位凸起呈半球体状，球径与测头外壳5上定位球槽球面的半径相等。三个第二定位凸起设置在第二定位圆柱内端端面上，且位置与测头外壳5上的三个定位球槽分别对应。
[0067] Y向镜架10与测头外壳5装配状态下，测头外壳5的装配侧面与第二竖板10-2内侧面贴合，下端端面与第二L形板10-3上端端面贴合。第二平面镜11处于激光测头3的激光光路上，且激光测头3的激光发射点与第二平面镜11的距离大于激光测头3的接收透镜光心与第二平面镜11的距离。
[0068] 测头外壳5、连接座2、X向镜架7及Y向镜架10的材料均为铝合金。
[0069] 第一平面镜8及第二平面镜11的镜面均为以钼作为基材抛光形成的镜面。
[0070] X向镜架7装配至测头外壳5的X轴负方向一侧侧面上的测量原理如图5所示。测量光束13从激光发射点射出，经第一平面镜8反射后向X轴正方向偏折90°。入射到被测表面15后，在被测表面15的入射点产生的有效漫反射光14经过第一平面镜8反射后入射到激光测头3的接收透镜。此时激光测头3完成朝向X轴负方向的被测表面15测量。此时三坐标测量机的输出坐标值为(xa,ya,za)。
[0071] 如图6所示，令测量光束13的发射点为点B1，被测表面15上的被测点为点M1，第一平面镜8上的测量光束入射点为点K1，点M1关于第一平面镜8镜面对称的点为点M1′。得出点K1与点M1的距离等于点K1与点M1′的距离。
[0072] 测量光束13长度为点B1与点K1的距离加点K1与点M1的距离，令点B1与点M1′的距离为li，即测量光束13长度。令点B1与点K1之间的距离为lR0，故点K1与点M1的距离为li-lR0。三坐标测量机输出的坐标(xa,ya,za)表示点M1′的坐标值，则点M1的坐标值为(xa+li-lR0,ya,za+li-lR0)。
[0073] X向镜架7装配至测头外壳5的X轴正方向一侧侧面上的测量原理如图7。测量光束13从激光发射点射出，经第一平面镜8反射后向X轴负方向偏折90°。入射到被测表面15后，在被测表面15的入射点产生的有效漫反射光14经过第一平面镜8反射后入射到激光测头3的接收透镜。此时激光测头3完成朝向X轴正方向的被测表面15测量。此时三坐标测量机的输出坐标值为(xb,yb zb)。
[0074] 如图8所示，令测量光束13的发射点为点B2，被测表面15上的被测点为点M2，第一平面镜8上的测量光束入射点为点K2，点M2关于第一平面镜8镜面对称的点为点M2′。得出点K2与点M2的距离等于点K2与点M2′的距离。
[0075] 测量光束13的长度为点B2与点K2的距离加点K2与点M2的距离，令点B2与点M2′的距离为lj，即测量光束13的长度。令点B2与点K2之间的距离为lL0，故点K2与点M2的距离为lj-lL0。三坐标测量机输出的坐标(xb,yb,zb)表示点M2′的坐标值，则点M2的坐标值为(xb-lj+lL0,yb,zb+lj-lL0)。
[0076] Y向镜架10装配至测头外壳5上的测量原理如图9。测量光束13从激光发射点射出，经第二平面镜11反射后向Y轴负方向偏折90°。入射到被测表面15后，在被测表面15的入射点产生的有效漫反射光14经过第二平面镜11反射后入射到激光测头3的接收透镜。此时激光测头3完成朝向Y轴正方向的被测表面15测量。此时三坐标测量机的输出坐标值为(xc,yc,zc)。
[0077] 如图10所示，令测量光束13的发射点为点B3，被测表面15上的被测点为点M3，第二平面镜11上的测量光束入射点为点K3，点M3关于第二平面镜11镜面对称的点为点M3′。得出点K3与点M3的距离等于点K3与点M3′的距离。
[0078] 测量光束13的长度为点B3与点K3的距离加点K3与点M3的距离，令点B3与点M3′的距离为lk，即测量光束13的长度。令点B3与点K3之间的距离为lF0，故点K3与点M3的距离为lk-lF0。三坐标测量机输出的坐标(xc,yc,zc)表示点M3′的坐标值，则点M3的坐标值为(xc,yc-lk+lF0,zc+lk-lF0)。
[0079] 该测量方向可变的激光测头装置的使用方法如下：
[0080] 首先，进行初始参数校核。之后对待测物体朝向X轴正方向表面、朝向X轴负方向表面、朝向Y轴正方向表面或朝向Z轴正方向表面中的一个或多个进行测量。多次测量操作中，初始参数校核只需进行一次。
[0081] 初始参数校核的方法具体如下：
[0082] 步骤一、将一个已知直径为D0的标准球放置在三坐标测量机的工作台上。以标准球的球心为原点，建立测量坐标系。测量坐标系的X、Y、Z轴方向与三坐标测量机的X、Y、Z轴方向相同。
[0083] 步骤二、将X向镜架7装配至测头外壳5的X轴负方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜8反射后到达标准球表面。激光测头3测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCi,yCi,zCi)，i＝1,2,…,15。然后将十五个测点的测量坐标值换算为实际坐标值
[0084] (xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)
