CN108844469A - 一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统，用于解决在出现多个台阶时，无法计算台阶高度的问题及测试精度低的问题，该方法包括台阶判定和台阶高度计算两部分：判定采集点中是否具有台阶，即判定所测得二维轮廓数据中是否具有两个或多个平面，在轮廓数据中表现为是否具有两段高低差距较大的采集点集合，通过计算两个采集点集合Z轴数据之差可以算得台阶高度大小。本发明提供的方法测量精度高。

Description

一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，特别涉及一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统。

背景技术

对台阶的检测，传统方法是利用卡尺和塞尺手动测试。测试时，用肉眼观察被测工件外形或拼接部位是否具有台阶，然后通过观察所得的台阶大致大小，选择满足测试范围和测量精度的卡尺和塞尺组合测试。这种测试方法测试步骤复杂，测试效率低，在测试过程中耗费了大量的人力。测试结果具有较大的人员误差。且测试过程中卡尺和塞尺易磨损被测工件，无法满足对台阶的无损快速测量。

在各种新型测试方法中，激光因具有单色性好，相干性好，方向性好，亮度高的优点，是最为常用的光学测量方法。激光技术的应用，提供了一种非接触式的测量物体台阶的方法。激光测试作为一种光源式的测试方法，利用接收到的光波在物体表面的反射与漫反射可以快速复现物体表面轮廓，且具有精度高、非接触的特点，使用激光传感器测量台阶高度在理论上具有极大的可行性。但是激光测量精度随工作环境的影响呈现剧烈的变化，要达到高精度的要求必须在测试仪和被测工件都固定的情况下进行，适用范围较小。若能够使用手持式激光测试仪测试工件台阶，将改变传统激光测量对环境的严格限定。但是手持式激光台阶测试仍存在以下问题：1.手持设备测试轴线与测试平面难以保持垂直的测试状态，导致测量的精度低；2.自动判断能力不足，出现多个台阶时，无法计算台阶的高度。

台阶测试技术作为精密加工和测量的基础，在现代加工和检测领域中的作用越来越重要，如何快速、准确的测量台阶高度是一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统，该方法用于解决现有台阶测量中存在的测量精度低、自动判断能力不足的问题。

为实现上述发明目的，一方面，本发明一种基于激光测试工件台阶高度的方法，包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件二轮廓数据内所有采集点的总数；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

(5)根据台阶判定参数，遍历步骤(4)得到的二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

(6)根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

本发明有益效果：本发明由激光三角测距原理获取被测工件轮廓数据，并根据设置的台阶判定参数能自动判断被测工件是否具有台阶，及计算台阶的高度值。由于本方法采用对二维轮廓数据进行去跳变点处理，去除了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对台阶判定与计算造成的影响，同时，对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，解决了激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起台阶计算误差较大的问题，改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况；通过计算不同的两个采集点集合的Z轴数据的差值，将最大差值绝对值作为台阶高度，解决了在出现多个台阶时，无法计算台阶高度的问题，本发明提供的方法测量精度高。

进一步，所述台阶判定参数包括基准判定系数M_b、台阶判定系数M_S、台阶判定长度N_S、基准选取长度N_b、基准线L_d、测量长度L_g、基准面方向B_d、测量方向M_d和台阶判定终点N_g；所述去跳变点参数包括跳变判定系数M_B和跳变判定长度N_B；所述倾斜校准参数包括倾斜校准系数M_L和倾斜校准长度N_L。

进一步，所述步骤(3)的对二维轮廓数据进行去跳变点处理，其具体包括：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中,N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值绝对值大于跳变判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；

将该跳变点用其前面N_B个采集点的Z轴数据平均值代替。

采用上述进一步方案的有益效果是：去掉了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对台阶判定与计算造成的影响，利用判断为跳变点的前N_B个采集点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。

进一步，所述步骤(4)的对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，其具体包括：

若当前采集点与其前后采集点Z轴数据的差值绝对值小于倾斜校准系数M_L，则判定该采集点为波动较小的采集点，从第二个采集点开始逐点判定采集点是否为波动较小的采集点，若存在连续N_L个Z轴数据波动较小的采集点，则将该N_L个采集点的X轴数据、Z轴数据依次分别记录在数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中；

利用最小二乘法拟合上述数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的采集点，求出斜率k和零点b的大小；设n为选取的采集点个数，此处n的大小等于倾斜校准长度N_L，则线性变换系数斜率k计算式为：

