CN108507466A - 采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法属于逆向工程以及三维测量领域，特别涉及一种采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法。该方法基于线激光扫描仪建立二维局部坐标系，采用高精度电控移动平台提供第三维坐标，实现被测工件二维位置信息到三维位置信息的升维。为校正夹具安装误差和制造误差所引起的三维坐标偏差，采用空间角度补偿方法求取理论测量坐标系与实际测量坐标系之间的转换矩，进而消除了由于角度偏差带来的测量误差，实现三维信息精确重建。该方法有效解决了航空航天零件加工过程中的高精度测量问题，方法灵活、高效、鲁棒性好，实现了非接触、高精度的加工过程一体化测量。

Description

采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法

技术领域

本发明属于逆向工程以及三维测量领域，特别涉及一种采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法。

背景技术

大型航空航天设备对工件的加工精度要求极高，需要高精度的测量设备获取精确的三维数据，为精密加工提供几何参数依据。在精密加工过程中需要对加工工件的几何尺寸进行准确测量，同时也需要对加工后的成品或半成品工件进行检测。由于加工大型零部件过程中，环境复杂、精度要求高、效率要求高、测量范围大等特点，使得加工工件的精密测量成为一个难题。

目前，三维测量中数据的获取办法有接触式数据采集和非接触式数据采集两大门类。其中，接触式数据采集方法基于力学变形原理的触发式、连续扫描式数据采集和基于磁场的数据采集等。例如，传统的三坐标测量机多采用接触式测量，测量速度满、易划伤被测表面、存在接触压力和半径补偿等缺点且被测件表面不能损伤探针，所以要求被测量件表面应隔离腐蚀性、高温、液体等，仿真探针被污染或者损坏。非接触式测量方法主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。例如非接触式激光三角测量法)的基本原理是利用具有规则几何形状的激光源(如：点光源、线光源)投影到被测样件表面上，三维样件面型对光束产生空间调制，改变了成像光束的角度，形成的漫反射光点(或光带)在图像传感器上成像，成像点的位置也随即改变，按照三角形原理对成像点位置的确定和系统光路几何参数计算出被测点的空间坐标。非接触式测量方法相对于接触式测量方法，具有以下优势：可以避免在高精度测量中测量力带来的系统误差和随机误差，且方便实现对软质和超薄型物体表面形状的测量，同时测量速度快、效率高。实验室常用的精确三维数据信息获取设备有三坐标测量仪、CNC三维测量机、UPMC型高速扫描三坐标测量系统等等，由于量具直接测量工件表面，不可避免会对工件或者量具造成损伤。在诸多工程测量中，不仅仅需要静态测量，也需要动态测量，尤其对于二维测量设备，需要一个精确移动设备辅助完成被测件的三维测量，达到二维升三维的目的，获得被测件的三维测量结果。

法罗技术股份有限公司的西蒙·拉布等，专利号为CN101371099，“具有集成式线激光扫描仪的便携式坐标测量机”，利用热稳线激光扫描仪、探针和铰接臂等相结合的方式集成一个坐标测量机，实现了选定容积中物体位置的测定，但该方案中整个系统占用空间体积大、结构复杂且手动定位铰接臂的方式精度不够，因此难以实现在有限空间、高精度测量的一体化测量需求。广州地铁设计研究院有限公司的张华于2015年在《城市勘测》第四期发表了《移动式三维激光扫描系统在盾构隧道管片椭圆度检测中的应用》提出了移动式三维激光扫描系统用于盾构隧道管片椭圆度的检测。该系统由激光扫描仪、超高传感器、规矩传感器、里程计、计算机等组成，实现了对轨道几何尺寸及限界进行完整的动态测量，但是该测量系统结构复杂且体积大，难以实现在有限的空间内进行测量，不能满足航空航天领域大尺寸零部件的高精度测量需求。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术不足，针对加工过程在线检测或加工成品检测时，线激光扫描仪获取被测件的二维位置信息，即X轴和Z轴位置信息，缺乏必要的Y轴位置信息而无法形成精确的三维信息。本发明利用线激光扫描仪扫描测量对象获取被测对象的二维信息，高精度的电控移动平台读取数据作为线激光扫描仪的缺省坐标轴信息。最后，通过误差数据分析和处理得到被测对象准确的三维坐标信息。该方法有效解决了航空航天零件加工过程中的高精度测量问题，方法灵活、高效、鲁棒性好，实现了非接触、高精度的加工过程一体化测量。

