齿轮线激光三维测量仪的研制

快速获取齿轮全部齿面的三维误差信息,是表征复杂齿面质量的关键和前提。本文基于激光三角测量原理,建立了齿轮线激光三维测量模型,研制出齿轮线激光三维测量仪,可用于生产现场快速获取被测齿轮的三维齿面误差信息并进行质量评定。仪器采用立式结构,主要由基座、精密主轴、圆光栅传感器、控制系统、软件系统等部分组成。精密主轴采用密珠轴系实现高精度回转,保证了被测齿轮的高精度定位与回转。在精密主轴周向布置两个高精度线激光传感器,并根据被测齿轮参数调整其位姿状态;圆光栅实时获取精密主轴的回转角度,并触发采集器实时采集并记录被测齿轮左右齿面的几何信息。开发了齿轮线激光三维测量与评价软件,可实现齿轮齿廓偏差、齿距偏差、拓扑偏差等项目的测量与评定,能够满足5级精度齿轮的检测要求。

矿用通风机叶片线激光测量数据优化方法研究

测量模型的提取是矿用通风机叶片几何变形检测的关键,为了提高叶片测量模型的精度,提出一种基于最小二乘准则的线激光测量数据优化方法。首先,利用卡尔曼滤波算法实时处理线激光传感器原始测量数据,提高坐标测量精度,为后续模型构建提供精准数据;然后,采用三次多项式法、三次B样条法、高阶贝塞尔法分别拟合求解三个测量模型,并基于最小二乘准则评价各模型的显著性水平,从而优选出适合通风机叶片几何特征的测量模型;最后,进行了实验研究。结果表明,采用三次B样条函数构建叶片测量模型可以获得最佳的拟合效果,其显著性评价因子最小(小于0.05),本方法通过数据优化有效提高了叶片测量模型的精度,为后续通风机叶片几何评价提供一种有效的技术解决方案。

基于线激光的压缩机曲轴圆度和平面度测量

目前人工使用千分表测量空调压缩机曲轴圆度和平面度时存在易伤工件表面、效率低和不能精确评定等问题。针对上述问题,设计了一套基于线激光位移传感器的空调压缩机曲轴圆度和平面度非接触式测量系统。首先,通过测量标准量棒,提出一种系统误差的标定方法;其次,基于线激光采样数据,开发了一种曲轴横截面圆度测点的提取算法,并将系统误差用于测点补偿,实现曲轴圆度测量;接着根据曲轴平面测点间的斜率分离出轮廓线,通过均匀下采样方法获取精简点云数据并采用最小二乘法实现曲轴平面度测量;最后,基于上述方法开展了曲轴圆度和平面度的测量实验。实验结果表明:该测量系统的圆度测量精度<4μm,平面度测量精度<2μm,圆度重复度测量误差<0.8μm,平面度重复度测量误差<0.3μm,满足曲轴圆度和平面度快速准确的测量需求。

基于移动多线激光雷达扫描的树冠叶面积估计方法

移动单线激光雷达(Laser detection and ranging,LiDAR)扫描(Mobile single-layer LiDAR scanning,MSLS)树冠叶面积估计方法使用单一视角的单线激光雷达采集树冠点云数据,获取的冠层信息不够全面,限制了树冠叶面积估计精度。本文提出一种基于移动多线LiDAR扫描(Mobile multi-layer LiDAR scanning,MMLS)的树冠叶面积估计方法,使用多线LiDAR从多个视角采集树冠点云数据,提升树冠叶面积估计精度。首先,将多线LiDAR采集的点云数据变换到世界坐标系下,通过感兴趣区域(Region of interest,ROI)提取出树冠点云。然后,提出一种MMLS树冠点云融合方法,逐个融合单个激光器采集的树冠点云,设置距离阈值删除重复点,添加新点。最后,构建MMLS空间分辨率网格,建立基于树冠网格面积的树冠叶面积估计模型。实验使用VLP-16型多线LiDAR传感器搭建MMLS系统,设置1、1.5 m 2个测量距离和间隔45°的8个测量角度对6个具有不同冠层密度的树冠进行数据采集,共得到96个树冠样本。采用本文方法,树冠叶面积线性估计模型的均方根误差(Root mean squared error,RMSE)为0.1041 m^(2),比MSLS模型降低0.0578 m^(2),决定系数R^(2)为0.9526,比MSLS模型提高0.0675。实验结果表明,本文方法通过多线LiDAR多视角树冠点云数据采集、MMLS树冠点云融合和空间分辨率网格构建,有效提升了树冠叶面积估计精度。

