CN107765425A - 基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法 - Google Patents

基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法 Download PDF

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Abstract

基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法属于先进加工制造技术领域。现有技术定焦准确度低，光强自动搜索扫描的横向分辨力低。本发明其特征在于，根据两个光电探测器各自探测的光强电信号分别建立标定反射光‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线；由测量控制模块将‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线，以差分轴向光强响应曲线为控制信号动态反馈控制扫描激光的聚焦；由测量控制模块将‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线；建立双轴扫描振镜的投影坐标系与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系的坐标转换矩阵；完成激光扫描投影。

Description

基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法
技术领域
本发明涉及一种基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，在智能制造和装配过程中，采用该方法实现各种零部件的激光辅助加工(如复合材料铺叠、蒙皮钻铆、焊接等)和指示定位装配，由扫描振镜实现激光循环扫描投影，将由三维CAD数模驱动的零部件三维外形轮廓激光线框准确投影显示在目标加工和装配区域，属于先进加工制造技术领域。
背景技术
激光扫描投影方法能够将待加工或者待装配的零部件，也就是待投影工件的三维外形轮廓以激光光线循环扫描投影的方式转换为激光线框并显示在目标加工和装配区域，该区域又称投影承接区域，从而实现各种零部件加工和装配辅助指示。
现有激光扫描投影方法包括以下各步骤，如图1、图2所示。
首先是扫描投影激光光斑的聚焦调整。激光器1出射的扫描投影激光先后通过聚焦模块2、分光棱镜3和双轴扫描振镜4向投影承接区域10投影，操作人员通过键盘或者遥控器等手动输入设备向测量控制模块6发送上下左右移动指令，由测量控制模块6向双轴扫描振镜4中的两个精密转角机构9发送转角控制信号，驱动双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13偏转，将扫描投影激光投射到投影承接区域10中。之后操作人员手动控制扫描激光的聚焦，由操作人员人眼观察并判断投影承接区域10中的激光光斑的聚焦情况，通过所述手动输入设备向测量控制模块6发送前后移动指令，由测量控制模块6向聚焦模块2中的精密位移机构8发送位移控制信号，驱动精密位移机构8前后移动，人眼观察判断光斑是否最小；当判断激光光斑达到最小时，则完成扫描投影激光光斑的聚焦调整。该步骤在一定程度上保证沿光轴方向的定焦准确度。
不过，现有方法该步骤未能利用扫描投影激光的标定反射光的光路分布来自动反馈控制扫描投影激光光斑的聚焦调整，人工操作难以最大程度提高定焦准确度。另外，现有方法是将扫描投影激光光斑汇聚于1～10米处，所述聚焦模块2须采用反远距型镜组，这种镜组的工作距离和像方焦距都在数米量级上，镜组的数值孔径(N.A.＝n×D/2f)势必极低，通常为10-3，根据下式：
式中：Δx+和Δx-分别为前焦深和后焦深，f为镜组的像方焦距，D为镜组的通光孔径，a为像方焦点前后呈清晰像的弥散圆半径，可知镜组的焦深长达百毫米量级，人工进行聚焦调整难以得到最小的激光光斑。
其次是解算出双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)间的转换关系。
由于双轴扫描振镜4是精密转角器件，无法得知投影承接区域10的位置，无法确定反映待投影零部件三维外形轮廓特征的激光线框16应被扫描投影在哪里。这就需要确定投影承接区域10的位置，以及建立待投影工件三维CAD数模上任意点的三维坐标值与双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13扫描角度值的对应关系，也就是建立双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)间的转换关系。
