CN111750802B - 一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置及方法，包括激光扫描仪，激光扫描仪能够沿设定轴线旋转，激光扫描仪能够以平行于自身旋转轴线的方向发射线结构光，线结构光能够在空间中形成扫描平面，扫描平面能够随激光扫描仪旋转，以形成圆柱形扫描空间。

Description

一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置及方法

技术领域

本公开属于测量技术领域，具体涉及一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置及方法。

背景技术

利用线结构光扫描仪的线状激光带照射工件表面，沿设定方向平移激光扫描仪或待测工件，或旋转待测工件，使激光带扫描待测工件表面，能够获得工件表面的三维形貌，为表面微观形貌评价或逆向工程提供数据支撑。

现有的表面形貌测量技术可分为接触式测量(如三坐标机测量、扫描探针测量)和非接触测量(如超声检测、射线检测、光学无损检测等)。接触式测量逐点对轮廓数据进行采集，测量精度很高，但是测量效率极低，其存在划伤工件表面的风险；非接触测量利用声、光、电等方式实现工件表面形貌的测量，超声检测利用超声波的穿透性，根据脉冲回波进行检测，精度高、测量可靠，但是测量速度慢、效率低；射线检测利用射线穿透材料，直观显示物体的内外表面外观尺寸信息，适用于大多数固体材料，但存在射线污染；光学无损检测基于光的特性进行检测，伴随着计算机技术、激光技术等的发展，光学无损检测因其非接触、快速大面积检测、高精度高灵敏度、设备操作简单等诸多优势而逐渐成为形貌测量中使用最为广泛的方法。

光学无损检测中结构光测量基于光学三角法测量原理，将不同模式的结构光投射到被测物体表面，形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，摄像机摄取该三维图像，进而得到其二维的畸变图像，根据畸变的二维光条图像可以重现出物体表面的三维形貌。结构光测量系统稳定，实时性好，精度高，量程和视场大，因而在三维测量领域得到广泛运。根据光学投射器投射的光束模式的不同，结构光模式可以分为以下几种：点结构光、线结构光、面结构光。点结构光测量在被测物体表面形成光点，每次测量只能获得一个点的信息，效率较低；线结构光测量在被测物体表面形成光束，相比较点结构光测量效率大大提高，且处理简单、可靠，实现的复杂性与点结构光相比也并未增加；面结构光测量将多条光束透射到被测物体表面，其效率和测量范围上有所提高，但是其测量系统复杂，标定的复杂度和光条匹配问题都会大大增加。因而综合来看，基于线结构测量同时具有高效高精度以及原理和设备简单等优点，是应用最广泛的结构光测量方法。

由于扫描原理限制，基于线结构光的二维扫描仪只能安装在固定平台或具有相应精度要求的运动平台上以实现待测工件表面形貌数据的获取。最为普遍的方式包括：

1.扫描仪安装在线性运动平台上，待测工件保持静止，扫描仪在运动平台带动下沿平台运动方向以一定速率扫描待测工件表面，线结构光在待测工件表面形成带状扫描区域，通过线性位移平台三个方向的线性运动调整扫描仪与待测工件位置关系进而实现整个待测工件表面的扫描；

2.若扫描仪不便于安装在线性运动平台上，亦可将待测工件安装在线性运动平台上，扫描仪保持静止，扫描仪与待测工件之间产生相对平动，扫描区域与1中的扫描方式相同；

3.当待测工件为回转件时，将待测工件放置于旋转工作台上，扫描仪保持静止，待测工件随着转台旋转而旋转，扫描仪激光线段掠过待测工件表面进行扫描，获得其形貌信息。

发明人认为，以上三种扫描方式中，前两种适用于大部分工况，是发展最为成熟、应用最为广泛的扫描方式，第三种扫描方式主要针对圆柱体等回转工件的测量，然而上述扫描方式或受限于运动机构难以实现扫描仪或工件沿设定方向平移；或受限于待测工件尺寸、形状等难以实现待测工件旋转，导致上述方法在运动机构只能实现有规则转动或被测工件体积较大难以运动等特殊工况时无法进行有效的数据采集。