一种基于线激光扫描的V型焊接坡口尺寸检测方法

针对V型焊接坡口尺寸检测的自动化问题,搭建线激光测量系统,并提出一种基于点云处理的坡口尺寸检测方法。由线激光传感器获取坡口轮廓点云数据,分析V型坡口的截面轮廓特征,对坡口点云依次进行统计滤波、K-means聚类分割和MSAC直线检测;利用拟合直线求交点和逐列搜索方法获取坡口截面轮廓的4个特征点,实现尺寸测量,最后通过试验加以验证。结果表明:所提方法能够稳定地实现V型焊接坡口尺寸检测,2个模型测量结果中,坡口间隙中误差最大为0.11mm,坡口宽度中误差最大为0.17 mm,坡口角度中误差最大为0.42°。该方法可满足工业应用的高精度和自动化要求。

基于线激光的化铣激光刻型在机精度检测方法

化铣激光刻型工艺是飞机蒙皮加工的重要方式,目前尚缺乏在机测量方法来检测激光刻型的精度与质量。针对此问题,提出了基于线激光的化铣激光刻型在机精度检测方法。首先,基于齐次坐标变换建立了五轴激光刻型机和线激光传感器的运动学模型,确定激光测量坐标系与工件坐标系之间的变换关系,据此获得刻型线扫描点云。然后,基于模板匹配提取单帧刻型槽截面轮廓特征,并通过Levenberg-Marquardt算法求解刻型线槽宽、槽深以及位置信息。再通过点云分割、轮廓匹配和轮廓误差计算方法得到激光刻型的轮廓误差。最后,通过激光刻型在机精度检测试验验证所提出方法的有效性,试验结果表明,该方法能够有效评估刻型线的均匀性和轮廓精度,为加工误差溯源、工艺改进和提高刻型线的轮廓精度提供了重要参考依据。

基于线激光传感器的盾构管片自动拼装方法

针对盾构管片自动化拼装中的管片位姿检测问题,提出了一种无需事先标记管片且适用于几何参数未知的盾构管片自动化拼装方案,并推导了管片位姿检测算法。该方案利用安装在拼装机器人末端执行器抓取板上的5个线激光传感器分别对管片的直边和弧边进行照射,通过检测线激光照射在管片边缘而产生的偏折点的3D坐标,逐步计算出管片在拼装过程中相对于拼装机器人的基坐标系的位姿,再据此计算出机器人将待拼装管片拼装至期望位姿时,机器人末端执行器相对于基坐标系的位姿,从而实现管片的自动化拼装。为了验证该算法的有效性,在实验室环境中搭建了基于线激光传感器的管片自动拼装实验平台,并利用该平台进行了管片自动拼装实验。实验结果表明,提出的盾构管片自动拼装方法在管片定位方面表现出较小的误差,且管片拼装最大错台为1.50 mm,最大间隙为0.96 mm,符合工程要求。这为盾构管片的自动化拼装提供了一种有效的技术解决方案。

基于ZYNQ的线激光轮廓传感器设计

为了直接获取工件轮廓点云,设计一种基于ZYNQ可编程芯片的线激光轮廓传感器。以ZYNQ芯片为核心处理器,设计传感器的图像采集与处理硬件电路。根据相机畸变模型,通过双线性插值法矫正各像素点的灰度值,研究基于法向迭代的灰度重心法以提取激光条纹中心线,结合相机参数和激光光平面方程的标定,计算相机坐标系下激光条纹中心点的三维坐标。在ZYNQ芯片中实现上述算法的并行加速,进行工件轮廓扫描测试。结果表明:该传感器可得到工件的三维轮廓点云。