根据多元方程解算的需要，在投影承接区域10内随机布设若干背向反射合作目标11，如4至6个，各个背向反射合作目标11的布设位置在数模坐标系(O-XOYOZO)中的三维坐标是已知的，从而导入背向反射合作目标11的O-XOYOZO坐标。由测量控制模块6发送的扫描驱动信号通过驱动双轴扫描振镜4中的两个精密转角机构9分别驱动双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13，扫描背向反射合作目标11的反光区，扫描投影激光的一部分被背向反射合作目标11反射，作为标定反射光沿原光路返回，由分光棱镜3反射到光强探测模块5，在光强探测模块5中由汇聚物镜14汇聚到光电探测器15上，由光电探测器15进行光电转换得到光强电信号，并传送给测量控制模块6。当探测到标定反射光极值，则探测到背向反射合作目标11的反光区的光强峰值区域，该光强峰值区域的中心点就是所述扫描标定位置，其三维坐标值与此时的垂直扫描镜12和水平扫描镜13各自的偏转角度值对应，由此完成了一个背向反射合作目标11中心位置的高精度扫描定位。重复上述过程，逐一对每个背向反射合作目标11的反光区进行扫描，获取各组三维坐标值和偏转角度值，由此建立P-XPYPZP与O-XOYOZO的坐标转换矩阵，并解算出双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)间的转换关系。
可见，如果能够增强激光扫描投影装置的光强自动搜索扫描的横向分辨力，将会更精确地解算出双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)间的转换关系，而光强自动搜索扫描的横向分辨力的提高也有赖于扫描投影激光的聚焦准确度。并且，由于光电探测器15位于汇聚物镜14像方焦点，光电探测器15获得的光强响应曲线在P点出现光强极值，对应的物方光斑被准确汇聚至最小，如图5中的曲线0所示，可是，光强响应曲线在P点附近的斜率趋近于零，这将导致光电探测器15获得的光强值不能敏感地随精密位移机构8位移量的变化而变化，如当在P点前后光强变化1％，轴向归一化坐标u变化约为0.21，对应实际的物方轴向变化量约为4.3mm，该变化量导致扫描投影激光光斑的直径由约0.5mm增加至约0.7mm，这不仅将导致该激光扫描投影方法无法达到标称的投影准确度，更有可能导致对背向反射合作目标11的扫描标定失败。
最后，完成待投影工件的三维外形轮廓在投影承接区域10的激光扫描投影。将待投影工件三维CAD数模导入到测量控制模块6中，由测量控制模块6计算待投影工件三维CAD数模的若干特征点在数模坐标系(O-XOYOZO)中的三维坐标值，并根据上述获得的坐标转换矩阵计算与若干特征点对应的若干组扫描投影方位角和俯仰角，驱动双轴扫描振镜4精确偏转和快速循环扫描投影待投影工件三维外形轮廓，并在投影承接区域10形成激光线框16。
可见，在实际应用中将由三维CAD数模驱动的零部件三维外形轮廓激光线框准确投影显示在目标加工和装配区域，影响扫描投影定位准确度的本质因素是扫描投影激光的聚焦准确度，其对扫描投影定位准确度的影响表现有以下两方面：
一是激光扫描投影出的激光线框16的线宽，即在投影承接区域10中进行扫描投影时，激光光斑所能达到的最小尺寸。扫描投影激光经聚焦模块2在投影承接区域10中沿光轴方向的定焦准确度越高，激光光斑的尺寸就越小，激光光斑循环扫描投影的激光线框16的线宽就越窄，越能精确地辅助加工和指示装配；
二是双轴扫描振镜4对背向反射合作目标11中心位置的扫描定位精度。当激光光斑尺寸越小，激光光斑在背向反射合作目标11上进行光强自动搜索扫描时的横向分辨力就越强，双轴扫描振镜4就能够以更小的扫描间隔进行更细致的扫描，同时，光强探测模块5也能够获取更多扫描标定位置的标定反射光的光强信息，也就能够更准确地获得与背向反射合作目标11中心位置对应的一对偏转角度值，进而解算出更准确的坐标系转换关系。
发明内容
本发明的目的在于，在双轴扫描振镜4的扫描精度和测量控制模块6的控制精度确定的前提下，进一步提高激光器1出射的扫描投影激光沿光轴方向的定焦准确度，获得尺寸最小的激光光斑，提高光强自动搜索扫描的横向分辨力，提高激光扫描投影定位准确度，为此，我们发明了一种基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法。由于激光扫描投影的定位准确度以激光半线宽定义，因此，所述定焦准确度的提高直接决定了激光扫描投影的定位准确度的提高；由于光强自动搜索扫描的横向分辨力直接关系到投影坐标系(P-XPYPZP)与数模坐标系(O-XOYOZO)转换关系的解算精确度，因此，横向分辨力的提高同样也直接决定了激光扫描投影的定位准确度的提高。