零点b计算式为：

其中，X_L[i]为数组中第i个元素的X轴数据，Z_L[i]为数组中第i个元素的Z轴数据；

倾斜夹角α可由α＝atan(k)计算；

利用旋转算法将数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的数据逐点变换，令x为X轴数据，z为Z轴数据，x'为旋转后的X轴数据，z'为旋转后的Z轴数据，由欧拉旋转定理可知，旋转后采集点的X轴数据计算式为：

x'＝xcos(α)+zsin(α)

旋转后采集点的Z轴数据计算式为：

z'＝-xsin(α)+zcos(α)

采用上述进一步方案的有益效果是：激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起台阶计算误差较大的问题。倾斜校准首先需要对倾斜二维轮廓图像和未倾斜的二维轮廓图像进行对比分析得出两者的相互关系，然后利用数学计算方式对倾斜的二维轮廓图像数据进行还原。改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。

进一步，根据设置的台阶判定参数，遍历步骤(4)得到的二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，其具体包括：

(51)确定台阶判定基准值SAvg1：

若当前采集点与其前后采集点Z轴数据差值绝对值小于基准判定系数M_b，则认定该采集点为波动较小的点，从基准线与轮廓线交点最近的采集点开始向设置好的测量方向M_d出发，选取连续N_b个Z轴数据波动较小的采集点，并求出其Z轴数据均值作为台阶判定基准值SAvg1，使用Z[i]表示采集点i的Z轴数值，假设起点为S，则SAvg1可由下式计算：

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；

Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找测量长度L_g范围内的台阶判定点A：

遍历测量长度L_g范围内台阶基准采集点之后的采集点，寻找采集点A，该采集点A的Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于台阶判定系数M_S，且在基准面方向B_d选择向上时，A点Z轴数值大于SAvg1,在基准面方向B_d选择向下时，A点Z轴数值小于SAvg1,并将该采集点A作为台阶判定点A：

(53)判定采集点A的普遍性，即判定采集点A为台阶位置：

比较采集点A之后连续的N_S个采集点是否同样满足Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于台阶判定系数M_S且差值正负与A点相同，若其之后连续大于台阶判定长度N_S个采集点的Z轴数值与SAvg1的差值绝对值均大于台阶判定系数M_S且差值正负与A点相同，则判定被测工件具有台阶。

采用上述进一步方案的有益效果是：按照台阶判定长度和基准位置确定台阶的判定与计算范围，然后按照台阶模型进行台阶面判定，选择测量长度内的最高的台阶大小，即可以自动进行台阶的选择，和台阶的判定，然后进行计算。

进一步，所述步骤(6)的根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值；

其采用轮廓法计算台阶高度，包括：

遍历测量范围内所有二维轮廓数据采集点，选取台阶判定采集点A之后的采集点B，所述采集点B的Z轴数据与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值最大且差值正负与A点相同；

台阶的大小即为B点Z轴数据与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大小，

计算公式如下：

台阶值Sv＝|Z[B]-SAvg1|；

其采用平均值法计算台阶高度，包括：

遍历测量范围内所有二维轮廓数据采集点，选取作为台阶位置的采集点A之后的Z轴数据与台阶判定基准SAvg1差值绝对值大于阶判定系数M_S且差值正负与A点相同的采集点，并记录其个数为Npoint；

将所述采集点按照其与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值从大到小进行排序并存于数组S[Npoint]中；

取数组前面满足台阶判定长度N_S的采集点，并求出其Z轴数值的平均值SAvg2；

其中，N_S为台阶判定长度，即选择用于判定台阶波动较小的采集点个数；

S[i]为数组中第i个元素的Z轴数值大小；

计算台阶高度，台阶高度值等于SAvg2与SAvg1的差值绝对值，计算公式如下：

台阶值Sv＝|SAvg2-SAvg1|

SAvg2大于SAvg1时表明台阶方向向上，SAvg2小于SAvg1时台阶方向向下。

采用上述进一步方案的有益效果是：取最大值进行计算(轮廓法)，可以充分利用激光测量的无损性，得到最为精确的台阶值。取平均值进行计算，是仿照卡尺模式进行计算，得到与手动测试类似的台阶值。

