線結(jié)構(gòu)光：測(cè)量三維形貌的利器

線結(jié)構(gòu)光法是將線狀結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)物體表面，形成由被測(cè)物體表面形狀所調(diào)制的光條三維圖像，將線激光輪廓儀與精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組合，按照規(guī)劃軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的高效高精度三維形貌測(cè)量，具有系統(tǒng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、量程大等優(yōu)點(diǎn)，在三維測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

傳統(tǒng)的線激光輪廓儀與工件做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的測(cè)量方式對(duì)線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精度要求較高，且系統(tǒng)占用空間大，不易實(shí)現(xiàn)在位精密測(cè)量；輪廓儀固定、工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量范圍有限。在航空航天領(lǐng)域，工件尺寸通常較大、裝夾復(fù)雜難以移動(dòng)，多采用混聯(lián)加工機(jī)器人對(duì)其加工，同時(shí)為保證加工質(zhì)量，需要對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行精密的在位檢測(cè)。但加工機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度有限，無法在整個(gè)測(cè)量空間進(jìn)行單獨(dú)直線運(yùn)動(dòng)，因此開展該工況下被測(cè)件三維形貌的精密在位測(cè)量，保證測(cè)量精度和路徑不受機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)限制具有重要意義。

激光魔力轉(zhuǎn)圈圈，新運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)三維形貌的精密測(cè)量

中國(guó)人講究外圓內(nèi)方，以和順之態(tài)，行端正之事，這為我們探索實(shí)際工況限制復(fù)雜情況下靈活、適應(yīng)性好且精密、穩(wěn)定性高的測(cè)量方式，提供了開放而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃悸贰?/p>

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只能進(jìn)行有規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)或被測(cè)工件體積較大難以運(yùn)動(dòng)等特殊工況下三維形貌的在位精密測(cè)量，山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院姚鵬教授課題組研究了一種線激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)掃描的測(cè)量方式，搭建了如圖1所示的測(cè)量平臺(tái)，將線激光輪廓儀和雙向直線位移平臺(tái)安裝至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，利用轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)輪廓儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，獲取被測(cè)工件的形貌信息。其中Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于調(diào)整待測(cè)工件的高度，使之位于線激光輪廓儀的量程內(nèi)；線激光輪廓儀用于測(cè)量待測(cè)工件表面與輪廓儀標(biāo)準(zhǔn)面之間的高度；雙向位移臺(tái)用于調(diào)整激光輪廓儀與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間的位置關(guān)系；精密轉(zhuǎn)臺(tái)用于帶動(dòng)線激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；CMOS相機(jī)固定不動(dòng)，用于拍攝線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)至不同位置處的光條圖像，計(jì)算旋轉(zhuǎn)偏心誤差；兩軸精密位移臺(tái)用于調(diào)整整套測(cè)量裝置的位置，使待測(cè)工件位于檢測(cè)區(qū)域。

圖1 線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)

如圖2所示，將整個(gè)測(cè)量設(shè)備通過夾具安裝到混聯(lián)結(jié)構(gòu)加工機(jī)器人前端，實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備與多軸精密加工裝備的集成，通過該方法的在位旋轉(zhuǎn)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)被測(cè)工件面形貌的高精度檢測(cè)，且測(cè)量的精度不受設(shè)備運(yùn)動(dòng)精度的影響。

圖2 旋轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)與五自由度混聯(lián)加工機(jī)器人集成圖。（a）五自由度混聯(lián)加工機(jī)器人模型；（b）旋轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)集成區(qū)域

基于所搭建的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用CMOS相機(jī)拍攝不同位置的激光光條圖像，使用極值法提取光條中心、最小二乘法擬合運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算偏心誤差，建立了線激光輪廓儀測(cè)量數(shù)據(jù)的三維合成與誤差補(bǔ)償方法的數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB和Java編程對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維合成和極坐標(biāo)化處理，并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的跳動(dòng)和偏心、線激光輪廓儀傾斜誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。

圖3 不同位置激光圖片處理。（a）激光光條中心提取；（b）線結(jié)構(gòu)光端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡擬合

如圖4所示，通過與高精度接觸式輪廓儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，本文測(cè)量精度可控制至3 μm，接近設(shè)備測(cè)量精度的極限值；如圖5所示，與共聚焦測(cè)量方式相比，本文方法在測(cè)量復(fù)雜三維形貌時(shí)仍能保持較高的精度，且測(cè)量范圍和效率更高。

圖4 球體半徑測(cè)量與擬合。（a） 旋轉(zhuǎn)測(cè)量；（b） 接觸式測(cè)量；（c） MarSurf LD 130輪廓儀測(cè)量球體

圖5 鑰匙表面形貌。（a） 實(shí)物圖；（b） 線激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)測(cè)量完整三維形貌；（c）（e）（g） 旋轉(zhuǎn)測(cè)量局部形貌放大圖像；（d）（f）（h） VK-X200K測(cè)量局部形貌

總結(jié)與展望

本文研究了激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)偏心誤差計(jì)算方法，提出利用高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)線激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行三維表面形貌測(cè)量的在位檢測(cè)方式。通過測(cè)量球徑、特征寬度和平面高度差等特征驗(yàn)證了本方法的有效性，得到的重構(gòu)表面可完整準(zhǔn)確的反映被測(cè)工件的尺寸、形狀、表面形貌等信息。

選取的設(shè)備基于直射式激光三角法原理，在測(cè)量光滑表面和小孔時(shí)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，需進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)，提高本文測(cè)量方法對(duì)不同特征的適應(yīng)性，促使該方法在所述領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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