專利名稱：激光位移傳感器表面測量中反射光線遮蔽的消除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光位移傳感器表面測量中反射光線遮蔽的消除方法，涉及三維測量與三維建模問題，用于三維物體表面輪廓的數(shù)字化，屬于機械設(shè)計與制造領(lǐng)域。
對于光線遮擋問題，目前主要通過兩種途徑來解決。一是增加CCD器件個數(shù)，并將不同的CCD布置在不同的位置上。這樣當(dāng)其中一個CCD器件因反射光線被遮蔽而無法接收信號時，其他CCD器件仍可接收測量信號。這種方法的缺點是會使激光位移傳感器的測量精度大大降低從而無法適應(yīng)高精度測量，并且造價成本提高。
另一種方法將激光位移傳感器相對被測工件進(jìn)行轉(zhuǎn)動。該方法已為韓國Kwangju Institute of Science and Technology大學(xué)的研究人員所采用(K.H.Lee.H.Park，S.Son，A Framework for Laser Scan Planning of Freeform Surface，InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology(2001)17，pp171-180.)。該方法將激光位移傳感器轉(zhuǎn)動角度直至光線不再被工件遮蔽為止。該方法對設(shè)備的要求較高，一般來說需要至少4個自由度，即需要4軸連動的機床或坐標(biāo)測量儀，或在3軸連動的機床或坐標(biāo)測量儀上加轉(zhuǎn)臺，設(shè)備造價高。在某些特殊情況下必須改變測量路徑，導(dǎo)致其運動算法復(fù)雜。此外還涉及到多視拼合算法的問題，因此誤差較大。
為達(dá)到這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用單CCD激光位移傳感器，并通過將其繞Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度的方法來使反射光線離開遮蔽工件，從而能夠被CCD器件檢測到。將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)過后，其空間位置的校正量值已在開始測量前計算出，可使激光位移傳感器迅速定位在同一測量路徑上。方法分為測量過程前和測量過程中兩部分。測量過程前，先對三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，得到激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)前、后的位置偏差值。測量過程中包括實際測量、光線遮蔽的判別、激光位移傳感器的轉(zhuǎn)動、位置校正和測點沿測量進(jìn)給方向遞增進(jìn)給等步驟。測量過程按規(guī)劃好的測量路徑進(jìn)行，如無遮蔽現(xiàn)象則將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，測量下一條路徑。如在某條路徑測量過程中出現(xiàn)反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點處將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并對光點位置進(jìn)行校正，使其與激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)前的光點位置重合，重新測量該路徑后再沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，測量下一條路徑，直至對所有的路徑完成測量。
本發(fā)明方法包括如下具體步驟1)在測量過程前，先將激光位移傳感器裝夾到三座標(biāo)測量儀或三維掃描儀的測量頭安裝架上，也可以裝夾到立式銑床的主軸上，并保持入射光線與水平面垂直。
2)將激光位移傳感器對三個相對機床坐標(biāo)系固定不動的標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，每個平面測得3個點的測量數(shù)據(jù)；將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，對同樣三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，每個平面測得3個點的測量數(shù)據(jù)。
3)將以上測得的數(shù)據(jù)讀入計算機進(jìn)行計算，得出激光位移傳感器轉(zhuǎn)動前與轉(zhuǎn)動后的位置偏差值。
4)測量過程中，按規(guī)劃好的測量路徑進(jìn)行測量，同時系統(tǒng)判斷有無反射光遮蔽現(xiàn)象出現(xiàn)。
5)如在該條路徑測量過程中沒有出現(xiàn)反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，并返回步驟4，進(jìn)行下一條路徑的測量。
6)如在該條路徑測量過程中出現(xiàn)過反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點處將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并對光點位置進(jìn)行校正，使其與激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)前的光點位置重合。
7)重新測量該路徑，此時無須再進(jìn)行反射光遮蔽現(xiàn)象的判斷，在測量路徑終點處將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，并返回步驟4，進(jìn)行下一條路徑的測量。直至對所有的路徑完成測量。
本發(fā)明的方法可在一定范圍內(nèi)消除測量死區(qū)問題，且算法復(fù)雜度低，對設(shè)備要求不高，僅需加裝一個轉(zhuǎn)動裝置。操作簡便，測量效率高。
本發(fā)明對位置偏差值的計算方法也可用于其他領(lǐng)域中激光傳感器的位置校正。
圖中，左側(cè)方框為測量過程前流程，右側(cè)方框為測量過程中流程。
如

圖1所示，本發(fā)明的方法包括測量過程前的流程和測量過程中的流程。測量過程前，先對三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，得到激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)前、后的位置偏差值。測量過程按規(guī)劃好的測量路徑進(jìn)行，如無遮蔽現(xiàn)象則將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，測量下一條路徑。如在某條路徑測量過程中出現(xiàn)反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點處將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并對光點位置進(jìn)行校正，使其與激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)前的光點位置重合，重新測量該路徑后再沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，測量下一條路徑，直至對所有的路徑完成測量。
