CN113465546A - 激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法 - Google Patents

激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法 Download PDF

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CN113465546A CN202110748165.7A CN202110748165A CN113465546A CN 113465546 A CN113465546 A CN 113465546A CN 202110748165 A CN202110748165 A CN 202110748165A CN 113465546 A CN113465546 A CN 113465546A
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Abstract

本发明公开了一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，基于外摆线方程或太阳花线方程设计圆形背向反射合作目标扫描路径；在待投影工件上设置多个圆形背向反射合作目标，根据扫描路径对圆形背向反射合作目标进行扫描；光电探测器模块接收圆形背向反射合作目标及其周围区域反射的光强；提取各圆形背向反射合作目标区域的扫描点及边缘扫描点；利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标；根据各圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系；读取并解析待投影零部件的CAD数学模型，在待投影工件上形成待投影图形。

Description

激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法
技术领域
本发明属于先进光电测试仪器领域，尤其涉及新型激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，具体应用于先进制造装配领域中的智能辅助装配定位等。
背景技术
激光扫描投影系统能够将虚拟激光模板投影到复杂的模型和零件上，这个虚拟模板显示了待装配或加工的零部件的轮廓，能够指导安装人员进行零件的装配工作。在投影前，需要对标准工件上的背向反射合作目标进行扫描，计算合作目标在投影系统坐标系下的坐标。再通过待装配或加工零部件的理论数模得到背向反射合作目标在工件坐标系下的坐标。根据背向反射合作目标点分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，建立投影系统坐标系与工件坐标系的坐标系转换关系，这一过程称为标定。激光扫描投影系统根据投影系统坐标系与工件坐标系的坐标系转换关系和待投影标准零部件的理论数模生成投影文件，进行投影。
圆形背向反射合作目标因其明显的几何特征在标定过程中被广泛使用，合作目标圆心的提取精度对标定精度有非常大的影响。随着工业生产对精度要求的不断提高，提高背向反射合作目标圆心坐标值精度具有重要的研究意义及实用价值。计算背向反射合作目标在工件坐标系下的中心坐标，需要提取扫描到合作目标边缘的扫描点(以下简称“边缘扫描点”)坐标，利用圆心拟合算法拟合中心坐标。扫描合作目标的扫描点按照对应的扫描路径排列，因此，以不同的扫描方法进行扫描，边缘扫描点的数量和位置不同，从而影响合作目标中心坐标求解精度。
Steven P.Kaufman提出了一种应用在激光扫描系统的光栅矩形扫描方法，这种方法有扫描范围广、操作简单等优点。但是，光栅矩形扫描方法扫描点数多，消耗时间久。另外，解算中心坐标时，只需要提取边缘扫描点，因此，大量合作目标高反射区域的扫描点没有被有效利用。
针对这一问题，本发明提出了新型激光扫描投影圆形背向反射合作目标扫描方法：外摆线扫描方法和太阳花线扫描方法。并分析了新型扫描方法的扫描时间、边缘扫描点获取概率、位置求解精度。外摆线扫描方法节省了扫描时间，提高了边缘点获取概率。太阳花线扫描方法节省了扫描时间，提高了边缘扫描点获取概率，可以得到更高精度的合作目标坐标。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了两种新型激光扫描投影圆形背向反射合作目标方法，能够实现对圆形背向反射合作目标的高效扫描，从而实现圆形背向反射合作目标在投影系统坐标系下的圆心坐标解算，对待投影的标准工件进行准确投影。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图：