进一步，所述步骤(6)之后还包括：系数校准步骤，对得到的台阶高度进行系数校准，计算公式为：

Sv'＝ks×Sv+bs

其中，k_S为台阶高度系数校准的斜率值，b_S为台阶高度系数校准的零点值。

采用上述进一步方案的有益效果是：仪器长期使用过程中，因各种元器件发生物理上的变化，会导致仪器测试值与鉴定时出现变化，为了改善该状况，设计在计算台阶值后再进行系数校准。

系数校准的系数由标块实际值和测量值进行比较后算出；

计算公式为：y＝ks×x+bs,

x为测量值，y为标块实际值。

另一方面，本发明还提供了一种基于激光测试工件台阶高度的系统，包括：

参数设置模块，设置参数；所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

工件轮廓获取模块：利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件二轮廓数据内所有采集点的总数；

去跳变点模块，用于根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

倾斜校准模块，用于根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

台阶判定模块，用于根据台阶判定参数，遍历二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

台阶高度计算模块，用于根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

进一步，系数校准模块，用于对得到的台阶高度进行系数校准。

附图说明

图1是本发明测试工件台阶高度的方法流程图；

图2是本发明跳变点示意图；

图3是本发明跳变点判定与处理流程图；

图4是本发明倾斜校准流程图；

图5是本发明台阶的四种选择测试方式示意图，其中，

(a)台阶在选取台阶基准上方测量方向向左；

(b)台阶在选取台阶基准上方测量方向向右；

(c)台阶在选取台阶基准下方测量方向向左；

(d)台阶在选取台阶基准下方测量方向向右；

图6是本发明判定台阶和计算台阶值的流程图；

图7是本发明实施例具有光斑跳变的被测物轮廓曲线图；

图8是本发明实施例跳变校准后的二维轮廓曲线图；

图9是本发明实施例镜头倾斜时二维轮廓曲线图；

图10是本发明实施例倾斜校准后二维轮廓曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例一

在工程测量时，常将两个面之间的面差称为台阶高度，在工件外形轮廓测量时，台阶高度是判定工件加工精确值必不可少的数值之一，台阶高度运算包括台阶判定和台阶高度计算两部分。

本发明台阶判定和台阶高度计算的思路为：判定采集点中是否具有台阶，即判定所测得二维轮廓数据中是否具有两个或多个平面，在轮廓数据中表现为是否具有两段高低差距较大的采集点集合，通过计算两个采集点集合Z轴数据之差可以算得台阶高度大小。

针对现有手持式激光测试工件台阶存在的以下问题：1.手持设备测试轴线与测试平面难以保持垂直的测试状态，导致测量的精度低；2.自动判断能力不足，在出现多个台阶时，无法计算台阶高度。

如图1所示，本发明提供了一种基于激光测试工件台阶高度的方法及系统，该方法能自动判断被测工件是否有台阶，并且自动测量该台阶高度，该方法包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；如表1

表1

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

为了去掉激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对缝隙判定与计算造成的影响，对获取工件轮廓数据模块得到的二维轮廓数据进行去跳变处理，包括对跳变点进行判定和去除跳变点，即：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中，N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值绝对值大于基准判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；跳变点示意图如图2所示，当d₁大于M_B时则判定E₁为跳变点，同理d₂大于M_B时则判定E₂为跳变点。

跳变点判定与处理流程如图3所示，具体过程为：

选取采集点i，i＝N_B，计算采集点i与其之前的N_B个采集点Z轴的数据差值绝对值，记录大于M_B点的点数为N_f；

若N_f大于N_B-2，计算采集点i与其之后的N_B个采集点Z轴的数据差值绝对值，记录大于M_B点的点数为N_b；若N_b大于N_B-2，则将此采集点i判定为跳变点，采用跳变点i前N_B个采集点的Z轴数值平均值替换跳变点Z轴数值。

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

为了改善由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的缝隙计算误差较大的问题。对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，即在发明中利用最小二乘法计算得到的被测工件轮廓的倾斜角度，然后通过欧拉公式进行角度变换，得到与垂直测试所得轮廓数据相似的轮廓数据。如图4所示，倾斜校准步骤，其具体包括：

确定一段Z轴数据波动较小的采集点。若当前采集点与其前后采集点Z轴数据的差值绝对值小于M_L，则判定其为波动较小的采集点。从第二个采集点开始逐点判定采集点是否为波动较小的采集点。若存在连续的N_L个采集点Z轴波动数据较小，则将X轴数据、Z轴数据依次分别记录在数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中。