薄板件高精度测量线激光连续扫描路径规划

线激光检测技术以其高精度的特点在复杂零部件检测中获得广泛应用,扫描路径规划结果对三维薄板件检测精度具有重要影响。由于线激光具有连续逐行扫描、单帧数据呈直线分布等特点,基于离散视点的规划方法难以实现被测件的各型面关键特征点的自动覆盖测量。为此,提出一种面向检测精度的多目标优化连续覆盖路径规划算法。首先,综合考虑路径长度、传感器入射角等因素,构建线激光连续扫描路径的多目标优化模型;其次,引入搜索随机树规划策略,通过对不确定度指数的迭代优化实现复杂结构件的全型面上关键特征点覆盖路径规划;最后,结合车门总成扫描案例开展应用验证,并与传统三维覆盖路径规划方法进行对比分析。结果显示所提出方法的测点平均不确定度指数较比较方法有所降低,验证了所提出方法的有效性和可行性。

面向机器人打磨的线激光三维测量系统设计

针对机器人自动化打磨生产需求,设计线激光三维测量系统。以上位机为控制核心,选用线激光发生器与工业相机组成视觉采集模块,工业机器人作为执行机构。自主实现相机参数标定;研究线激光中心线提取算法,结合直线拟合、矩阵奇异值分解、平面拟合等数学原理,实现基于平面棋盘格标定板的光平面标定法;机械臂带动视觉模块采集图像,上位机处理视觉信息,经过灰度化、图像滤波、二值化等图像预处理步骤,提取激光中心线,结合标定结果得到工件三维数据;上位机根据工件三维信息指引机器人加工工件,实现测量、加工一体化工作站。实验结果表明:该系统在50~80 mm工作范围内,最大误差小于1 mm,满足工件打磨等加工场景的应用需要。

基于MCU的CMOS单线激光测距系统设计与实现

利用基于FPGA的线阵传感器进行三角测距,存在系统复杂、结构尺寸大、价格贵、广角小等问题。针对上述问题,文章以MCU为系统主控,驱动面阵传感器以及线激光,完成CMOS图像数据采集。根据激光三角测距,对系统参数优化、系统标定等关键技术模块进行设计,完成测距的功能验证,可做到30~170 mm的毫米级精度距离测量,并用UART输出点云深度信息,帧率可达25帧/秒。实验结果表明,所设计的三角激光测距系统具有毫米级精度、结构尺寸小、大广角等优点,可运用于家用扫地机的前方障碍物检测。

基于多线激光的大尺寸水冷板高度测量系统

为了满足现代工业非接触、高精度以及快速对大尺寸工件表面高度测量的需求,设计了一种基于多线激光的水冷板高度测量系统,该系统由运动控制、图像采集和图像处理3部分组成。首先对系统的硬件进行了选型;其次,根据线激光获取的点云数据,提出了水冷板高度测量方法;为了减少干扰点云的影响,采用高斯滤波对模板匹配后的点云去噪,并基于统计的方法筛选参与高度计算的点云数据。实验数据表明:系统重复测量误差小于30μm,测量时间少于1 min,满足企业生产需求。

反应堆压力容器主螺栓表面缺陷的线激光测量与涡流检测对比

涡流检测是核电站反应堆压力容器主螺栓的主要检测方式,该方法主要用于对螺纹根部的缺陷进行表面检测。线激光测量技术是一种近年来新兴的非接触测量方式,通过高速激光扫描实现物体表面形貌的大面积、高分辨率测量,具有快速、非接触及高精度等特性。采用两种方法对反应堆压力容器主螺栓进行检测,试验结果表明,两种方法均可对其缺陷进行有效检测,线激光技术能精确到微米级,测量结果更加直观,且容易定量、定性,为主螺栓检测中的缺陷判定提供了可靠的数据支撑;两种检测方法各有优劣,实际检测时应取长补短,从而为反应堆压力容器主螺栓提供更加智能化、高效的检测方案。