发明内容

本公开的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置及方法，能够解决现有激光扫描过程中，平动、旋转工件或激光扫描仪直线运动时，对工件周边空间要求高，不便实现激光扫描的问题。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置，包括激光扫描仪，激光扫描仪能够沿设定轴线旋转，激光扫描仪能够以平行于自身旋转轴线的方向发射线结构光，线结构光能够在空间中形成扫描平面，扫描平面能够随激光扫描仪旋转，以形成圆柱形扫描空间。

作为本公开第一方面的进一步限定，所述激光扫描仪与旋转驱动机构固定连接，以驱动自身转动。

作为本公开第一方面的进一步限定，所述旋转驱动机构包括转台，转台中安装有驱动激光扫描仪转动的动力驱动件；

所述转台与外部驱动机构固连，外部驱动机构能够带动激光扫描仪在设定空间中移动，以对准待测工件中不同的待测区域。

本公开的第二方面提供一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤1，激光扫描仪位移至工件的待测区域处，激光扫描仪与待测区域的间距处于设定范围；

步骤2，激光扫描仪沿设定方向发射线结构光，线结构光在待测区域的表面形成激光带，所述激光线经待测区域反射后进入激光接收器，测得激光带在待测工件表面各点与基准面的距离；

步骤3，激光扫描仪沿设定轴线旋转，以得到圆柱形扫描空间，待测区域表面的激光线在转台的带动下形成圆形激光面，激光扫描仪得到圆形激光扫描面处各点距离基准面的距离，对各点距离基准面的距离进行坐标变换，然后完成待测区域的三维建模；

重复步骤1-3，以完成下一待测区域处的微观形貌测量，相邻两待测区域之间应有重叠区域，多个待测区域组合拼接形成完整的待测表面。

以上一个或多个技术方案的有益效果：

激光扫描仪能够沿自身旋转轴线旋转以在空间中形成圆柱状扫描区域，进而投射在待测工件表面以形成圆形扫描面；避免工件旋转或激光扫描仪平移以形成扫描面的过程中，对于待测工件周围空间大小要求较高的问题，能够适用于工件周围有障碍物的情况，对于激光扫描仪的扫描范围要求较低。

采用激光扫描仪发射线结构光的方式，便于根据激光扫描仪的旋转实现工件表面的微观形貌扫描。

采用转台来支撑与驱动激光扫描仪的运动，当转台与机械臂等外部驱动机构连接时，使得转台可以带动激光扫描仪到达工件外表面任意位置，不会受到工件周围空间中障碍物的影响。因为采用激光扫描仪旋转的方式完成工件表面的形貌测量，因此可以将整个的工件表面划分成多个相互重叠的区域，通过不同区域的拼接形成工件的整个表面。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开实施例中激扫描仪的结构示意图；

图2为本公开实施例中整体装置的结构示意图；

图3为本公开实施例中矩形数据带的结构示意图；

图4为本公开实施例中数据间隔以及激光线角度差关系；

图5为本公开实施例中误差分析部分激光线起始端与转轴中心完全重合的示意图；

图6为图5中激光线起始端与转轴中心完全重合时对应的数据带；

图7为本公开实施例中误差分析部分激光线起始端与转轴中心有偏差时的示意图；

图8为图7中激光线起始端与转轴中心有偏差时，激光线旋转β角度后，各尺寸示意图；

图9为图7中本公开实施例中激光线最近端与圆孔圆心有偏差得到的数据带。

图中：1、激光扫描仪；101、激光发射窗口；102、激光接收器；2、转台；3、旋转轴线；4、圆柱形扫描空间。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供优选的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置，包括激光扫描仪1，激光扫描仪1能够沿设定轴线旋转，激光扫描仪1能够以平行于自身旋转轴线3的方向发射线结构光，线结构光能够在空间中形成扫描平面，扫描平面能够随激光扫描仪1旋转，以形成圆柱形扫描空间4。所述激光扫描仪1与旋转驱动机构固定连接，以驱动自身转动。

具体的，旋转驱动机构包括转台2，所述转台2中动力驱动件的输出端与激光扫描仪1固定连接，激光扫描仪的旋转轴线即动力驱动件的旋转轴线。所述激光扫描仪1与转台2的位置关系被设置为：线结构光的发射方向与动力驱动件的旋转轴线3的延伸方向平行，旋转轴线3处于扫描平面中，所述激光扫描仪1中激光发射器沿设定方向延伸，所述激光发射器的延伸方向与动力驱动件的旋转轴线3垂直，所述激光发射器的起始端与旋转轴线3重合。

