CN105806251A - 基于线激光传感器的四轴测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光传感器的四轴测量系统，包括三轴电控平移台，三轴电控平移台通过运动控制器连接至计算机主机，电动平台包括用于安装线激光传感器的三轴电控平移台，还包括用于放置被测零件的电控旋转台。本发明还公开了基于线激光传感器的四轴测量系统的测量方法。解决了针对航空叶片及形状复杂且具有自由曲面的零件非接触数字化测量效率低下、精度不高、成本高昂等问题。

Description

基于线激光传感器的四轴测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于数字化测量技术领域，涉及基于线激光传感器的四轴测量系统及其测量方法。

背景技术

目前，航空航天类发动机是飞行器动力的来源，也是飞行器的核心部件。发动机叶片的质量直接影响发动机的性能，是研究制造高性能航空航天发动机设备的关键。在燃气涡轮发动机中无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀，以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的。为了保证发动机性能的正常发挥,对于叶片的制造精度有着严格要求,必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性,叶片的加工质量直接影响整个发动机的性能。而且叶片的加工工艺十分复杂涉及多个专业领域,包括锻、铸、热、焊接、激光、机加、电化学等多种冷、热加工技术,是航空发动机制造工业中十分重要的一个环节。所以在生产加工的各个阶段,均需要对叶片的型面和尺寸进行检测。因此提高叶片型面的检测速度与质量,具有十分重要的研究意义,发动机叶片的加工与检测是制造工艺的核心内容之一。

坐标测量法是目前现有的叶片检测手段中精度最高的一种,适合于叶片生产的最终检验,由于坐标测量法要逐点测量叶片型面,测量效率非常低,且测量成本高,一般要求实验室环境下测量,因此该方法的使用受到一定的限制。

工业CT扫描测量是对被测件进行逐层扫描，获得一系列断层图像切片和数据，包括内部结构的完整信息，因此可适用于任何结构形状，测量精度较高，但测量时间长、成本高。

光学扫描测量具有测量速度快、数据齐全、工件装夹具要求低等特点，在实际应用中越来越占主导地位。双目激光测量技术的测量速度和效率都比较高，但在生产和加工中，该项技术的测量精度相对比较低，还不能满足高精度叶片的测量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线激光传感器的四轴测量系统，以解决针对航空叶片及形状复杂且具有自由曲面的零件非接触数字化测量效率低下、精度不高、成本高昂等问题。

本发明采用的技术方案是，基于线激光传感器的四轴测量系统，包括三轴电控平移台，三轴电控平移台通过运动控制器连接至计算机主机，电动平台包括用于安装线激光传感器的三轴电控平移台，还包括用于放置被测零件的电控旋转台；

三轴电控平移台，用于为线激光传感器提供三个轴线方向(X，Y，Z)的空间定位，其中X轴、Y轴和Z轴按照三维笛卡尔坐标定义设置；

电控旋转台，用于带动被测零件围绕T轴旋转，并提供T轴的空间定位，T轴与Z轴平行；

运动控制器，用于接收计算机主机发送的控制信息，并控制三轴电控平移台和电控旋转台进行相应的动作，以实现对被测零件的全方位扫描测量；

线激光传感器，用于在最佳量程范围内获取激光平面内的被测物表面二维坐标值，通过前期系统标定并结合三轴电控平移台和电控旋转台的位置信息拼合得到被测零件的完整三维点云数据。

进一步的，三轴电控平移台包括沿Y轴方向设置的Y轴平移台、沿Z轴方向设置的Z轴平移台和沿X轴方向设置的X轴平移台，Y轴平移台安装于Z轴平移台上，并可以沿着Z轴平移台上下运动以及沿着水平方向左右移动，Z轴平移台底部连接于X轴平移台，Z轴平移台可沿着X轴平移台的伸长方向往复运动，Y轴平移台的末端固定有线激光传感器。

进一步的，三轴电控平移台固定安装于气浮隔振工作台上，其中，X轴平移台和Y轴平移台均与气浮隔振工作台平行，Z轴平移台与气浮隔振工作台垂直，电控旋转台的旋转轴线垂直于气浮隔振工作台。

进一步的，Y轴平移台、Z轴平移台、X轴平移台和电控旋转台均连接设置有步进电机，每个步进电机均连接至用于控制其运动过程的运动控制器。

本发明采用的第二种技术方案是，上述基于线激光传感器的四轴测量系统的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、将系统初始化，以识别线激光传感器的接口类型，并为其分配通信接口，同时识别运动控制卡；