利用最小二乘法拟合上述数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的采集点，求出斜率k和零点b的大小。设n为选取的采集点个数，此处n的大小等于N_L。则线性变换系数斜率k可由公式(1)计算：

与零点b可由公式(2)计算：

其中，X_L[i]为数组中第i个元素的X轴数据，Z_L[i]为数组中第i个元素的Z轴数据；

倾斜夹角α可由α＝atan(k)计算；

利用旋转算法将数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的数据逐点变换，令x为X轴数据，z为Z轴数据，x'为旋转后的X轴数据，z'为旋转后的Z轴数据，由欧拉旋转定理可知，旋转后采集点的X轴数据计算可由公式(3)计算为：

x'＝xcos(α)+zsin(α) (3)

旋转后采集点的Z轴数据计算可由公式(4)计算：

z'＝-xsin(α)+zcos(α) (4)

将采集点的数据按公式(3)、(4)逐点旋转后可得与X轴平行的数据点。

(5)根据台阶判定参数，遍历步骤(4)得到的二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

本步骤中，设计在测量长度L_g范围内对台阶进行判定，起点为基准线L_d与轮廓线交点最近的数据采集点。终点与该交点相距N_g个采集点，测试方向向左时取左边采集点，测试方向向右时取右边的采集点。基准面方向B_d向上时取向上的台阶，基准面方向B_d向下时取向下的台阶。基准面方向B_d和测试方向将台阶计算方式分为4种类型，情况如下表。

表2

序号	基准面方向	测试方向
			1	上	左
2	上	右
			3	下	左
4	下	右

如图5所示，表示序号1、2、3、4中的部分台阶类型，其中，圆圈距离差为台阶大小，箭头方向为测试方向。

移动基准线L_d位置，使其位于轮廓显示中的台阶两个面的其中一个面上，然后根据台阶轮廓设置合适的基准长度L_b，基准面方向B_d，测量长度L_g(满足测量长度范围内有台阶的两个面的数据)、测量方向M_d等变量。本发明可以自由设置台阶判定参数台阶判定长度N_S、台阶判定系数M_S；其中N_S为用于台阶判定和计算的采集点个数，常设置为20；M_S为用于判定是否为台阶的距离，由于本发明选择的激光传感器分辨率为0.038mm，设定M_S≥0.05(单位：mm)。利用这两个值，可以判断测得轮廓数据中台阶属于“存在”、“不存在”这两种情况中的哪一种。

台阶判定方法具体分为三步，如图6所示：

(51)确定台阶判定基准值SAvg1。

以基准判定系数M_b为判断条件，若当前采集点与前后采集点Z轴数据差值绝对值小于M_b，则认定该点为波动较小的点。从第二个采集点开始选取具有N_b个连续的Z轴波动较小的采集点(根据测试方向选取后续的采集点，测试方向向左则遍历比该采集点X轴数值小的采集点，即向左进行判定；测试方向向右则遍历比该采集点X轴数值大的采集点，即向右进行判定)，并求出N_b个连续的Z轴波动较小的采集点Z轴数据均值SAvg1作为台阶判定基准值，使用Z[i]表示采集点i的Z轴数值，假设起点为S，则SAvg1可由公式(5)计算。

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；

Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找二维轮廓数据范围内的台阶判定点A。

遍历测量长度L_g范围内台阶基准采集点之后的采集点(测试方向向左则遍历比该采集点X轴数值小的采集点，即向左进行判定；测试方向向右则遍历比该采集点X轴数值大的采集点，即向右进行判定)，寻找一点A的Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于台阶判定系数M_S且差值正负与基准面方向一致(若基准面向上，差值为正；若基准面向下，差值为负)，假设A点为轮廓数据中的台阶位置。

(53)判定采集点A的普遍性，即判定采集点A为台阶位置。

比较采集点A之后(测试方向向左则向左取采集点，测试方向向右则向右去采集点)连续的N_S个采集点是否同样满足Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于M_S且差值正负与A点相同(即基准面向下时为负，基准面向上时为正)。若其之后连续大于N_S个采集点Z轴数值与SAvg1的差值绝对值均大于M_S且差值正负与A点相同，则判定被测工件具有台阶。