[0085] 式中li为坐标(xCi,yCi,zCi)对应测量光束的长度，lR0为激光测头3的激光发射点与第一平面镜8镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0086] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCi+li-lR0,yCi,zCi+li-lR0)，i＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lR0与拟合球面直径DR的关系式，由DR＝D0建立方程式，求出lR0的值，并记录下来。
[0087] 步骤三、将X向镜架7拆下，并装配至测头外壳5的X轴正方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜8反射后到达标准球表面。激光测头3测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCj,yCj,zCj)，j＝1,2,…,15。则将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值
[0088] (xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)
[0089] 式中li为坐标(xCj,yCj,zCj)对应测量光束的长度，lL0为激光测头3的激光发射点与第一平面镜8镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0090] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCj-lj+lL0,yCj,zCj+lj-lL0)，j＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lL0与拟合球面直径DL的关系式，由DL＝D0建立方程式，求出lL0的值，并记录下来。
[0091] 步骤四、将X向镜架7拆下。将Y向镜架10装配至测头外壳5上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜11反射后到达标准球表面。激光测头3测量标准球球面上十五个不同位置点的坐标，获得测量坐标值为(xCk,yCk,zCk)，k＝1,2,…,15。然后将十五个测点的测量坐标值分别换算为实际坐标值
[0092] (xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)
[0093] 式中lk为坐标(xCk,yCk,zCk)对应测量光束的长度，lF0为激光测头3的激光发射点与第二平面镜11镜面上的测量光束入射点之间的距离。
[0094] 利用最小二乘法将十五个坐标值(xCk,yCk-lk+lF0,zCk+lk-lF0)，k＝1,2,…,15，拟合成球面，得到lF0与拟合球面直径DF的关系式，由DF＝D0建立方程式，求出lF0的值，并记录下来。
[0095] 测量待测物体上位于Z轴正方向表面的方法具体如下：
[0096] X向镜架7和Y向镜架10均不装配，驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光到达待测表面。激光测头3测量待测表面上q个不同位置点的坐标，获得分别为(xh,yh,zh)，h＝1,2,3,4,…,q，的q个坐标值并保存。
[0097] 测量待测物体上位于X轴负方向表面的方法具体如下：
[0098] 将X向镜架7装配至测头外壳5的X轴负方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜8反射后到达待测表面。激光测头3测量待测表面上r个不同位置点的坐标，获得分别为(xii,yii,zii)，ii＝1,2,3,4,…,r，的r个坐标值。将r个坐标值分别换算为(xii+lii-lR0,yii，zii+lii-lR0)，ii＝1,2,3,4,…,r，并保存。
[0099] 测量待测物体上位于X轴正方向表面的方法具体如下：
[0100] 将X向镜架7装配至测头外壳5的X轴正方向一侧侧面上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第一平面镜8反射后到达待测表面。激光测头3测量待测表面上s个不同位置点的坐标，获得分别为(xjj,yjj,zjj)，jj＝1,2,3,4,…,s，的s个坐标值。将s个坐标值分别改写为(xjj-ljj+lL0,yjj,zjj+ljj-lL0)，jj＝1,2,3,4,…,s，并保存。
[0101] 测量待测物体上位于Y轴正方向表面的方法具体如下：
[0102] 将Y向镜架10装配至测头外壳5上。驱动三坐标测量机，使激光测头射出的激光经第二平面镜11反射后到达待测表面。激光测头3测量待测表面上t个不同位置点的坐标，获得分别为(xkk,ykk,zkk)，kk＝1,2,3,4,…,t，的t个坐标值。将t个坐标值分别改写为(xkk,ykk-lkk+lF0,zkk+lkk-lF0)，kk＝1,2,3,4,…,t，并保存。