一种多个线激光传感器拼接测量轮胎形貌的装置及方法

由浙江大学、杭州朝阳橡胶有限公司和杭州睿眼科技有限公司申请的专利(公布号CN 111536903B,公布日期2024-07-02)“一种多个线激光传感器拼接测量轮胎形貌的装置及方法”,涉及的装置包括探头测量系统和运动系统。运动系统包含测量装置的升降运动以及两侧传感器的旋转运动,通过调整升降台的位置以及两侧转台的角度可使测量光束覆盖轮胎的表面和侧面;探头测量系统包含3台线激光传感器,1台线激光传感器固定于测量系统底部中间位置,其余2台线激光传感器对称布置于两侧,各由1个转台带动旋转。

基于线激光的棉花中白色异性纤维检测

针对棉花中白色异性纤维检测,分析了棉纤维与异性纤维不同的反光特性,在此基础上提出了一种基于线激光的检测方法。实验结果表明,在线激光照射下,棉花与白色异性纤维图像的灰度直方图呈双峰特性,显著提高了白色异性纤维与棉花背景之间的对比度,简单的图像二值化分割算法就能有效检测出大部分白色异性纤维,对6种典型实验白色异性纤维的平均检出率为92.08%。

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明:在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。

基于线激光和ARM的输送带纵向撕裂监控系统设计

针对输送带运行过程中易发生纵向撕裂的问题,研究了基于机器视觉的纵向撕裂检测方法,设计了一种基于线激光和ARM的输送带纵向撕裂监控系统。采用"一"字线激光器向输送带下表面投射激光条纹,利用嵌入式处理终端S3C2440控制面阵CMOS摄像头采集图像,并进行图像处理和分析,检测到纵向撕裂时将纵向撕裂图像和报警信号通过Wi-Fi发送给PC机监控软件和手机监控软件显示。设计了监控系统硬件、嵌入式处理终端软件、故障检测算法、PC机监控软件和手机监控软件。测试结果表明:该系统能够远程在线监测输送带纵向撕裂过程,具有图像处理效率高、实时性好、布线简便、可远程监控等优点。

基于线激光截面成像的棉花白色异性纤维检测方法

针对棉层表面散布绒毛或游离的纤维细丝,而异性纤维表面光洁无毛的特点,提出了一种基于线激光的样本截面图像获取方法,获取并显示了其微观结构在激光照射下的图像差异。在此基础上,根据激光照射下二者周围有无高亮度的星点,以及星点的分布特征,提出了一种棉花中白色异性纤维的识别算法。实验结果表明,该方法对棉花中典型白色异性纤维的识别率达到了86.9%。

基于线激光传感器的盾构管片位姿检测方法

针对盾构管片初始摆放误差与拼装累积误差问题,提出一种新的管片位姿检测方案。该方案无须在管片上添加额外标记点,利用安装在管片拼装机器人上的3个线激光传感器对管片边缘进行扫描,根据边缘点的相对位置坐标计算管片上特征点的坐标,并依此推导出待安装管片的抓取位姿和安装位姿表达式。使用SolidWorks软件建立三维模型以提供算例,比较不同检测点位置对位姿计算精度的影响,验证该方案的可行性。研究结果表明:本文提供方案计算得到的管片位姿误差较小,可以满足盾构管片抓取和安装要求;增大管片边缘扫描点的距离能够提高姿态检测精度。

基于线激光扫描和图像处理的基准孔检测技术研究

基于飞机大部件自动化制孔过程的需求,提出了一种基于线激光扫描和图像处理相结合的基准孔检测技术,用于解决机器人制孔前的自动基准检测问题。将线激光测得的三维点云坐标转化为二维灰度图,设计了边缘检测算法提取基准孔在二维图像中的边缘点,并将结果与经典边缘提取方法进行对比论证,再将这些边缘点转换回三维点云中,使用最小二乘法拟合计算出孔径和中心位置。针对边缘提取的坐标转换方法中将Z坐标转换为灰度值在一定程度体现了创新性,且该方法测量精度高,具有一定的应用价值。