一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，包括以下步骤：
步骤一、基于外摆线方程或太阳花线方程，设计圆形背向反射合作目标扫描路径；
步骤二、在待投影工件上设置至少6个圆形背向反射合作目标，根据步骤一设计的扫描路径对设置的圆形背向反射合作目标进行扫描；
步骤三、建立投影系统坐标系与工件坐标系的坐标转换关系：光电探测器模块接收和处理圆形背向反射合作目标及其周围区域反射的光强信号，并将其转化为电压信号；记录在背向反射合作目标周围但不属于合作目标的区域的扫描点电压信号，提取其中最大的电压值设置为电压阈值；根据电压阈值，提取各圆形背向反射合作目标区域的扫描点；通过点云处理，提取背向反射合作目标区域边缘的边缘扫描点；利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标；根据至少6个圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系；
步骤四、读取并解析待投影零部件的CAD数学模型，在待投影工件上形成待投影图形。进一步地，所述步骤一中，太阳花线方程为：
r＝a+b*sin(c*θ)
转换为直角坐标系下的方程为：
Figure BDA0003145097780000021
太阳花线是一种封闭曲线，θ表示曲线上的点和圆心连线与x轴的夹角；
太阳花线的半径r的最大值为(a+b)，最小值为(a-b)，即a决定了半径r的平均值，b控制半径r的变化范围，c决定了半径r的变化周期数，每条封闭曲线中，r的大小变化c个周期。
进一步地，所述步骤一中，外摆线方程为：
Figure BDA0003145097780000022
外摆线是一个动圆沿一个定圆外部滚动而无滑动时，动圆圆周上一点M的轨迹；
其中，a为定圆半径，b为动圆半径，θ是动圆圆心和定圆圆心连线与x轴正半轴的夹角。
进一步地，所述步骤二包括以下步骤：
S21.在待投影工件上设置多个圆形背向反射合作目标；
S22.根据步骤一设计的扫描路径，双轴扫描振镜模块对待投影工件上设置的圆形背向反射合作目标进行扫描，同时扫描背向反射扫描合作目标周围且不属于合作目标的区域；
S23.定义待投影工件的坐标系为工件坐标系O-XOYOZO；定义双轴扫描振镜模块的坐标系为投影系统坐标系P-XPYPZP。
进一步地，所述步骤三包括以下步骤：
S31.光电探测器模块接收圆形背向反射合作目标10及其周围区域反射的光强，并将光强信号转换为电压信号；
S32.记录在背向反射合作目标周围但不属于合作目标的区域的扫描点电压信号，提取其中最大的电压值，并将该值设置为电压阈值；
S33.根据电压阈值，提取圆形背向反射合作目标区域的扫描点；并通过点云处理，提取背向反射合作目标的区域边缘的边缘扫描点；
S34.根据拟合圆心算法，利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标，该坐标以各背向反射合作目标在投影系统坐标系中对应的扫描振镜偏转角表示；
S35.建立投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的数学模型，并根据至少6个圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，利用非线性最优化算法求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系。
进一步地，所述步骤四包括以下步骤：上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型，并对CAD数学模型进行数模特征信息解析；通过数据采集处理及控制模驱动双轴扫描振镜模块循环转动，在待投影工件上形成待装配零件的待投影图形。
本发明带来的技术效果和优点为：
本发明能够实现对圆形背向反射合作目标的高效扫描，节省扫描时间，能够提高边缘扫描点的获取概率，高效利用扫描点信息，能够实现对待投影零部件的精确投影。
附图说明
图1是本发明所述的一种激光扫描投影系统组成原理图；
图2是本发明所述的圆形背向反射合作目标；
图3是本发明所述的一种新型激光扫描投影系统的合作目标扫描方法流程图；
图4是本发明实施例1所述的圆形背向反射合作目标扫描方法示意图；
图5是本发明实施例1所述的不属于背向反射合作目标的反馈光强；
图6是本发明实施例1所述的圆形背向反射合作目标的反馈光强；
图7是本发明实施例1所述的圆形背向反射合作目标高反射区域的扫描点；
图8是本发明实施例1所述的圆形背向反射合作目标高反射区域边缘点对应的扫描点；