附图1中给出了激光发射窗口101、激光发射器的从激光发射窗口处发射激光，激光发射窗口的延伸方向即为激光发射器的延伸方向。

具体的，所述激光扫描仪1为线结构光激光扫描仪，所述线结构光激光扫描仪被设置为：线结构光能够在待测区域的表面形成激光带。

所述激光扫描仪1中设有激光接收器，所述激光扫描仪1根据接收器透镜的反射光角度改变得到待测区域中激光线处各点距离基准平面的距离。具体的，所述激光接收器中透镜能够聚集目标反射的光线并聚焦到感光元件上，当与目标之间的距离发生改变时，通过透镜的反射光角度会随之改变，光线聚集在感光元件上的位置也有所不同，以此测得待测工件表面各点与激光扫描仪1参考平面的距离。

所述激光扫描仪1的旋转轴线3与扫描平面的一端重合，以使得激光扫描仪1的旋转轴线3为圆柱形扫描空间的中心轴线。

本实施例中，动力驱动件能够驱动激光扫描仪的旋转。具体的，此处的动力驱动件可以为电动机，也可以为液压马达或气动马达。

可以理解的是，为了带动转台2、激光扫描仪1到达空间中不同待测区域，转台应与外部驱动机构连接，外部驱动机构可以采用机械臂，转台安装在机械臂的末端，以此带动激光扫描仪1在空间中的移动。

在另外一些实施方式中，外部驱动机构可以采用三维工作台。

实施例2

本实施例提供一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，利用了所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置，包括以下步骤：

步骤1，转台2带动激光扫描仪1到达工件的待测区域处，激光扫描仪1与待测区域的间距处于设定范围，以满足激光扫描仪1的工作范围要求；

步骤2，激光扫描仪1沿设定方向发射线结构光，所述线结构光在待测区域的表面形成激光带，所述激光线经待测区域反射后进入激光接收器，所述激光扫描仪1根据接收器透镜的反射光角度改变得到待测区域中激光线处各点距离基准平面的距离；

步骤3，转台2驱动激光扫描仪沿旋转轴线3自转以得到圆柱形扫描空间，所述待测区域表面的激光线在旋转的情况下形成圆形激光面，激光扫描仪1得到圆形激光扫描面处各点距离基准面的距离，对各点距离基准面的距离进行坐标变换，然后完成待测区域的三维建模；

步骤4，转台2发生平动运动，重复步骤1-3以完成下一待测区域处的微观形貌测量，相邻两待测区域之间应有重叠区域，多个待测区域组合拼接形成完整的待测表面。

所述转台2中动力驱动件的旋转轴线3方向设为Z轴方向，将垂直于Z轴的一个平面设定为基准面，所述激光扫描仪1的工作范围由两个相互平行的边界平面限定，所述边界平面与Z轴垂直，所述待测区域应处于两个边界平面之间。

在设定位置处，激光线所在的直线设定为X方向，所述激光线的旋转方向为Y方向，所述激光扫描仪1在转台2的带动下得到X方向与Y方形分别作为横纵坐标方向的矩形数据带。

相邻两条激光线之间的夹角α为确定数值，即α＝w/f,其中w为扫描转速，f为采样频率；激光线上采点间距是一定的即为aμm,a为常数；假设一点A_i和圆心点之间有m(表格中的列数差-1)个点，距离设定零位激光线之间有n(表格中的行数差-1)条激光线，点A_i距离基准面的距离为d_i；则A_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)为：

X_i＝(m+1)*a*10^-3*cos[(n+1)*w/f]；

Y_i＝(m+1)*a*10^-3*sin[(n+1)*w/f]；

Z_i＝d_i。

需要指出的是，为了保证经数据变换后，能得到准确的三维数据模型，需要保证激光发生线的起始端与转台2中动力驱动件的旋转轴线3的中心重合。

如图5所示，矩形区域为待测工件，圆环区域为待当前待测区域，内部圆的部分为工件表面的圆孔，当激光线扫描一个该圆孔时，激光线与圆孔圆心以及直径的位置关系直接决定获得的数据质量。