如图3～5所示，本发明之基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法其特征在于：
首先，在分光棱镜3的标定反射光光路上设置对称离焦双探测器光强探测模块17；在所述对称离焦双探测器光强探测模块17中，在标定光分光棱镜18的透射、反射光路上各配备一组汇聚物镜14和光电探测器15，两个光电探测器15的感光面分别位于各自对应的汇聚物镜14偏离像方焦点-ΔZ处和+ΔZ处；根据两个光电探测器15各自探测的光强电信号分别建立标定反射光-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2；两个光电探测器15的输出端分别连接到测量控制模块6的两个模拟信号输入端；测量控制模块6的调焦驱动信号输出端连接到聚焦模块2中的精密位移机构8；
其次，由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线3，以差分轴向光强响应曲线3为控制信号动态反馈控制扫描激光的聚焦，由测量控制模块6向聚焦模块2发送反馈控制信号，控制其中的精密位移机构8实现扫描投影激光光斑的轴向自聚焦，当差分轴向光强响应曲线3的斜率达到最大值，完成扫描投影激光光斑的聚焦调整；
第三，由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线4；在投影承接区域10内非规则布设若干背向反射合作目标11，导入背向反射合作目标11的O-XOYOZO坐标；由测量控制模块6发送的扫描驱动信号通过驱动双轴扫描振镜4中的两个精密转角机构9分别驱动双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13，扫描背向反射合作目标11反光区，由测量控制模块6记录双轴扫描振镜4扫描所述反光区各个位置时由两个光电探测器15各自探测的光强电信号，经过计算处理得出反光区中心位置，再将该中心位置与获得该中心位置光强电信号时的垂直扫描镜12和水平扫描镜13各自的偏转角度值结合，完成一个背向反射合作目标11中心位置的高精度扫描定位；重复上述过程，逐一对每个背向反射合作目标11的反光区进行扫描和定位；根据获得的若干组坐标值和角度值，建立双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)的坐标转换矩阵，并解算出所述投影坐标系与所述数模坐标系之间的转换关系；
最后，完成待投影工件的三维外形轮廓在投影承接区域10的激光扫描投影。
本发明其技术效果在于，若两个光电探测器15中的任何一个位于像方焦点处，探测到的轴向光强响应曲线为像方焦点处的轴向光强响应曲线，如图5所示。此时来看，同在零点O，-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强值仅相当于像方焦点处轴向光强响应曲线0光强值的约0.707倍，然而，在此条件下，能够以差分和加和的方式进行控制，从而获得预期效果。
由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线3，如图5所示，该曲线在零点O与像方焦点处轴向光强响应曲线0峰值点P精确对应；像方焦点处轴向光强响应曲线0在P点附近的斜率接近于零，也就是光强值的变化对精密位移机构8的位移量的变化不敏感，即使由测量控制模块6根据像方焦点处轴向光强响应曲线0向聚焦模块2发送反馈控制信号，控制其中的精密位移机构8实现扫描投影激光光斑的轴向自聚焦，而非人眼观察手动调焦，扫描投影激光沿光轴方向的定焦准确度依旧难以提高，但是，差分轴向光强响应曲线3在零点O的斜率最大，也就是说此处随轴向位移光强变化最大，至此可见，利用差分轴向光强响应曲线3与像方焦点处轴向光强响应曲线0的这种特定关系，由测量控制模块6向聚焦模块2发送反馈控制信号，控制其中的精密位移机构8实现扫描投影激光光斑的轴向自聚焦，不仅能够取代现有人眼观察手动调焦方式，而且轴向聚焦精度能够得到明显提高。
由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线4，如图5所示，该曲线峰值点P″与像方焦点处轴向光强响应曲线0的峰值点P相对应，且加和轴向光强响应曲线4峰值约为像方焦点处轴向光强响应曲线0峰值的1.414倍，因此，相比于现有单探测器激光扫描投影装置和方法，本发明能够对背向反射合作目标11进行高精度的横向扫描定位，从而能够更灵敏、更准确地建立投影坐标系(P-XPYPZP)与数模坐标系(O-XOYOZO)间的转换关系。