本发明采用的技术方案是一种采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法，其特征是，该方法基于线激光扫描仪建立二维局部坐标系，采用高精度电控移动平台提供第三维坐标，实现被测工件二维位置信息到三维位置信息的升维，为校正夹具安装误差和制造误差所引起的三维坐标偏差，采用空间角度补偿方法求取理论测量坐标系与实际测量坐标系之间的转换矩，进而消除了由于角度偏差带来的测量误差，实现三维信息精确重建；方法具体步骤如下：

步骤1：测量系统的构建

首先，将线激光扫描仪3通过直角夹具2安装在高精度电控移动平台1上，并通过三坐标测量仪获取线激光扫描仪3与高精度电控移动平台1的旋转角度；将被测件标准陶瓷球5放置在标准陶瓷球底座4上，两者一起安装到垫板6上，并放置在线激光扫描仪3的测量范围以内；然后，将高精度电控移动平台1、线激光扫描仪3与计算机7连接起来；

步骤2：测量坐标系的建立与数据采集

由于夹具制造和安装中存在误差，因此需要设定线激光扫描仪的局部随动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁和三维全局坐标系O-XYZ；三维全局坐标系是指与线激光扫描仪固连且不存在偏差的坐标系，其中X轴竖直向上，Y轴为高精度电控移动平台1的移动方向，Z轴垂直于XOY平面，是最终三维测量点的实际坐标系；局部随动坐标系是指因为存在一定偏差的坐标系，由三维全局坐标系绕三维空间某一轴旋转θ角度而获得，将θ角分解为绕X轴旋转θ_x，绕Y轴旋转θ_y，绕Z轴旋转θ_z，步骤1中已将测量系统搭建完毕，设置合适的高精度电控移动平台1移动速度和等距脉冲，开始对测量范围内的待测标准陶瓷球进行扫描，获取其原始三维位置信息，线激光扫描仪获取的值为相应点的X₁和Z₁，高精度电控移动平台1获取的值为Y₁，由于获取的原始三维位置信息存在误差，需要进行基于空间角度的补偿；

步骤3：基于空间角度补偿的三维信息精确重建

由于线激光扫描仪3与直角夹具2之间的安装误差可忽略不计，因此，认为通过三坐标测量仪获得的夹具围绕三维全局坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角θ_x、θ_y和θ_z与线激光扫描仪围绕全局坐标系的旋转角等同，由于标准陶瓷球的Y₁轴信息通过高精度电控移动平台1获取，而高精度电控移动平台1的Y轴是固定不动的，因此Y₁轴位置信息不会受转动角的影响，被测对象标准陶瓷球5的Y₁轴原始数据即为三维全局坐标系Y轴的真实数据，设三维全局坐标系下点坐标为(X,Y,Z)，局部随动坐标系下对应点的坐标为(X₁,Y₁,Z₁)，进行三维全局坐标系与局部随动坐标系之间的偏差补偿；

1)基于偏转角θ_x的偏差补偿

即：

式(2)中，[X_x,Z_x]^T为补偿θ_x后三维全局坐标系下的点坐标；[X₁,Z₁]^T为线激光扫描仪局部随动坐标系下点的坐标，θ_x为线激光扫描仪围绕全局坐标系的X轴旋转的角度；

2)基于偏转角θ_xy的偏差补偿

将θ_xy分解为局部随动坐标系绕三维全局坐标系X、Y轴顺次旋转θ_x、θ_y

由公式(2)和公式(3)得：

即

式(3)-(5)中，(X_y,Z_y)^T为全局坐标系下点的坐标；[X₁,Z₁]^T为局部随动坐标系下点的坐标，θ_x、θ_y分别为线激光扫描仪围绕全局坐标系X、Y轴旋转的角度，(X_xy，Z_xy)^T为补偿θ_xy后所得全局坐标系下点坐标；

3)基于旋转角θ_xyz的偏差补偿

将旋转角θ_xyz分解为局部随动坐标系绕全局坐标系X、Y、Z轴旋转的θ_x、θ_y和θ_z

由式(5)-(6)得

即

式(6)-(8)中，(X₁,Z₁)^T为局部随动坐标系下点的坐标；(X_z,Z_z)^T为补偿θ_z后三维全局坐标系下点的坐标，(X_xyz，Z_xyz)为补偿θ_xyz后三维全局坐标系下点的坐标，θ_z为局部随动坐标系围绕全局坐标系的Z轴旋转的角度；

根据公式(8)以及Y轴的数据信息的不变性得出最终三维全局坐标系与局部随动坐标系的转换关系为：

式(9)中，(X,Y,Z)^T为最终求取的全局坐标系下点的坐标，(X₁,Y₁,Z₁)^T为线激光扫描仪与高精度电控移动平台1获得的原始数据。

本发明的有益效果是该方法通过二维线激光扫描仪与高精度电控移动平台相结合的方式，实现了对被测对象三维信息的高精度测量，实现了二维线激光扫描仪在大型航空航天零件测量过程中高精度获取被测对象三维信息的难题。该方法具有灵活、高效、鲁棒性好，实现了非接触、高精度的加工过程一体化测量。