步骤2、对线激光传感器进行标定，包括对线激光传感器的光平面法向量的标定和主光轴光束方向的标定；

步骤3、标定电控旋转台的轴线；

步骤4、将被测零件置于电控旋转台上，并调整线激光传感器的位置，使得被测零件位于第一视角内的一段被测表面处在线激光传感器的可视范围内；

步骤5、采集一段被测表面的n个测量点的原始景深值，将n个原始景深值的平均值与标准景深值S_标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，并重新获取n个测量点的修正景深值；将线激光位移传感器沿Y轴正向移动，并对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移后，获取被测零件的全部表面的修正景深值；

其中，标准景深值S_标为线激光位移传感器的光心到其标准测量范围中心点的距离。

步骤6、通过电控旋转台带动被测零件依次旋转到其它预定视角，并重复步骤5的过程，依次完成在各个视角下的扫描测量；

步骤7、将各个视角下测量得到的被测零件的表面数据，利用空间刚体运动学知识，将各个表面数据绕着电控旋转台的旋转轴逆向回转拼合成完整的点云数据。

进一步的，步骤2的具体方法为，利用标准球结合几何物理的方法快速标定出线激光传感器主光轴方向向量以及激光平面的法向量，基于标准球对转台轴线位置进行标定的方法求解旋转工作台轴向方向向量；

进一步的，采用基于三坐标的标准球对电控旋转台的轴线位置进行标定的方法，来求解旋转工作台的轴向方向向量。

进一步的，步骤5中，线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移的具体方法为，

将n个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S_标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s_标相差距离δ，δ＝∣λ-S_标∣；

如果δ>0，则将线激光位移传感器沿X轴负方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值；如果δ<0，则将线激光位移传感器沿X轴正方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值。

本发明的有益效果是，基于线激光传感器的四轴测量系统，采用光学传感器与伺服驱动技术结合搭建，结构简单、高效且成本低；基于线激光传感器的四轴测量系统的测量方法，针对形状复杂且具有自由曲面的零件，进行了基于线激光位移传感器的三维测量系统的开发，研究了传感器激光平面法向量和激光主光轴光束方向标定方法，进行了电控旋转台的轴向标定技术研究，并对多视角测量得到的点云数据进行了拼合，最终可以得到零完整的三维数据，在满足精度要求的同时，大大提高了数字化测量的效率，并降低了成本。

附图说明

图1为本发明基于线激光传感器的四轴测量系统的结构示意图；

图2为本发明基于线激光传感器的四轴测量系统整体技术路线图；

图3为本发明基于线激光传感器的四轴测量系统的硬件框图；

图4-1至图4-4为本发明基于线激光传感器的四轴测量系统实施例中的多视角空间分布示意图；

其中，图4-1为第一视角示意图，图4-2为第二视角示意图，图4-3为第三视角示意图，图4-4为第四视角示意图。

图中，1.计算机外设，2.计算机主机，3.运动控制器，4.被测零件，5.线激光传感器，7.气浮隔振工作台，8.电控旋转台，9.Y轴平移台，10.Z轴平移台，11.X轴平移台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于线激光传感器的四轴测量系统，参见图1，包括三轴电控平移台，三轴电控平移台通过运动控制器3连接至计算机主机2，计算机主机2还连接有用于人机交互的计算机外设1。电动平台包括用于安装线激光传感器5的三轴电控平移台，还包括用于放置被测零件4的电控旋转台8；三轴电控平移台，用于为线激光传感器5提供三个轴线方向(X，Y，Z)的空间定位；电控旋转台8，用于带动被测零件4旋转并提供T轴的空间定位；运动控制器3，用于接收计算机主机2发送的控制信息，并控制三轴电控平移台和电控旋转台8进行相应的动作，以实现对被测零件4的全方位扫描测量；线激光传感器5，用于在最佳量程范围内获取激光平面内的被测物表面二维坐标值，通过前期系统标定并结合三轴电控平移台和电控旋转台8的位置信息拼合得到被测零件4的完整三维点云数据。

其中，X轴、Y轴和Z轴按照三维笛卡尔坐标定义设置，T轴与Z轴平行。三轴电控平移台包括沿Y轴方向设置的Y轴平移台9、沿Z轴方向设置的Z轴平移台10和沿X轴方向设置的X轴平移台11，Y轴平移台9安装于Z轴平移台10上，并可以沿着Z轴平移台10上下运动以及沿着水平方向左右移动，Z轴平移台10底部连接于X轴平移台11，Z轴平移台10可沿着X轴平移台11的伸长方向往复运动，Y轴平移台9的末端固定有线激光传感器5。