可见，本发明将差分式光强探测方法与加和式光强探测方法相结合，兼顾提高激光扫描投影装置的轴向定焦能力和横向扫描分辨能力。
附图说明
图1是现有激光扫描投影方法步骤框图。
图2是实现现有激光扫描投影方法的激光扫描投影装置结构示意图。
图3是实现本发明之激光扫描投影方法所采用的具有对称离焦双探测器光强探测模块的激光扫描投影装置结构示意图。
图4是本发明之基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法步骤框图。
图5是采用具有对称离焦双探测器光强探测模块的激光扫描投影装置获得的轴向光强响应曲线图，竖轴为光强I，横轴为轴向归一化坐标u，图中：
曲线0为探测器位于像方焦点处的轴向光强响应曲线；
曲线1为探测器位于偏离像方焦点-ΔZ处的轴向光强响应曲线；
曲线2为探测器位于偏离像方焦点+ΔZ处的轴向光强响应曲线；
曲线3为差分轴向光强响应曲线；
曲线4为加和轴向光强响应曲线。
具体实施方式
如图3～5所示，本发明之基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法其具体步骤如下所述：
首先，在分光棱镜3的标定反射光光路上设置对称离焦双探测器光强探测模块17；在所述对称离焦双探测器光强探测模块17中，在标定光分光棱镜18的透射、反射光路上各配备一组汇聚物镜14和光电探测器15，两个光电探测器15的感光面分别位于各自对应的汇聚物镜14偏离像方焦点-ΔZ处和+ΔZ处；根据两个光电探测器15各自探测的光强电信号分别建立标定反射光-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2；两个光电探测器15的输出端分别连接到测量控制模块6的两个模拟信号输入端；测量控制模块6的调焦驱动信号输出端连接到聚焦模块2中的精密位移机构8；
在汇聚物镜14与光电探测器15之间的光路上加入点探测针孔19，如图3所示，在实现标定反射光点照明光电探测器15感光面，消除杂散光干扰，提高标定反射光的光束质量；
其次，由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线3，以差分轴向光强响应曲线3为控制信号动态反馈控制扫描激光的聚焦，由测量控制模块6向聚焦模块2发送反馈控制信号，控制其中的精密位移机构8实现扫描投影激光光斑的轴向自聚焦，当差分轴向光强响应曲线3的斜率达到最大值，完成扫描投影激光光斑的聚焦调整；
第三，由测量控制模块6将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线2的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线4；在投影承接区域10内非规则布设若干背向反射合作目标11，导入背向反射合作目标11的O-XOYOZO坐标；由测量控制模块6发送的扫描驱动信号通过驱动双轴扫描振镜4中的两个精密转角机构9分别驱动双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13，扫描背向反射合作目标11反光区，扫描方式为逐行扫描、逐列扫描或者先逐行扫描/逐列扫描再逐列扫描/逐行扫描，由测量控制模块6记录双轴扫描振镜4扫描所述反光区各个位置时由两个光电探测器15各自探测的光强电信号，经过计算处理得出反光区中心位置，再将该中心位置与获得该中心位置光强电信号时的垂直扫描镜12和水平扫描镜13各自的偏转角度值结合，完成一个背向反射合作目标11中心位置的高精度扫描定位；重复上述过程，逐一对每个背向反射合作目标11的反光区进行扫描和定位；根据获得的若干组坐标值和角度值，建立双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-XPYPZP)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-XOYOZO)的坐标转换矩阵，并解算出所述投影坐标系与所述数模坐标系之间的转换关系；
最后，将待投影工件三维CAD数模导入到测量控制模块6中，由测量控制模块6计算待投影工件三维CAD数模的若干特征点在数模坐标系(O-XOYOZO)中的三维坐标值，并根据上述获得的坐标转换矩阵计算与若干特征点对应的若干组扫描投影方位角和俯仰角，驱动双轴扫描振镜4精确偏转和快速循环扫描投影待投影工件三维外形轮廓，并在投影承接区域10形成激光线框16，完成待投影工件的三维外形轮廓在投影承接区域10的激光扫描投影。