附图说明：

图1为采用线激光扫描仪的测量系统原理图。其中，1-高精度电控移动平台，2-直角夹具，3-线激光扫描仪，4-标准球底座，5-标准陶瓷球，6-垫板，7-计算机。

图2为数据采集及数据处理流程图。

具体实施方式：

本实施例选用的线激光扫描仪3为基恩士公司的LJ-V7060型号测量仪，其在X轴方向的重复精度为5μm，在Z轴方向的重复精度为0.5μm。高精度电控移动平台1采用PI公司的M521.DD型号精密移动平台，其重复定位精度为0.1μm。

本发明采用高精度电控移动平台1与线激光扫描仪3相结合的方式实现大尺寸范围内的高精度测量，如图1所示，系统由高精度电控移动平台1，直角夹具2，线激光扫描仪3，标准球底座4，标准陶瓷球5，垫板6，计算机7组成。

数据采集及数据处理流程图如图2所示，首先，线激光扫描仪3通过高精度直角夹具2安装在高精度电控移动平台1上，并通过三坐标测量仪获取线激光扫描仪3与高精度电控移动平台1的旋转角度。将被测对象标准陶瓷球5放置在标准陶瓷球底座4上，两者一起安装到垫板6上，并放置在线激光扫描仪3的测量范围以内；将高精度电控移动平台1、线激光扫描仪3与计算机7连接起来。

然后，对测量范围内的被测对象以合适的速度进行扫描，获取被测对象标准陶瓷球5的X轴和Z轴位置信息，同时高精度电控移动平台1获取被测对象的Y轴信息，两者结合起来，构成了被测对象的三维原始位置信息，最后通过误差补偿与坐标变换获取被测对象的高精度三维位置信息。方法的具体步骤如下：

步骤1：测量系统的构建

将高精度电控移动平台1、线激光扫描仪3、计算机7连接起来，将垫板6上安装的标准陶瓷球底座4与标准陶瓷球5放置在线激光扫描仪测量范围以内。

步骤2：测量坐标系的建立与数据采集

设定线激光扫描仪3的局部随动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁,理论随动测量坐标系O-XYZ。三维全局坐标系是指与线激光扫描仪固连且不存在安装误差的坐标系，局部随动坐标系是指因为存在一定偏差的坐标系，由三维全局坐标系绕三维空间某一轴旋转θ角度而获得，将θ角分解为绕X轴旋转θ_x，绕Y轴旋转θ_y，绕Z轴旋转θ_z。步骤1中已将测量系统搭建完毕，设置合适的高精度电控移动平台1移动速度，开始对测量范围内的待测标准陶瓷球进行扫描，获取其原始三维位置信息，其中，X与Z轴位置信息由激光扫描仪3获取，Y轴位置信息由高精度电控移动平台1获取。

步骤3：基于空间角度补偿的三维信息精确重建

将局部坐标系围绕三维全局坐标系围绕空间某一轴旋转的θ_xyz分解为局部坐标系围绕全局坐标系的X、Y、Z轴顺次旋转θ_x、θ_y和θ_z。由线激光扫描仪3获取点的原始X₁和Z₁轴信息，同时由高精度电控移动平台1获取点的原始Y₁轴信息，由公式(2)可得基于偏转角θ_x补偿后的坐标[X_x,Z_x]^T，由公式(3)可得基于偏转角θ_y补偿后的坐标[X_y,Z_y]^T。接下来，由公式(3)和(5)求得基于偏转角θ_xy补偿后的坐标[X_xy,Z_xy]^T。由公式(6)获得基于偏转角θ_z误差补偿后的坐标[X_z,Z_z]^T，再由公式(8)可得基于偏转角θ_xyz补偿后的坐标[X_xyz,Z_xyz]^T。最终结合公式(8)和Y轴数据信息的不变性得出公式(9)三维全局坐标系下最终求取的点的坐标(X,Y,Z)^T。

本发明将二维线激光扫描仪高精度测量与高精度电控移动平台1的高精度移动相结合，并通过三坐标测量仪准确获取线激光扫描仪与高精度电控移动平台的转角，有效解决了航空航天零件加工过程中的高精度测量问题。该方法灵活、高效、鲁棒性好，实现了非接触、高精度的加工过程一体化测量。

Claims (1)