Y轴平移台9、Z轴平移台10、X轴平移台11和电控旋转台8均连接设置有步进电机，每个步进电机均连接至用于控制其运动过程的运动控制器3。这三个电控平移台的步进电机按照运动控制器3发出的指令带动线激光传感器5运动到指定位置，电控旋转台8的步进电机按照运动控制器3发出的指令带动被测零件4转过指定角度。运动系统未采用昂贵的数控机床，采用光学传感器与伺服驱动技术结合搭建的整个运动系统，简单高效成本低。

三轴电控平移台固定安装于气浮隔振工作台7上，其中，X轴平移台11和Y轴平移台均与气浮隔振工作台7平行，Z轴平移台10与气浮隔振工作台7垂直，电控旋转台8的旋转轴线垂直于气浮隔振工作台7。采用气浮隔振工作台7能够缓冲吸震，为精密设备提高更加可靠的工作环境。

本发明优选采用MPC08运动控制卡与运动控制器3配合使用。MPC08运动控制器是基于PC机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，它与PC机构成主从式控制结构。测量人员使用计算机标准外设设备将操作信息发送给运动控制系统；计算机得到控制信息，通过运动控制软件转化为运动参数，并发送给运动控制函数；运动控制函数调用控制卡驱动程序处理参数，并发出指令给运动控制卡；运动控制卡得到控制卡驱动程序所发出的指令，并根据指令发出脉冲、方向等信号给伺服电机，读取编码器数据、读写通用输入输出口。

本发明开发的基于线激光传感器的四轴测量系统，实现了四个轴的组合运动控制，实现了在伺服电机驱动下的直线、平面、三维、三维加旋转的精确定位运动及轨迹运行。成功的解决了自由曲面高精度高效率数字化测量问题，获取了航空叶片等具有复杂自由曲面的零件三维数据，在达到精度要求的同时，提高了测量效率，并降低了测量成本和操作复杂度。

例如，对常见航空叶片的三维测量时间平均为15分钟，去噪处理后得到的单个叶片点云数量为315000个，平均有效采样效率高达350点/秒，而传统的三坐标接触式测量有效点采样效率一般为2点/秒。在保证精度的同时，大大节省了测量时间，同时降低了操作复杂度，有效控制了测量成本。

本发明是一种基于线激光传感器的四轴测量系统，如图1所示，它主要包括执行部分、控制部分、动力及传动三部分。

1、执行部分主要是线激光位移传感器5，本发明使用的激光位移传感器5用线光源代替点光源，在空间中投射一窄的激光平面，当与被测零件4的表面相交时会在物体表面产生一条亮的光条，通过计算机与四轴测量系统的数字化集成，操纵计算机便可使线激光传感器5按照预定的路径全方位扫描被测零件4，快速获得被测零件4的三维点云数据。

2、控制部分主要包括计算机2、MPC08运动控制卡、运动控制器3、光栅尺和光电编码器等，计算机与运动控制卡有自己独立的CPU和存储，因此相当于主从控制方式。

控制部分的硬件控制框图如图3，运动控制卡是基于计算机PCI总线的步进电机上位控制模块，计算机管理人机交互界面、控制系统的实时监控等(例如外设设备的输入输出、显示系统状态、传送控制指令、监控外部信号等等)，测量人员通过计算机外设发送指令，运动控制卡通过PCI总线得到指令，步进电机驱动器驱动个轴步进电机按指令运动，同时各轴的光栅尺通过光电编码器向脉冲计数卡反馈运动信息，同时输入输出卡控制开关量端口如线激光位移传感器5、电源开关等；该部分主要功能为控制三轴电控平移台6带动线激光位移传感器按照预期的运动路径在空间中运动，控制电控旋转台带动被测零件按照设计好的扫描策略旋转运动，从而实现完整高效的三维扫描测量。

3、动力及传动部分主要是Y轴平移台9、Z轴平移台10、X轴平移台11和电控旋转台8及其相关附件，主要功能为带动线激光传感器5和被测零件4运动。

本发明的基于线激光传感器的四轴测量系统的技术路线如图2所示，测量工作开始前，首先完成线激光传感器5激光平面的空间位置精确标定，以及电控旋转台8的轴线精确标定；由计算机调用三轴电控平移台6的控制程序、电控旋转台8的控制程序、线激光传感器5的数据获取程序，接着三轴电控平移台6的程序驱动步进电机运动，从而带动线激光传感器5运动到指定位置，当被测零件4的表面处于线激光传感器5的测量量程范围内时，计算机主机2调用线激光传感器5的数据获取程序来获取当前视角下被测零件4的表面数据，然后按照设定好的运动参数扫描测量该视角下的被测零件4的表面，并将三维数据信息传回计算机主机2存储；

