線結(jié)構(gòu)光：測量三維形貌的利器

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

傳統(tǒng)的線激光輪廓儀與工件做相對直線運動的測量方式對線性運動平臺的精度要求較高，且系統(tǒng)占用空間大，不易實現(xiàn)在位精密測量；輪廓儀固定、工件旋轉(zhuǎn)運動測量時，測量范圍有限。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，多采用混聯(lián)加工機器人對其加工，同時為保證加工質(zhì)量，需要對加工結(jié)果進行精密的在位檢測。但加工機器人運動精度有限，無法在整個測量空間進行單獨直線運動，因此開展該工況下被測件三維形貌的精密在位測量，保證測量精度和路徑不受機器人運動特點限制具有重要意義。

激光魔力轉(zhuǎn)圈圈，新運動方式實現(xiàn)三維形貌的精密測量

中國人講究外圓內(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)定性高的測量方式，提供了開放而嚴謹?shù)乃悸贰?/p>

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

圖1 線結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)

如圖2所示，將整個測量設(shè)備通過夾具安裝到混聯(lián)結(jié)構(gòu)加工機器人前端，實現(xiàn)測量設(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)測量可實現(xiàn)被測工件面形貌的高精度檢測，且測量的精度不受設(shè)備運動精度的影響。

圖2 旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)與五自由度混聯(lián)加工機器人集成圖。（a）五自由度混聯(lián)加工機器人模型；（b）旋轉(zhuǎn)測量系統(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、最小二乘法擬合運動軌跡，如圖3所示。根據(jù)擬合結(jié)果計算偏心誤差，建立了線激光輪廓儀測量數(shù)據(jù)的三維合成與誤差補償方法的數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB和Java編程對測量數(shù)據(jù)進行三維合成和極坐標化處理，并對轉(zhuǎn)臺的跳動和偏心、線激光輪廓儀傾斜誤差進行了補償。

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)光端點運動軌跡擬合

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

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

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

總結(jié)與展望

本文研究了激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)偏心誤差計算方法，提出利用高精度旋轉(zhuǎn)平臺帶動線激光輪廓儀旋轉(zhuǎn)運動進行三維表面形貌測量的在位檢測方式。通過測量球徑、特征寬度和平面高度差等特征驗證了本方法的有效性，得到的重構(gòu)表面可完整準確的反映被測工件的尺寸、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，在測量光滑表面和小孔時容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，需進一步簡化測量系統(tǒng)，提高本文測量方法對不同特征的適應(yīng)性，促使該方法在所述領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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