图9是本发明实施例1所述的圆形背向反射合作目标与其对应的激光光斑；
图10是本发明实施例2所述的圆形背向反射合作目标扫描方法示意图；
图11是本发明实施例2所述的圆形背向反射合作目标的反馈光强；
图12是本发明实施例2所述的圆形背向反射合作目标高反射区域的扫描点；
图13是本发明实施例2所述的圆形背向反射合作目标高反射区域边缘点对应的扫描点；
图14是本发明实施例2所述的圆形背向反射合作目标与其对应的激光光斑。
图中：
1-激光器；2-动态聚焦模块；3-分光模块；4-双轴扫描振镜模块；5-光电探测器；6-数据采集及控制模块；7-上位机控制器；8-待投影工件；9-待投影图形；10-圆形背向反射合作目标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明公开了自标定激光扫描投影系统，下面将结合附图对本发明公开的实施方式进一步详细描述。以下结合实施例和附图对本发明的保护范围不构成任何限制，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而不能对本发明的保护范围构成任何限制，所包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
如图1所示，一种激光扫描投影系统，包括激光器1、动态聚焦模块2、分光模块3、双轴扫描振镜模块4、光电探测器模块5、数据采集及控制模块6、上位机控制器7、待投影工件8、待投影图形9、圆形背向反射合作目标10。激光器1出射的激光束进入动态聚焦模块2，实现激光光束的扩束、准直，使激光光束能够在不同投影距离、位置上自动聚焦；经动态聚焦模块2的激光光束入射至分光模块3，由分光模块3出射的激光光束继续向前入射至双轴扫描振镜模块4中，激光光束经双轴扫描振镜模块4中的两个振镜实现快速偏转，从而在待投影工件8上实现待投影图形9的循环扫描绘制投影。
上述为激光扫描投影系统的基本构成。
如图2所示为一个圆形背向反射合作目标，圆形背向反射合作目标10由回光反射材料加工而成，能将入射光线按照原路反射回光源处。激光扫描投影系统在投影前，需要对标准工件上的圆形背向反射合作目标10进行扫描，计算圆形背向反射合作目标10在投影系统坐标系下的坐标。再通过待装配或加工零部件的理论数模得到背向反射合作目标在工件坐标系下的坐标。根据背向反射合作目标10分别在投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO下的坐标，求解投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的坐标系转换矩阵，这一过程称为标定。激光扫描投影系统根据坐标系转换矩阵和待投影标准零部件的在工件坐标系O-XOYOZO下的理论数模生成投影文件，进行投影。
以不同的扫描方法扫描合作目标，得到的边缘扫描点的位置、数量均不同，对合作目标圆心提取精度产生影响，进而影响标定精度。
本发明提出了一种新型激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描路径，并分析了该扫描路径的扫描时间、边缘扫描点获取概率、位置求解精度等评价参数。本发明提出的全新技术特性如下所述：
待投影工件8上设置至少6个圆形背向反射合作目标10，在建立系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO间坐标转换关系的各圆形背向反射合作目标10光学扫描过程中，各个圆形背向反射合作目标10反射的光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4入射至分光模块3，分光模块3将反射光强信息送入光电探测器模块5，实现反馈光强信号的探测和转换，转换后的电压信号再送入数据采集及控制模块6，计算各个圆形背向反射合作目标10的圆心坐标。
上位机控制器7与数据采集及控制模块6通讯连接，导入的CAD数模文件中投影特征图形元素进行解析，计算出投影图形各节点的坐标位置信息和扫描振镜转角信息，并发送至数据采集及控制模块6，通过数据采集及控制模块6驱动双轴扫描振镜模块4中的两个振镜进行高速循环的精准角度旋转，从而完成待投影零部件的轮廓线框图形(待投影图形9)在待投影工件8坐标系O-XOYOZO中的准确三维位置激光扫描投影。
如图3所示，一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，包括以下步骤：
步骤一、设计圆形背向反射合作目标扫描路径：
本发明设计的圆形背向反射合作目标扫描方法是基于太阳花线或外摆线设计的，