由于该线激光传感器5的测量量程范围的限制，对于尺寸较大的物体无法一次全面扫描，因此需要多个视角多次定位测量。在完成一个视角的测量后，计算机调用电控旋转台8的驱动程序，驱动被测零件4旋转到第二个视角，重复上一步继续扫描测量三维型面，直至完成整个零件的多个视角的全部测量；根据之前获取的电控旋转台8的轴线位置，计算机主机2调用多视角点云数据拼接程序，把多个视角下的测量数据旋转拼合到一个统一坐标系下，从而获取完整的三维点云数据。最后还可以通过精度验证实验对基于线激光传感器的四轴测量系统的精度进行验证和评估，并分析几何误差来源。

本发明还提供了一种基于线激光传感器的四轴测量系统的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、将系统初始化，以识别线激光传感器5的接口类型，并为其分配通信接口，同时识别运动控制卡。

步骤2、对线激光传感器5进行标定，包括对线激光传感器5的光平面法向量的标定和主光轴光束方向的标定。具体是，利用标准球结合几何物理的方法快速标定出线激光传感器主光轴方向向量以及激光平面的法向量，基于标准球对转台轴线位置进行标定的方法求解旋转工作台轴向方向向量。

步骤3、标定电控旋转台8的轴线：采用基于三坐标的标准球对电控旋转台8的轴线位置进行标定的方法，来求解旋转工作台8的轴向方向向量。

步骤4、将被测零件4置于电控旋转台8上，并调整线激光传感器5的位置，使得被测零件4位于第一视角内的一段被测表面处在线激光传感器5的可视范围内。

采集所述一段被测表面的n个测量点的原始景深值，将n个原始景深值的平均值与标准景深值S_标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，并重新获取n个测量点的修正景深值；将线激光位移传感器5沿Y轴正向移动，并对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移后，获取被测零件4的全部表面的修正景深值；其中，标准景深值S_标为线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心点的距离，标准测量范围是由线激光传感器5的选型决定的，线激光传感器5的标准测量范围是位于激光线投射范围中的矩形区域，在该标准测量范围内测量的结果更准确。

线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移的具体方法为：

将n个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S_标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s_标相差距离δ，δ＝∣λ-S_标∣；

如果δ>0，则将线激光位移传感器5沿X轴负方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值；如果δ<0，则将线激光位移传感器5沿X轴正方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值。

步骤6、通过电控旋转台8带动被测零件4依次旋转到其它预定视角，并重复步骤5的过程，依次完成在各个视角下的扫描测量。如图4-1至图4-4所示，分别表示了被测零件4的第一视角至第四视角。由于该线激光传感器5的测量量程范围的限制，对于尺寸较大的物体无法一次全面扫描，因此需要多个视角多次定位测量。在完成一个视角的测量后，计算机调用电控旋转台8的驱动程序，驱动被测零件4旋转到第二个视角，重复上一步继续扫描测量被测零件4的三维型面，直至完成整个被测零件4的多个视角的全部测量。其中，视角的数量和方向是根据零件的外形特征以及测量需要来选择的。

步骤7、将各个视角下测量得到的被测零件4的表面数据，利用空间刚体运动学知识，将各个表面数据绕着电控旋转台8的旋转轴逆向回转拼合成完整的点云数据。

根据之前获取的电控旋转台8的轴线位置，计算机主机2调用多视角点云数据拼接程序，把多个视角下的测量数据旋转拼合到一个统一坐标系下，从而获取完整的三维点云数据。由于多视角测量得到的点云数据并不在同一坐标系下，故需要将多视角点云数据进行拼合，转换到同一坐标系得到完整的被测零件4三维点云数据。最后还可以通过精度验证实验对基于线激光传感器的四轴测量系统的精度进行验证和评估，并分析几何误差来源。数据拼合过程为，分别扫描各个视角下的零件表面数据，最终利用空间刚体运动学知识，将各片数据绕着转台的旋转轴逆向回转拼合成完整的点云数据。

本发明的基于线激光传感器的四轴测量系统及其测量方法，针对形状复杂且具有自由曲面的零件，例如航空叶片型面尺寸检测，进行了基于线激光位移传感器的三维测量系统的开发，研究了传感器激光平面法向量和激光主光轴光束方向标定方法，进行了电控旋转台的轴向标定技术研究，并对多视角测量得到的点云数据进行了拼合，得到了完整的叶片三维数据，在满足精度要求的同时很大的提高了数字化测量的效率并降低了成本。

Claims (8)