在台阶判定过程中，若未找出连续的N_b个波动较小的采集点，则认定采集数据效果不好，需要重新进行数据采集，重新获取二维轮廓数据后，重复步骤(51)。若能够确定台阶判定基准值，则进行步骤(52)，若未寻找到A点，则认为采集数据不具有台阶高度，若找到A点则进行步骤(53)。在步骤(53)中对A点之后连续的N_S个点进行距离判定，若其Z轴数值与SAvg1的差值绝对值均大于M_S且差值正负与A点相同，则判定被测工件具有台阶，否则以A为起点重复步骤(52)。若遍历二维轮廓数据内所有采集点后无符合条件的采集点集合，则判定不具有台阶位置。

(6)根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

如图6所示，台阶高度计算按计算方法可以分为轮廓法和平均值法两种。轮廓法为取台阶面上的极值点进行台阶计算，平均值法为取轮廓中最大的N_S个点的平均值进行计算。具体计算方法如下：

轮廓法计算台阶高度值过程如下：

找出二维轮廓数据内Z轴数值与台阶判定基准值最大的点。

在判定具有台阶后，遍历二维轮廓数据范围内，台阶判定点A点之后的采集点，选取一点B，B点Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值最大且差值正负与A点相同。

计算该点与基准值的差值的绝对值。

台阶的大小即为B点Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大小。

计算公式如下：

台阶值Sv＝|Z[B]-SAvg1| (6)

平均值法计算计算台阶高度过程如下：

确定二维轮廓数据内台阶判定点A后的测量范围内的与台阶判定基准差值绝对值大于MS且差值正负与A点相同的点并记录其个数为Npoint。

将上述中的采集点按照其与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值进行从大到小的排序并存于数组S[Npoint]中。

取数组中前N_S个采集点求出其Z轴数值的平均值SAvg2。

其中，N_S为台阶判定长度，即选择用于判定台阶波动较小的采集点个数；

S[i]为数组中第i个元素的Z轴数值大小；

计算台阶高度，台阶高度大小等于SAvg2与SAvg1的差值的绝对值。计算公式如下：

台阶值Sv＝|SAvg2-SAvg1| (7)

对计算所得的台阶高度进行系数校准。系数的大小由设置参数确定。

计算公式为：

Sv'＝ks×Sv+bs (8)

其中，k_S为台阶高度系数校准斜率值，b_S为台阶高度系数校准零点值。

激光线扫描传感器测试时因被测物反射问题得到的有光斑跳变的二维轮廓曲线如图7所示，图中圆圈部分为光斑跳变位置。光斑跳变对被测物台阶的判定影响较大。左侧光斑跳变点在台阶判定N_S较大时，将发生漏判现象。为了避免这种现象，设计跳变校准用来去除轮廓曲线中因光斑跳变产生的跳变点。跳变校准的目的是去激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对台阶判定与计算造成的影响。在本发明中设计直接利用判断为跳变点的前N_B个点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。对图7中轮廓数据跳变校准，即进行去除跳变点处理，去除跳变点后的轮廓图像如图8所示。由图8可知，跳变校准后，轮廓显示不再具有跳变点。跳变点将不再对台阶的判定和计算造成影响。跳变校准能够有效的去除二维轮廓数据中的跳变点。

激光线扫描传感器镜头倾斜时激光线扫描传感器得到的二维轮廓曲线如图9所示。倾斜的二维轮廓数据在设置的台阶判定值M_S稍高的情况下，将无法找到一段波动较小的连续的采集点用来确定台阶和判定基准值，从而无法判定和计算台阶。在M_S值较小的情况下，因为轮廓的倾斜，计算所得台阶和值存在误差较大的问题。为了改善这种情况，设计倾斜校准，用来还原镜头未倾斜时激光传感器所获取的二维轮廓数据。

倾斜校准的目的是改善由于被测物体与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。在本章中利用最小二乘法计算得到的轮廓的倾斜角度，然后通过欧拉公式进行角度变换，得到与垂直测试所得轮廓数据相似的轮廓数据。将图9中的二维轮廓数据进行倾斜校准后，可以得到如图10所示的轮廓图形。可以看出，倾斜校准对被测物体与传感器镜头不垂直导致的倾斜状态具有改善作用。