最理想的扫描情况如下图5所示，激光线的一端恰好与圆孔圆心重合，激光线旋转一周之后，图中虚线圆圈和实线圆圈之间部分可得到有效的扫描数据，借此数据可得到圆孔直径、空洞附近的表面形貌等信息。该数据经展开应为一条矩形数据带。

当激光线段的延长线经过圆心，其最近端与圆心距离为x时，扫描区域与圆孔区域成为两个非同心的圆，图7中虚线圆所限定的区域为有效数据获取区域。若设激光线长度为L，圆孔半径为R(L>R)，激光由如图8所示初始位置转过任意角度β时，经计算可知，能采集到有效数据的激光线长度L1满足：

L₁＝L–L₀≥0； ⑵

由式(1)可得

解之可得下式(4)为符合实际情况的解，及激光线最近端与圆孔中心的距离x应满足式(4)

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，利用了基于线结构光的工件表面微观形貌测量装置，装置包括激光扫描仪，激光扫描仪能够沿设定轴线旋转，激光扫描仪能够以平行于自身旋转轴线的方向发射线结构光，线结构光能够在空间中形成扫描平面，扫描平面能够随激光扫描仪旋转，以形成圆柱形扫描空间；测量方法包括以下步骤：

步骤1，激光扫描仪位移至工件的待测区域处，激光扫描仪与待测区域的间距处于设定范围；

步骤2，激光扫描仪沿设定方向发射线结构光，所述线结构光在待测区域的表面形成激光带，激光线经待测区域反射后进入激光接收器，测得激光带在待测工件表面各点与基准面的距离；

步骤3，激光扫描仪沿设定轴线旋转，以得到圆柱形扫描空间，待测区域表面的激光线在转台的带动下形成圆形激光面，激光扫描仪得到圆形激光扫描面处各点距离基准面的距离，对各点距离基准面的距离进行坐标变换，然后完成待测区域的三维建模；

重复步骤1-3，以完成下一待测区域处的微观形貌测量，相邻两待测区域之间应有重叠区域，多个待测区域组合拼接形成完整的待测表面。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，所述激光扫描仪与旋转驱动机构固定连接，以驱动自身转动。

3.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，所述激光扫描仪中设有激光接收器和激光发射器，激光发射器能够沿设定方向发射激光带，并形成所述扫描平面。

4.根据权利要求3所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，所述激光接收器中透镜能够聚集目标反射的光线并聚焦到感光元件上，当与目标之间的距离发生改变时，通过透镜的反射光角度会随之改变，光线聚集在感光元件上的位置也有所不同，以此测得待测工件表面各点与激光扫描仪参考平面的距离。

5.根据权利要求2所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，所述旋转驱动机构包括转台，转台中安装有驱动激光扫描仪转动的动力驱动件；

所述转台与外部驱动机构固连，外部驱动机构能够带动激光扫描仪在设定空间中移动，以对准待测工件中不同的待测区域。

6.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，所述激光扫描仪的旋转轴线与扫描平面的一端重合，以使得激光扫描仪的旋转轴线为圆柱形扫描空间的中心轴线。

7.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，将激光扫描仪的旋转轴线方向设为Z轴方向，将垂直于Z轴的一个平面设定为基准面，激光扫描仪的工作范围由两个相互平行的边界平面限定，边界平面与Z轴垂直，待测区域应处于两个边界平面之间。

8.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，在设定位置处，激光线所在的直线设定为X方向，所述激光线的旋转方向为Y方向，所述激光扫描仪在转台的带动下得到X方向与Y方形分别作为横纵坐标方向的矩形数据带。

9.根据权利要求1所述的基于线结构光的工件表面微观形貌测量方法，其特征在于，相邻两条激光线之间的夹角α为确定数值，即α＝w/f,其中w为扫描转速，f为采样频率；激光线上采点间距是一定的即为aμm,a为常数；假设一点A_i和圆心点之间有m个点，距离设定零位激光线之间有n条激光线，点A_i距离基准面的距离为d_i；则A_i的坐标为：

X_i＝(m+1)*a*10^-3*cos[(n+1)*w/f]；

Y_i＝(m+1)*a*10^-3*sin[(n+1)*w/f]；

Z_i＝d_i。

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