1)太阳花线的极坐标方程如式(1)所示：
r＝a+b*sin(c*θ) (1)
转换为直角坐标系下的方程如式(2)所示：
Figure BDA0003145097780000061
太阳花线是一种封闭曲线，θ表示曲线上的点和圆心连线与x轴的夹角。由式(1)可知，太阳花线的半径r的最大值为(a+b)，最小值为(a-b)，即a决定了半径r的平均值，b控制半径r的变化范围。c决定了半径r的变化周期数，每条封闭曲线中，r的大小变化c个周期。选取适当的参数设置组合，确定扫描圆形背向反射合作目标的扫描路径。
2)外摆线是一个动圆沿一个定圆外部滚动而无滑动时，动圆圆周上一点M的轨迹。方程如式(3)所示：
Figure BDA0003145097780000062
其中，a为定圆半径，b为动圆半径，θ是动圆圆心和定圆圆心连线与x轴正半轴的夹角。
步骤二、根据步骤一设计的扫描路径对投影工作面上圆形背向反射合作目标进行扫描：
S21.在待投影工件8上设置多个圆形背向反射合作目标10；
S22.根据设计好的扫描路径，双轴扫描振镜模块4对待投影工件8上设置的圆形背向反射合作目标10进行扫描，同时扫描背向反射扫描合作目标周围且不属于合作目标的区域；
S23.定义待投影工件8的坐标系为工件坐标系O-XOYOZO；定义双轴扫描振镜模块4的坐标系为投影系统坐标系P-XPYPZP；
步骤三、建立投影系统坐标系与工件坐标系的坐标转换关系：
S31.光电探测器模块5接收圆形背向反射合作目标10及其周围区域反射的光强，并将光强信号转换为电压信号；
S32.记录在背向反射合作目标周围但不属于合作目标的区域的扫描点电压信号，提取其中最大的电压值，并将该值设置为电压阈值。当某一扫描点对应的电压大于该阈值时，则认为该点扫描到了背向反射合作目标的高反射区域；当某一扫描点的电压小于该阈值时，认为该点没有扫描到背向反射合作目标高反射区域；
S33.根据电压阈值，提取圆形背向反射合作目标区域的扫描点。通过点云处理，提取背向反射合作目标的区域边缘的扫描点，即边缘扫描点；
S34.根据拟合圆心算法，利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标，该坐标以各背向反射合作目标在投影系统坐标系中对应的扫描振镜偏转角表示；
S35.建立投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的数学模型，并根据至少6个圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，利用非线性最优化算法求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系；
步骤四、上位机控制器7读取待投影零部件的CAD数学模型，并通过数据采集处理及控制模6驱动双轴扫描振镜模块4循环转动，在待投影工件上形成待装配零件的轮廓线框图形。
实施例1
如图1所示，一种激光扫描投影装置，包括激光器1、动态聚焦模块2、分光模块3、双轴扫描振镜模块4、光电探测器模块5、数据采集及控制模块6、上位机控制器7、待投影工件8、待投影图形9、圆形背向反射合作目标10。激光器1出射的激光束进入动态聚焦模块2，实现激光光束的扩束、准直，使激光光束能够在不同投影距离、位置上自动聚焦；经动态聚焦模块2的激光光束入射至分光模块3，由分光模块3出射的激光光束继续向前入射至双轴扫描振镜模块4中，激光光束经双轴扫描振镜模块4中的两个振镜实现快速偏转，从而在待投影工件8上实现待投影图形9的循环扫描绘制投影。
待投影工件8上设置至少6个圆形背向反射合作目标10，在建立系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO间坐标转换关系的各圆形背向反射合作目标10光学扫描过程中，各个圆形背向反射合作目标10反射的光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4入射至分光模块3，分光模块3将反射光强信息送入光电探测器模块5，实现反馈光强信号的探测和转换，转换后的电压信号再送入数据采集及控制模块6，计算各个圆形背向反射合作目标10的圆心坐标。上位机控制器7与数据采集及控制模块6通讯连接，导入的CAD数模文件中投影特征图形元素进行解析，计算出的投影图形各节点的坐标位置信息和扫描振镜转角信息，并发送至数据采集及控制模块6，通过数据采集及控制模块6驱动双轴扫描振镜模块4中的两个振镜进行高速循环的精准角度旋转，从而完成待投影零部件的轮廓线框图形9在待投影工件8坐标系O-XOYOZO中的准确三维位置激光扫描投影。
实施例1所述的一种激光扫描投影系统的圆形背向反射合作目标扫描方法，包括如下步骤：