实施例二

基于上述方法，本发明还提供了一种基于激光测试工件台阶高度的系统，包括：

参数设置模块，用于设置参数；所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

工件轮廓获取模块：利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件二轮廓数据内所有采集点的总数；

去跳变点模块，用于根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

倾斜校准模块，用于根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

台阶判定模块，用于根据台阶判定参数，遍历二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

台阶高度计算模块，根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

本系统中的去除跳变点模块，用于对获取工件轮廓数据模块得到的二维轮廓数据进行去跳变处理。去掉了激光线扫描传感器在扫描过程产生光斑跳变现象造成轮廓数据中具有跳变点对台阶判定与计算造成的影响，利用判断为跳变点的前N_B个采集点的Z轴数据的平均值替代跳变点，以达到去除跳变点的目的。

倾斜校准模块，用于对二维轮廓数据进行倾斜校准。解决了激光线扫描传感器因镜头与被测工件表面不垂直的情况导致激光线扫描传感器获取的二维轮廓图像出现倾斜现象引起台阶计算误差较大的问题。倾斜校准首先需要对倾斜二维轮廓图像和未倾斜的二维轮廓图像进行对比分析得出两者的相互关系，然后利用数学计算方式对倾斜的二维轮廓图像数据进行还原。改善了由于被测工件与传感器镜头不垂直导致测试所得轮廓与实际轮廓之间存在较大的角度变化引起的测试结果误差较大的情况。通过台阶高度计算模块计算不同的两个采集点集合的Z轴数据的差值，将最大差值绝对值作为台阶高度，解决了出现多个台阶时，无法计算台阶高度的问题，因此，本发明提供给的方法测量精度高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设置参数，所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

(2)利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件二轮廓数据内所有采集点的总数；

(3)根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

(4)根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

(5)根据台阶判定参数，遍历步骤(4)得到的二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

(6)根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

2.根据权利要求1所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述台阶判定参数包括基准判定系数M_b、台阶判定系数M_S、台阶判定长度N_S、基准选取长度N_b、基准线L_d、测量长度L_g、基准面方向B_d、测量方向M_d和台阶判定终点N_g；所述去跳变点参数包括跳变判定系数M_B和跳变判定长度N_B；所述倾斜校准参数包括倾斜校准系数M_L和倾斜校准长度N_L。

3.根据权利要求2所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述步骤(3)的对二维轮廓数据进行去跳变点处理，其具体包括：

从二维轮廓数据中第N_B个采集点开始，分别逐点选取其前N_B个采集点和后N_B个采集点，其中，N_B为用于判定跳变点的比较点个数；

分别将前N_B个采集点和后N_B个采集点与该采集点进行比较，若均有N_B-2个以上的采集点与该采集点Z轴数据的差值绝对值大于跳变判定系数M_B，则判定该采集点为跳变点；

将该跳变点用其前面N_B个采集点的Z轴数据平均值代替。

4.根据权利要求3所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述步骤(4)的对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，其具体包括：

若当前采集点与其前后采集点Z轴数据的差值绝对值小于倾斜校准系数M_L，则判定该采集点为波动较小的采集点，从第二个采集点开始逐点判定各采集点是否为波动较小的采集点，若存在连续N_L个Z轴数据波动较小的采集点，则将该N_L个采集点的X轴数据、Z轴数据依次分别记录在数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中；

利用最小二乘法拟合上述数组X_L[N_L]和Z_L[N_L]中的采集点，求出斜率k和零点b的大小；设n为选取的采集点个数，此处n的大小等于倾斜校准长度N_L，则线性变换系数斜率k计算式为：

零点b计算式为：

其中，X_L[i]为数组中第i个元素的X轴数据，Z_L[i]为数组中第i个元素的Z轴数据；

倾斜夹角α可由α＝atan(k)计算；

利用旋转算法将数组X_L[N_L]和X_L[N_L]中的数据逐点变换，令x为X轴数据，z为Z轴数据，x'为旋转后的X轴数据，z'为旋转后的Z轴数据，由欧拉旋转定理可知，旋转后采集点的X轴数据计算式为：

x'＝xcos(α)+zsin(α)；

旋转后采集点的Z轴数据计算式为：

z'＝-xsin(α)+zcos(α)。

5.根据权利要求4所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述步骤(5)的根据台阶判定参数，遍历步骤(4)得到的二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，其具体包括：