圖2為測量過程前對標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量示意圖。
如圖2所示，測量過程前先對三個相對機床坐標(biāo)系固定不動的標(biāo)準(zhǔn)平面A、B、C進(jìn)行測量。在激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)前，分別對三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，如圖2(a)所示。然后將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，再分別對三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，如圖2(b)所示。其中每個平面每次測3個點。
圖3為本發(fā)明解決被測工件表面遮蔽問題的示意圖。
其中，圖3(a)為測量過程中出現(xiàn)反射光線被被測工件表面遮蔽現(xiàn)象，圖3(b)為采用本發(fā)明的方法，將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度后測量，可解決反射光遮蔽的問題。
在圖1操作流程圖的測量過程前流程中，裝夾激光位移傳感器要保持入射光線與水平面垂直，以保證高精度測量。針對發(fā)明方法中提到的3個標(biāo)準(zhǔn)平面，在本發(fā)明的實施例中采用了一標(biāo)準(zhǔn)正三棱錐。該三棱錐表面經(jīng)高精度加工，具有很高的平面度可滿足測量精度的要求。將激光位移傳感器對三棱錐的三個表面在轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后分別進(jìn)行測量以獲得數(shù)據(jù)(如圖2所示)，每個平面每次測三個點的數(shù)據(jù)。由于激光測頭位置偏差，激光位移傳感器在轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后分別對應(yīng)以激光測頭為原點的兩個不同的空間參考系。由測得數(shù)據(jù)在這兩個參考系中分別建立標(biāo)準(zhǔn)平面的平面方程。由于參考系的不同，平面方程的表達(dá)必然不同，但將其坐標(biāo)變換到機床參考系后平面方程的表達(dá)必然相同，因此在這過程中可得到三個聯(lián)立方程，可解出空間偏差距離。該計算過程由計算機完成。
在圖1操作流程圖的測量過程中，系統(tǒng)從第一條測量路徑開始進(jìn)行測量。如果CCD無法接收到信號，則系統(tǒng)首先將激光位移傳感器沿Z軸做上下移動以判別是否因被測點超出測深范圍而導(dǎo)致CCD無法接收到信號，如仍無法接收到信號則認(rèn)為反射光線被工件表面遮蔽住了。在沒有發(fā)生反射光線遮蔽現(xiàn)象的測量路徑終點處，系統(tǒng)直接在測量進(jìn)給方向增加遞增值以進(jìn)行下一條路徑的測量。在反射光線被工件表面遮蔽過的測量路徑終點，將傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并進(jìn)行位置校正以使光點仍位于原測量路徑上，其中空間偏差距離值已在測量過程前階段計算出。接下來系統(tǒng)對該測量路徑進(jìn)行第二次測量，這樣原來因反射光線被工件表面遮蔽而無法測量的位置就可被測量了(如圖3所示)，此時無須再進(jìn)行反射光線遮蔽現(xiàn)象的判斷。測量結(jié)束后將系統(tǒng)在測量進(jìn)給方向增加遞增值，以開始測量下一條路徑。如此反復(fù)，直到完成對所有的路徑的測量。
權(quán)利要求
1.一種激光位移傳感器表面測量中反射光線遮蔽的消除方法，其特征在于包括如下具體步驟1)將激光位移傳感器裝夾到測量頭安裝架上，并保持入射光線與水平面垂直；2)將激光位移傳感器對三個相對機床坐標(biāo)系固定不動的標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，再將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，對同樣三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，每個平面每次測三個點；3)將以上測得的數(shù)據(jù)讀入計算機進(jìn)行計算，得出激光位移傳感器轉(zhuǎn)動前與轉(zhuǎn)動后的位置偏差值；4)按規(guī)劃好的測量路徑進(jìn)行測量，同時系統(tǒng)判斷有無反射光遮蔽現(xiàn)象出現(xiàn)；5)如在該條路徑測量過程中沒有出現(xiàn)反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，進(jìn)行下一條路徑的測量；6)如在該條路徑測量過程中出現(xiàn)過反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點處將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并對光點位置進(jìn)行校正，使其與激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)前的光點位置重合；7)重新測量該路徑，在測量路徑終點處將測頭沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，進(jìn)行下一條路徑的測量。
全文摘要
一種激光位移傳感器表面測量中反射光線遮蔽的消除方法，測量前先對三個標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行測量，得到激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)前、后的位置偏差值，測量按規(guī)劃好的路徑進(jìn)行，如無遮蔽現(xiàn)象則沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，測量下一條路徑，如在某條路徑中出現(xiàn)反射光遮蔽現(xiàn)象，則在路徑終點處將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)180度，并對光點位置進(jìn)行校正，重新測量該路徑后再沿測量進(jìn)給方向增加遞增值，直至對所有的路徑完成測量。本發(fā)明通過將激光位移傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度的方法來使反射光線離開遮蔽工件，可在一定范圍內(nèi)消除測量死區(qū)問題，算法簡單，對設(shè)備要求低，操作簡便，測量效率高。
文檔編號H01S3/00GK1403782SQ0213750
公開日2003年3月19日 申請日期2002年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月17日
發(fā)明者王宇晗, 李曄 申請人:上海交通大學(xué)