CN112797914B - 光学轮廓扫描仪的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学轮廓扫描仪的校准方法，包括：将标准球按放置于指定的5个位置，通过光学轮廓扫描仪分别对标准球进行扫描，以获取所述标准球的测量圆度值和测量直径值；将测量圆度值和标准球的上级标定的圆度值之差作为扫描仪的形状探测误差；将测量直径值和标准球的上级标定的直径值之差作为尺寸探测误差；对光学轮廓扫描仪进行球心距长度校准；将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度；将测量球心距长度和球杆上级标定的球心距长度之差，作为扫描仪的球心距测量示值误差。本发明采用实物标准球和球杆对光学轮廓扫描仪进行形貌校准，从而实现光学轮廓扫描仪扫描精度的校准。

Description

光学轮廓扫描仪的校准方法
技术领域
本发明涉及一种光学轮廓扫描仪的校准方法。
背景技术
光学轮廓扫描仪是在三维扫描成像技术基础上发展起来的机器视觉装置，它以激光扫描或者投影光栅方式向物体轮廓表面投射结构光，通过图像采集、特征提取和立体匹配等过程将所测得的点云数据拟合为3D模型，进而可获得被测物体相应的几何参量。随着加工技术的进步以及工业产品的形貌特征日趋多元化、复杂化和精密化，基于结构光视觉测量系统以其结构简单、使用灵活、扫描范围大、测量准确性高、速度快等优点而被广泛应用于汽车制造，机械加工，航天航空等诸多领域。美国国家标准局曾经预测：在线检测任务的90％将由光学轮廓扫描仪系统来完成。据《中国机器视觉行业市场运营态势及发展前景》统计：有100余家机器视觉制造商生产的光学轮廓扫描仪及相关设备运用于各行各业。光学轮廓扫描仪在航天产品机械制造、加工装配、在线监测、科研仿真等过程中已广泛应用。
现有的光学轮廓扫描仪的校准精度不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学轮廓扫描仪的校准方法。
为解决上述问题，本发明提供一种光学轮廓扫描仪的校准方法，包括：
步骤S1，打开光学轮廓扫描仪，控制主机充分预热后，确保所述主机周围无振动产生，整个校准过程中，保证所述主机不移动；
步骤S2，确定光学轮廓扫描仪的扫描视场，以对光学轮廓扫描仪进行探测误差校准；
步骤S3，将标准球放置于指定的5个位置，通过光学轮廓扫描仪分别对标准球进行扫描，以获取所述标准球的测量圆度值和测量直径值；
步骤S4，将所述测量圆度值和标准球的上级标定的圆度值之差，作为扫描仪的形状探测误差；将所述测量直径值和标准球的上级标定的直径值之差，作为尺寸探测误差；
步骤S5，完成对光学轮廓扫描仪进行形状探测误差和尺寸探测误差的校准后，对光学轮廓扫描仪进行球心距长度校准；
步骤S6，将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度；
步骤S7，将所述测量球心距长度和球杆上级标定的球心距长度之差，作为扫描仪的球心距测量示值误差。
进一步的，在上述方法中，所述指定的5个位置为所述光学轮廓扫描仪的测量空间范围内5个均匀分布的位置。
进一步的，在上述方法中，所述指定的7个位置分别为测量固定在测量范围边的平行线、测量范围的前面的对角线、测量范围的后面的对角线、测量范围的侧面的对角线和测量范围的体对角线。
进一步的，在上述方法中，步骤S6，将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度中，
测量固定在测量范围边的平行线的位置的球心距长度时，所述标准球杆长度不小于视场空间最短边的2/3。
进一步的，在上述方法中，步骤S6，将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度中，