Claims (4)

1.一种基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，其特征在于：
首先，在分光棱镜(3)的标定反射光光路上设置对称离焦双探测器光强探测模块(17)；在所述对称离焦双探测器光强探测模块(17)中，在标定光分光棱镜(18)的透射、反射光路上各配备一组汇聚物镜(14)和光电探测器(15)，两个光电探测器(15)的感光面分别位于各自对应的汇聚物镜(14)偏离像方焦点-ΔZ处和+ΔZ处；根据两个光电探测器(15)各自探测的光强电信号分别建立标定反射光-ΔZ离焦轴向光强响应曲线(1)和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线(2)；两个光电探测器(15)的输出端分别连接到测量控制模块(6)的两个模拟信号输入端；测量控制模块(6)的调焦驱动信号输出端连接到聚焦模块(2)中的精密位移机构(8)；
其次，由测量控制模块(6)将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线1和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线(2)的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线(3)，以差分轴向光强响应曲线(3)为控制信号动态反馈控制扫描激光的聚焦，由测量控制模块(6)向聚焦模块(2)发送反馈控制信号，控制其中的精密位移机构(8)实现扫描投影激光光斑的轴向自聚焦，当差分轴向光强响应曲线(3)的斜率达到最大值，完成扫描投影激光光斑的聚焦调整；
第三，由测量控制模块(6)将-ΔZ离焦轴向光强响应曲线(1)和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线(2)的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线(4)；在投影承接区域(10)内非规则布设若干背向反射合作目标(11)，导入背向反射合作目标(11)的O-XOYOZO坐标；由测量控制模块(6)发送的扫描驱动信号通过驱动双轴扫描振镜(4)中的两个精密转角机构(9)分别驱动双轴扫描振镜(4)中的垂直扫描镜(12)和水平扫描镜(13)，扫描背向反射合作目标(11)反光区，由测量控制模块(6)记录双轴扫描振镜(4)扫描所述反光区各个位置时由两个光电探测器(15)各自探测的光强电信号，经过计算处理得出反光区中心位置，再将该中心位置与获得该中心位置光强电信号时的垂直扫描镜(12)和水平扫描镜(13)各自的偏转角度值结合，完成一个背向反射合作目标(11)中心位置的高精度扫描定位；重复上述过程，逐一对每个背向反射合作目标(11)的反光区进行扫描和定位；根据获得的若干组坐标值和角度值，建立双轴扫描振镜(4)的投影坐标系与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系的坐标转换矩阵，并解算出所述投影坐标系与所述数模坐标系之间的转换关系；
最后，完成待投影工件的三维外形轮廓在投影承接区域(10)的激光扫描投影。
2.根据权利要求1所述的基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，其特征在于，在汇聚物镜(14)与光电探测器(15)之间的光路上加入点探测针孔(19)，在实现标定反射光点照明光电探测器(15)感光面，消除杂散光干扰，提高标定反射光的光束质量。
3.根据权利要求1所述的基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，其特征在于，所述扫描的扫描方式为逐行扫描、逐列扫描或者先逐行扫描/逐列扫描再逐列扫描/逐行扫描。
4.根据权利要求1所述的基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，其特征在于，完成待投影工件的三维外形轮廓在投影承接区域(10)的激光扫描投影的具体过程为：将待投影工件三维CAD数模导入到测量控制模块(6)中，由测量控制模块(6)计算待投影工件三维CAD数模的若干特征点在数模坐标系中的三维坐标值，并根据上述获得的坐标转换矩阵计算与若干特征点对应的若干组扫描投影方位角和俯仰角，驱动双轴扫描振镜(4)精确偏转和快速循环扫描投影待投影工件三维外形轮廓，并在投影承接区域(10)形成激光线框(16)。
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