步骤1，设计圆形背向反射合作目标扫描路径。如图4所示为采用太阳花扫描路径时的合作目标扫描示意图，此时，太阳花线参数分别为a＝0.03，b＝0.015，c＝50。曲线上的和圆心连线与x轴的夹角θ每变化0.1°，设置一个扫描点，故该扫描路径共有(360÷0.1＝)3600个扫描点。
步骤2，对投影工作面上圆形背向反射合作目标进行扫描。根据设计好的扫描路径，双轴扫描振镜模块4对被投影工件8上设置的圆形背向反射合作目标10进行扫描。双轴扫描振镜模块4对被投影工件8上不属于背向反射合作目标的区域进行扫描。定义待投影工件8的坐标系为工件坐标系O-XOYOZO；定义双轴扫描振镜模块4的坐标系为投影系统坐标系P-XPYPZP。
步骤3，光电探测器模块5接收圆形背向反射合作目标10以及不属于背向反射合作目标的区域反射的光强，并将光强信号转换为电压信号。如图5所示为圆形背向反射合作目标10周围且不属于背向反射合作目标10区域的反馈光强图，其中，扫描点反射的光信号被光电探测器模块5接收并转换为与光强信号成比例的电压信号，z轴表示各扫描点的反馈光强对应的电压U，x轴、y轴分别表示双轴振镜两个轴的偏转角H、V，选取其中最大的电压值为阈值。如图6所示为扫描6个圆形背向反射合作目标10后得到的反馈光强图，其中，扫描点反射的光信号被光电探测器接收并转换为与光强信号成比例的电压信号，z轴表示各扫描点的反馈光强对应的电压U，x轴、y轴分别表示双轴振镜两个轴的偏转角H、V。
步骤4，根据阈值，提取属于背向反射合作目标10高反射区域的扫描点。如图7所示为扫描到合作目标高反射区域的扫描点，其中，x轴表示水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。
步骤5，通过点云处理，提取属于背向反射合作目10边缘的扫描点。如图8所示为边缘扫描点的位置信息，其中，x轴表示对应的水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。
步骤6，根据拟合圆心算法，解算各背向反射合作目标10的圆心坐标，坐标是以各背向反射合作目标10在投影系统坐标系P-XPYPZP中对应的双轴振镜偏转角角度表示的。
步骤7，建立投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的数学模型，并根据6个圆形背向反射合作目标的分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，利用最小二乘等最优化算法解算两坐标系的坐标转换矩阵的参数。
步骤8，上位机控制器7读取待投影零部件的CAD数学模型，并通过数据采集及控制模6驱动双轴扫描振镜模块4循环转动，在待投影工件上形成待装配零件的轮廓线框图形9。
该扫描路径共由3600个扫描点组成，则每扫描一个圆形背向反射合作目标点，振镜需要转动3600次，本发明中例1选用的振镜振动频率为10000Hz时，扫描一个合作目标所用时间为(3600×1/10000＝)0.36s。
如图9所示为合作目标高反射区域边缘点对应的扫描点，其中，x轴表示水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。6个合作目标边缘扫描点数分别为30、31、29、35、36、31，太阳花线扫描的边缘扫描点获取概率为0.89％，是光栅矩形扫描方法的2.225倍，计算公式如式(4)所示。
Figure BDA0003145097780000091
将图8的扫描点拟合为圆，并求取圆心位置，可以解算出上述被扫描的合作目标10中心对应的双轴振镜的偏转角H、V。系统控制振镜偏转，使激光光斑入射到计算所得的合作目标10的中心位置，对带有激光光斑的合作目标进行拍照，通过分别求解激光光斑和合作目标10的圆心位置，计算圆心提取误差。如图9所示为6个合作目标的处理结果，“+”表示合作目标的中心，“*”表示激光光斑的中心，也就是太阳花线扫描路径解算出的合作目标中心。激光光斑中心对应的像素值、合作目标中心对应的像素值以及两个中心的实际距离如表1所示。由表1可知，根据太阳花线扫描路径扫描合作目标数据解算的合作目标圆心位置与合作目标实际圆心位置的偏差均小于0.10mm。
实施例2
如图1所示，一种激光扫描投影系统，包括激光器1、动态聚焦模块2、分光模块3、双轴扫描振镜模块4、光电探测器模块5、数据采集及控制模块6、上位机控制器7、待投影工件8、待投影图形9、圆形背向反射合作目标10。激光器1出射的激光束进入动态聚焦模块2，实现激光光束的扩束、准直，使激光光束能够在不同投影距离、位置上自动聚焦；经动态聚焦模块2的激光光束入射至分光模块3，由分光模块3出射的激光光束继续向前入射至双轴扫描振镜模块4中，激光光束经双轴扫描振镜模块4中的两个振镜实现快速偏转，从而在待投影工件8上实现待投影图形9的循环扫描绘制投影。