测量所述测量范围的前面的对角线、测量范围的后面的对角线、测量范围的侧面的对角线、测量范围的体对角线的位置的球心距长度时，所述标准球杆长度不小于视场空间对角线的2/3。
进一步的，在上述方法中，步所述标准球杆的直径为38.1mm。
进一步的，在上述方法中，所述标准球杆由铟钢球杆与标准球连接组合而成。
进一步的，在上述方法中，铟钢球杆的两侧安装固定陶瓷球，铟钢球杆的线膨胀系数为α＝4×10-7mm/℃。
与现有技术相比，本发明包括：将标准球按放置于指定的5个位置，通过光学轮廓扫描仪分别对标准球进行扫描，以获取所述标准球的测量圆度值和测量直径值；将所述测量圆度值和标准球的上级标定的圆度值之差，作为扫描仪的形状探测误差；将所述测量直径值和标准球的上级标定的直径值之差，作为尺寸探测误差；完成对光学轮廓扫描仪进行形状探测误差和尺寸探测误差的校准后，对光学轮廓扫描仪进行球心距长度校准；将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度；将所述测量球心距长度和球杆上级标定的球心距长度之差，作为扫描仪的球心距测量示值误差。本发明采用实物标准球和球杆对光学轮廓扫描仪进行形貌校准，从而实现光学轮廓扫描仪扫描精度的校准。
附图说明
图1是本发明一实施例的系统探测误差校准示意图；
图2是本发明一实施例的球心距校准示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种光学轮廓扫描仪的校准方法，包括：
步骤S1，打开光学轮廓扫描仪，控制主机充分预热后，确保所述主机周围无振动产生，整个校准过程中，保证所述主机不移动；
步骤S2，确定光学轮廓扫描仪的扫描视场，以对光学轮廓扫描仪进行探测误差校准；
步骤S3，将标准球按如图1放置于指定的5个位置，通过光学轮廓扫描仪分别对标准球进行扫描，以获取所述标准球的测量圆度值和测量直径值；
步骤S4，将所述测量圆度值和标准球的上级标定的圆度值之差，作为扫描仪的形状探测误差(ePF)；将所述测量直径值和标准球的上级标定的直径值之差，作为尺寸探测误差(ePS)；
步骤S5，完成对光学轮廓扫描仪进行形状探测误差和尺寸探测误差的校准后，对光学轮廓扫描仪进行球心距长度校准；
步骤S6，将标准球杆按图2放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度；
步骤S7，将所述测量球心距长度和球杆上级标定的球心距长度之差，作为扫描仪的球心距测量示值误差(eSD)。
在此，本发明采用实物标准球和球杆对光学轮廓扫描仪进行形貌校准，从而实现光学轮廓扫描仪扫描精度的校准。
具体的，
1、探测误差的校准：
探测误差描述了光学轮廓扫描仪在小部分测量范围内的误差特性，分别受到摄像机在测量范围内单次测量误差与单次测量过程中特征提取与立体匹配引起的误差。因此采用标准球作为标准器具以系统各测量点与最小二乘拟合球球心之间径向距离的变化范围校准其形状探测误差(ePF)；拟合球的直径与标准球直径的差值为尺寸探测误差(ePS)。
如图1所示，将已知圆度和直径的标准球放置在光学轮廓扫描仪的测量空间范围内5个均匀分布的位置上，使用光学轮廓扫描仪分别对标准球的球体表面轮廓进行扫描并最小二乘拟合得到测量点与拟合球心距离最大值Rmax和最小值Rmin。轮廓上扫描测量点半径的峰谷值(拟合球圆度与标准圆度之差)即为形状探测误差(ePF)。
ePF＝Rmax-Rmin
式中：ePF——形状探测误差；
Rmax——测量点与拟合球心之间距离的最大值；
Rmin——测量点与拟合球心之间距离的最小值。
系统拟合球直径值Da与标准器球考直径值Dr之差即为尺寸探测误差(ePS)。
ePS＝Da-Dr