1.一种采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法，其特征是，该方法基于线激光扫描仪建立二维局部坐标系，采用高精度电控移动平台提供第三维坐标，实现被测工件二维位置信息到三维位置信息的升维，为校正夹具安装误差和制造误差所引起的三维坐标偏差，采用空间角度补偿方法求取理论测量坐标系与实际测量坐标系之间的转换矩，进而消除了由于角度偏差带来的测量误差，实现三维信息精确重建；方法具体步骤如下：

步骤1：测量系统的构建

首先，将线激光扫描仪(3)通过直角夹具(2)安装在高精度电控移动平台(1)上，并通过三坐标测量仪获取线激光扫描仪(3)与高精度电控移动平台(1)的旋转角度；将被测件标准陶瓷球(5)放置在标准陶瓷球底座(4)上，两者一起安装到垫板(6)上，并放置在线激光扫描仪(3)的测量范围以内；然后，将高精度电控移动平台(1)、线激光扫描仪(3)与计算机(7)连接起来；

步骤2：测量坐标系的建立与数据采集

由于夹具制造和安装中存在误差，因此需要设定线激光扫描仪的局部随动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁和三维全局坐标系O-XYZ；三维全局坐标系是指与线激光扫描仪固连且不存在偏差的坐标系，其中X轴竖直向上，Y轴为高精度电控移动平台(1)的移动方向，Z轴垂直于XOY平面，是最终三维测量点的实际坐标系；局部随动坐标系是指因为存在一定偏差的坐标系，由三维全局坐标系绕三维空间某一轴旋转θ角度而获得，将θ角分解为绕X轴旋转θ_x，绕Y轴旋转θ_y，绕Z轴旋转θ_z，步骤1中已将测量系统搭建完毕，设置合适的高精度电控移动平台(1)移动速度和等距脉冲，开始对测量范围内的待测标准陶瓷球进行扫描，获取其原始三维位置信息，线激光扫描仪获取的值为相应点的X₁和Z₁，高精度电控移动平台(1)获取的值为Y₁，由于获取的原始三维位置信息存在误差，需要进行基于空间角度的补偿；

步骤3：基于空间角度补偿的三维信息精确重建

由于线激光扫描仪(3)与直角夹具(2)之间的安装误差可忽略不计，因此，认为通过三坐标测量仪获得的夹具围绕三维全局坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角θ_x、θ_y和θ_z与线激光扫描仪围绕全局坐标系的旋转角等同，由于标准陶瓷球的Y₁轴信息通过高精度电控移动平台(1)获取，而高精度电控移动平台(1)的Y轴是固定不动的，因此Y₁轴位置信息不会受转动角的影响，被测对象标准陶瓷球(5)的Y₁轴原始数据即为三维全局坐标系Y轴的真实数据，设三维全局坐标系下点坐标为(X,Y,Z)，局部随动坐标系下对应点的坐标为(X₁,Y₁,Z₁)，进行三维全局坐标系与局部随动坐标系之间的偏差补偿；

1)基于偏转角θ_x的偏差补偿

即：

式(2)中，[X_x,Z_x]^T为补偿θ_x后三维全局坐标系下的点坐标；[X₁,Z₁]^T为线激光扫描仪局部随动坐标系下点的坐标，θ_x为线激光扫描仪围绕全局坐标系的X轴旋转的角度；

2)基于偏转角θ_xy的偏差补偿

将θ_xy分解为局部随动坐标系绕三维全局坐标系X、Y轴顺次旋转θ_x、θ_y

由公式(2)和公式(3)得：

即

式(3)-(5)中，(X_y,Z_y)^T为全局坐标系下点的坐标；[X₁,Z₁]^T为局部随动坐标系下点的坐标，θ_x、θ_y分别为线激光扫描仪围绕全局坐标系X、Y轴旋转的角度，(X_xy，Z_xy)^T为补偿θ_xy后所得全局坐标系下点坐标；

3)基于旋转角θ_xyz的偏差补偿

将旋转角θ_xyz分解为局部随动坐标系绕全局坐标系X、Y、Z轴旋转的θ_x、θ_y和θ_z

由式(5)-(6)得

即

式(6)-(8)中，(X₁,Z₁)^T为局部随动坐标系下点的坐标；(X_z,Z_z)^T为补偿θ_z后三维全局坐标系下点的坐标，(X_xyz，Z_xyz)为补偿θ_xyz后三维全局坐标系下点的坐标，θ_z为局部随动坐标系围绕全局坐标系的Z轴旋转的角度；

根据公式(8)以及Y轴的数据信息的不变性得出最终三维全局坐标系与局部随动坐标系的转换关系为：

式(9)中，(X,Y,Z)^T为最终求取的全局坐标系下点的坐标，(X₁,Y₁,Z₁)^T为线激光扫描仪与高精度电控移动平台获得的原始数据。