待投影工件8上设置至少6个圆形背向反射合作目标10，在建立系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO间坐标转换关系的各圆形背向反射合作目标10光学扫描过程中，各个圆形背向反射合作目标10反射的光强信息沿原光路返回，经过双轴扫描振镜模块4入射至分光模块3，分光模块3将反射光强信息送入光电探测器模块5，实现反馈光强信号的探测和转换，转换后的电压信号再送入数据采集及控制模块6，计算各个圆形背向反射合作目标10的圆心坐标。上位机控制器7与数据采集及控制模块6通讯连接，导入的CAD数模文件中投影特征图形元素进行解析，计算出的投影图形各节点的坐标位置信息和扫描振镜转角信息，并发送至数据采集及控制模块6，通过数据采集及控制模块6驱动双轴扫描振镜模块4中的两个振镜进行高速循环的精准角度旋转，从而完成待投影零部件的轮廓线框图形9在待投影工件8坐标系O-XOYOZO中的准确三维位置激光扫描投影。
实施例2所述的一种激光扫描投影系统的圆形背向反射合作目标扫描方法，包括如下步骤：
步骤1，设计圆形背向反射合作目标扫描路径。如图10所示为采用外摆线扫描方法时的合作目标扫描示意图，其中激光光线扫描路径用绿色线条表示。此时，外摆线参数分别为a＝0.012，b＝0.0136，θ的变化范围为(0，34π]。动圆圆心和定圆圆心连线与x轴正半轴的夹角θ每变化1°，设置一个扫描点，故该扫描路径共有(34×180＝)6120个扫描点。
步骤2，对投影工作面上圆形背向反射合作目标进行扫描。根据设计好的扫描路径，双轴扫描振镜模块4对被投影工件8上设置的圆形背向反射合作目标10进行扫描。双轴扫描振镜模块4对被投影工件8上不属于背向反射合作目标的区域进行扫描。定义待投影工件8的坐标系为工件坐标系O-XOYOZO；定义双轴扫描振镜模块4的坐标系为投影系统坐标系P-XPYPZP。
步骤3，光电探测器模块5接收圆形背向反射合作目标10、不属于背向反射合作目标的区域反射的光强，并将光强信号转换为电压信号。如图11所示为扫描6个圆形背向反射合作目标10后得到的反馈光强图，其中，扫描点反射的光信号被光电探测器接收并转换为与光强信号成比例的电压信号，z轴表示各扫描点的反馈光强对应的电压U，x轴、y轴分别表示双轴振镜两个轴的偏转角H、V。
步骤4，根据阈值，提取属于背向反射合作目标10高反射区域的扫描点。如图12所示为扫描到合作目标高反射区域的扫描点，其中，x轴表示水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。
步骤5，通过点云处理，提取属于背向反射合作目10边缘的扫描点。如图13所示为边缘扫描点的位置信息，其中，x轴表示对应的水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。
步骤6，根据拟合圆心算法，解算各背向反射合作目标10的圆心坐标，坐标是以各背向反射合作目标10在投影系统坐标系P-XPYPZP中对应的双轴振镜偏转角角度表示的。
步骤7，建立投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的数学模型，并根据6个圆形背向反射合作目标的分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，利用最小二乘等最优化算法解算两坐标系的坐标转换矩阵的参数。
步骤8，上位机控制器7读取待投影零部件的CAD数学模型，并通过数据采集及控制模6驱动双轴扫描振镜模块4循环转动，在待投影工件上形成待装配零件的轮廓线框图形9。
该扫描路径共由6120个扫描点组成，则每扫描一个圆形背向反射合作目标点，振镜需要转动6120次，本发明中例1选用的振镜振动频率为10000Hz时，扫描一个合作目标所用时间为(6120×1/10000＝)0.612s。
如图13所示为合作目标高反射区域边缘点对应的扫描点，其中，x轴表示水平振镜的偏转角H，y轴表示竖直振镜的偏转角V。6个合作目标边缘扫描点数分别为67、49、83、41、50、62,，太阳花线扫描的边缘扫描点获取概率为0.96％，是光栅矩形扫描方法的2.397倍，计算公式如式(5)所示。
Figure BDA0003145097780000111