1.基于线激光传感器的四轴测量系统，其特征在于，包括三轴电控平移台，所述三轴电控平移台通过运动控制器(3)连接至计算机主机(2)，所述电动平台包括用于安装线激光传感器(5)的三轴电控平移台，还包括用于放置被测零件(4)的电控旋转台(8)；

所述的三轴电控平移台，用于为线激光传感器(5)提供三个轴线方向(X，Y，Z)的空间定位，其中X轴、Y轴和Z轴遵循三维笛卡尔坐标定义设置；

所述的电控旋转台(8)，用于带动被测零件(4)围绕T轴旋转，并提供T轴的空间定位，所述T轴与Z轴平行；

所述的运动控制器(3)，用于接收所述计算机主机(2)发送的控制信息，并控制所述的三轴电控平移台和所述的电控旋转台(8)进行相应的动作，以实现对被测零件(4)的全方位扫描测量；

所述的线激光传感器(5)，用于在最佳量程范围内获取激光平面内的被测物表面二维坐标值，通过前期系统标定并结合三轴电控平移台和电控旋转台(8)的位置信息拼合得到被测零件(4)的完整三维点云数据。

2.如权利要求1所述的基于线激光传感器的四轴测量系统，其特征在于，所述三轴电控平移台包括沿Y轴方向设置的Y轴平移台(9)、沿Z轴方向设置的Z轴平移台(10)和沿X轴方向设置的X轴平移台(11)，所述Y轴平移台(9)安装于所述的Z轴平移台(10)上，并可以沿着Z轴平移台(10)上下运动以及沿着水平方向左右移动，所述的Z轴平移台(10)底部连接于X轴平移台(11)，所述的Z轴平移台(10)可沿着X轴平移台(11)的伸长方向往复运动，所述Y轴平移台(9)的末端固定有线激光传感器(5)。

3.如权利要求1或2所述的基于线激光传感器的四轴测量系统，其特征在于，所述三轴电控平移台固定安装于气浮隔振工作台(7)上，其中，所述X轴平移台(11)和所述Y轴平移台均与所述气浮隔振工作台(7)平行，所述Z轴平移台(10)与所述气浮隔振工作台(7)垂直，所述电控旋转台(8)的旋转轴线垂直于所述气浮隔振工作台(7)。

4.如权利要求1或2所述的基于线激光传感器的四轴测量系统，其特征在于，所述Y轴平移台(9)、Z轴平移台(10)、X轴平移台(11)和电控旋转台(8)均连接设置有步进电机，每个所述步进电机均连接至用于控制其运动过程的运动控制器(3)。

5.一种如权利要求1至4所述的基于线激光传感器的四轴测量系统的测量方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、将系统初始化，以识别线激光传感器(5)的接口类型，并为其分配通信接口，同时识别运动控制卡；

步骤2、对线激光传感器(5)进行标定，包括对线激光传感器(5)的光平面法向量的标定和主光轴光束方向的标定；

步骤3、标定电控旋转台(8)的轴线；

步骤4、将被测零件(4)置于电控旋转台(8)上，并调整线激光传感器(5)的位置，使得被测零件(4)位于第一视角内的一段被测表面处在线激光传感器(5)的可视范围内；

步骤5、采集所述一段被测表面的n个测量点的原始景深值，将n个原始景深值的平均值与标准景深值S_标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，并重新获取n个测量点的修正景深值；将线激光位移传感器(5)沿Y轴正向移动，并对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移后，获取被测零件(4)的全部表面的修正景深值；

其中，标准景深值S_标为线激光位移传感器(5)的光心到其标准测量范围中心点的距离；

步骤6、通过电控旋转台(8)带动被测零件(4)依次旋转到其它预定视角，并重复步骤5的过程，依次完成在各个视角下的扫描测量；

步骤7、将各个视角下测量得到的被测零件(4)的表面数据，利用空间刚体运动学知识，将各个表面数据绕着电控旋转台(8)的旋转轴逆向回转拼合成完整的点云数据。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法为，利用标准球结合几何物理的方法快速标定出线激光传感器主光轴方向向量以及激光平面的法向量，基于标准球对转台轴线位置进行标定的方法求解旋转工作台轴向方向向量。

7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法为，采用基于三坐标的标准球对电控旋转台(8)的轴线位置进行标定的方法，来求解旋转工作台(8)的轴向方向向量。

8.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5中，线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移的具体方法为，

将n个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器(5)的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S_标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s_标相差距离δ，δ＝∣λ-S_标∣；

如果δ>0，则将线激光位移传感器(5)沿X轴负方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值；如果δ<0，则将线激光位移传感器(5)沿X轴正方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值。