(51)确定台阶判定基准值SAvg1：

若当前采集点与其前后采集点Z轴数据差值绝对值小于基准判定系数M_b，则认定该采集点为波动较小的点，从基准线L_d与轮廓线交点最近的采集点开始沿着测量方向M_d选取连续N_b个Z轴数据波动较小的采集点，并求出其Z轴数据均值作为台阶判定基准值SAvg1，使用Z[i]表示采集点i的Z轴数值，假设起点为S，则SAvg1可由下式计算:

其中，N_b为基准选取长度，即选择用于判定基准线波动较小的采集点个数；Z[i]为采集点i的Z轴数值大小；

(52)寻找测量长度L_g范围内的台阶判定点A：

遍历测量长度L_g范围内台阶基准采集点之后的采集点，寻找采集点A，该采集点A的Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于台阶判定系数MS，且在基准面方向B_d选择向上时，A点Z轴数值大于SAvg1,在基准面方向B_d选择向下时，A点Z轴数值小于SAvg1,并将该采集点A作为台阶判定点A：

(53)判定台阶判定点A的普遍性，即判定台阶判定点A为台阶位置：

比较采集点A之后连续的N_S个采集点是否同样满足Z轴数值与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值大于台阶判定系数M_S且差值正负与A点相同，若其之后连续大于台阶判定长度N_S个采集点的Z轴数值与SAvg1的差值绝对值均大于台阶判定系数M_S且差值正负与A点相同，则判定被测工件具有台阶。

6.根据权利要求5所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述步骤(6)的根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值；

其采用轮廓法计算台阶高度，包括：

遍历测量范围内所有二维轮廓数据采集点，选取台阶判定采集点A之后的采集点B，所述采集点B的Z轴数据与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值最大且差值正负与A点相同；

台阶的大小即为B点Z轴数据与台阶判定基准值SAvg1的差值绝对值的大小，

计算公式如下：

台阶值Sv＝|Z[B]-SAvg1|；

其采用平均值法计算台阶高度，包括：

遍历测量范围内所有二维轮廓数据采集点，选取作为台阶位置的采集点A之后的Z轴数据与台阶判定基准SAvg1差值绝对值大于阶判定系数M_S且差值正负与A点相同的采集点，并记录其个数为Npoint；

将所述采集点按照其Z轴数据与台阶判定基准值SAvg1差值绝对值从大到小进行排序并存于数组S[Npoint]中；

取数组前面满足台阶判定长度N_S的采集点，并求出其Z轴数值的平均值SAvg2；

其中，N_S为台阶判定长度，即选择用于判定台阶波动较小的采集点个数；S[i]为数组中第i个元素的Z轴数值大小；

计算台阶高度，台阶高度大小等于SAvg2与SAvg1的差值绝对值，计算公式如下：

台阶值Sv＝|SAvg2-SAvg1|

SAvg2大于SAvg1时表明台阶方向向上，SAvg2小于SAvg1时台阶方向向下。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于激光测试工件台阶高度的方法，其特征在于，所述步骤(6)之后还包括：系数校准步骤，对得到的台阶高度进行系数校准，计算公式为：

Sv'＝ks×Sv+bs

其中，k_S为台阶高度系数校准斜率值，b_S为台阶高度系数校准零点值。

8.一种基于激光测试工件台阶高度的系统，其特征在于，包括：

参数设置模块，用于设置参数；所述参数包括台阶判定参数、去跳变点参数以及倾斜校准参数；

工件轮廓获取模块：利用激光传感器扫描被测工件，获取被测工件轮廓数据，并将被测工件轮廓数据解析为二维轮廓数据，所述二维轮廓数据为包含N个采集点的X轴数据与包含N个采集点的Z轴数据，其中，N为被测工件二轮廓数据内所有采集点的总数；

去跳变点模块，用于根据去跳变点参数对二维轮廓数据进行去跳变点处理；

倾斜校准模块，用于根据倾斜校准参数对去除跳变点后的二维轮廓数据进行倾斜校准，得到与真实二维轮廓数据相似的二维轮廓数据；

台阶判定模块，用于根据台阶判定参数，遍历二维轮廓数据，采用台阶判定方法确定台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A；

台阶高度计算模块，根据台阶判定基准值SAvg1和台阶判定点A，采用平均值法或轮廓法计算台阶高度值。

9.根据权利要求8所述的基于激光测试工件台阶高度的系统，其特征在于，还包括：系数校准模块，用于对得到的台阶高度进行系数校准。