将图13的扫描点拟合为圆，并求取圆心位置，可以解算出上述被扫描的合作目标中心对应的双轴振镜的偏转角H、V。系统控制振镜偏转，使激光光斑入射到计算所得的合作目标中心位置，对带有激光光斑的合作目标进行拍照，通过分别求解激光光斑和合作目标的圆心位置，计算圆心提取误差。如图14所示为6个合作目标的处理结果，“+”表示合作目标的中心，“*”表示激光光斑的中心，也就是太阳花线扫描路径解算出的合作目标中心。激光光斑中心对应的像素值、合作目标中心对应的像素值以及两个中心的实际距离如表2所示。
以上所述，仅为本发明揭露的技术范围内，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明表面做出的多处修改，都涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于外摆线方程或太阳花线方程，设计圆形背向反射合作目标扫描路径；
步骤二、在待投影工件上设置至少6个圆形背向反射合作目标，根据步骤一设计的扫描路径对设置的圆形背向反射合作目标进行扫描；
步骤三、建立投影系统坐标系与工件坐标系的坐标转换关系：光电探测器模块接收和处理圆形背向反射合作目标及其周围区域反射的光强信号，并将其转化为电压信号；记录在背向反射合作目标周围但不属于合作目标的区域的扫描点电压信号，提取其中最大的电压值设置为电压阈值；根据电压阈值，提取各圆形背向反射合作目标区域的扫描点；通过点云处理，提取背向反射合作目标区域边缘的边缘扫描点；利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标；根据各圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系；
步骤四、读取并解析待投影零部件的CAD数学模型，在待投影工件上形成待投影图形。
2.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，所述步骤一中，太阳花线方程为：
r＝a+b*sin(c*θ)
转换为直角坐标系下的方程为：
Figure FDA0003145097770000011
太阳花线是一种封闭曲线，θ表示曲线上的点和圆心连线与x轴的夹角；
太阳花线的半径r的最大值为(a+b)，最小值为(a-b)，即a决定了半径r的平均值，b控制半径r的变化范围，c决定了半径r的变化周期数，每条封闭曲线中，r的大小变化c个周期。
3.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，所述步骤一中，外摆线方程为：
Figure FDA0003145097770000012
外摆线是一个动圆沿一个定圆外部滚动而无滑动时，动圆圆周上一点M的轨迹；
其中，a为定圆半径，b为动圆半径，θ是动圆圆心和定圆圆心连线与x轴正半轴的夹角。
4.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：
S21.在待投影工件上设置多个圆形背向反射合作目标；
S22.根据步骤一设计的扫描路径，双轴扫描振镜模块对待投影工件上设置的圆形背向反射合作目标进行扫描，同时扫描背向反射扫描合作目标周围且不属于合作目标的区域；
S23.定义待投影工件的坐标系为工件坐标系O-XOYOZO；定义双轴扫描振镜模块的坐标系为投影系统坐标系P-XPYPZP。
5.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：
S31.光电探测器模块接收圆形背向反射合作目标10及其周围区域反射的光强，并将光强信号转换为电压信号；
S32.记录在背向反射合作目标周围但不属于合作目标的区域的扫描点电压信号，提取其中最大的电压值，并将该值设置为电压阈值；
S33.根据电压阈值，提取圆形背向反射合作目标区域的扫描点；通过点云处理，提取背向反射合作目标的区域边缘的边缘扫描点；
S34.根据圆心拟合算法，利用边缘扫描点解算各背向反射合作目标的圆心坐标，并以与其对应的扫描振镜偏转角表示；
S35.建立投影系统坐标系P-XPYPZP与工件坐标系O-XOYOZO的数学模型，并根据至少6个圆形背向反射合作目标分别在投影系统坐标系和工件坐标系下的坐标，利用非线性最优化算法求解坐标转换矩阵参数，确定两坐标系的坐标转换关系。
6.如权利要求1所述的一种激光扫描投影系统圆形背向反射合作目标扫描方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：上位机控制器读取待投影零部件的CAD数学模型，并对CAD数学模型进行数模特征信息解析；通过数据采集处理及控制模驱动双轴扫描振镜模块循环转动，在待投影工件上形成待装配零件的待投影图形。
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