式中：ePS——尺寸探测误差；
Da——系统拟合球直径值；
Dr——标准球实际直径值。
2、球心距测量误差的校准
球心距测量示值误差(eSD)用于证明光学轮廓扫描仪测量长度能力采用标准球杆作为标准器具，在全部测量范围内进行观测。如图2所示，使用光学轮廓扫描仪分别测量固定在测量范围边的平行线1、2、3；测量范围的前面4、后面5及侧面6的对角线上；在测量范围的体对角线7等位置上的标准球杆。
测量1、2、3位置时要求标准球杆长度不小于视场空间最短边的2/3，测量4、5、6、7位置时要求标准球杆长度不小于视场空间对角线的2/3。仪器的球心距测量示值误差(SD)取最小二乘法拟合的球心距离Lkα与参考值Lkr之间差值绝对值最大者。
Figure BDA0002851971680000051
式中：eSD——球心距测量示值误差；
Lkα——系统拟合球心距离；
Lkr——标准球杆球心距离参考值。
3、标准球：
直径为38.1mm标准球是用于校准光学轮廓扫描仪探测误差的主要标准器具。采用不同漫反射材料研建标准球确保满足采用不同曝光率的光学轮廓扫描仪校准需要。有金属亮光标准球、金属哑光标准球、陶瓷亮光标准球、陶瓷哑光标准球。其直径测量不确定度为：U＝1.5μm(k＝2)；圆度测量不确定度为：U＝0.2μm(k＝2)。
4、标准球杆：
标准球杆(型号/规格：700mm)由铟钢球杆与标准球组合而成。铟钢球杆的两侧安装固定陶瓷球，铟钢球杆的线膨胀系数为α＝4×10-7mm/℃，更适合现场使用。球心距测量不确定度：U＝5.0μm(k＝2)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种光学轮廓扫描仪的校准方法，其特征在于，包括：
步骤S1，打开光学轮廓扫描仪，控制主机充分预热后，确保所述主机周围无振动产生，整个校准过程中，保证所述主机不移动；
步骤S2，确定光学轮廓扫描仪的扫描视场，以对光学轮廓扫描仪进行探测误差校准；
步骤S3，将标准球放置于指定的5个位置，通过光学轮廓扫描仪分别对标准球进行扫描，以获取所述标准球的测量圆度值和测量直径值；
所述指定的5个位置为所述光学轮廓扫描仪的测量空间范围内5个均匀分布的位置；
步骤S4，将所述测量圆度值和标准球的上级标定的圆度值之差，作为扫描仪的形状探测误差；将所述测量直径值和标准球的上级标定的直径值之差，作为尺寸探测误差；
步骤S5，完成对光学轮廓扫描仪进行形状探测误差和尺寸探测误差的校准后，对光学轮廓扫描仪进行球心距长度校准；
步骤S6，将标准球杆放置于指定的7个位置，光学轮廓扫描仪分别进行扫描标准球杆，以获取标准球杆的测量球心距长度；
所述指定的7个位置分别为测量固定在测量范围边的平行线、测量范围的前面的对角线、测量范围的后面的对角线、测量范围的侧面的对角线和测量范围的体对角线；
测量固定在测量范围边的平行线的位置的球心距长度时，所述标准球杆长度不小于视场空间最短边的2/3；
测量所述测量范围的前面的对角线、测量范围的后面的对角线、测量范围的侧面的对角线、测量范围的体对角线的位置的球心距长度时，所述标准球杆长度不小于视场空间对角线的2/3；
步骤S7，将所述测量球心距长度和球杆上级标定的球心距长度之差，作为扫描仪的球心距测量示值误差。
2.如权利要求1所述的光学轮廓扫描仪的校准方法，其特征在于，步所述标准球杆的直径为38.1mm。
3.如权利要求1所述的光学轮廓扫描仪的校准方法，其特征在于，所述标准球杆由铟钢球杆与标准球连接组合而成。
4.如权利要求3所述的光学轮廓扫描仪的校准方法，其特征在于，铟钢球杆的两侧安装固定陶瓷球，铟钢球杆的线膨胀系数为α＝4×10-7mm/℃。
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