STUDY OF NON-CONTACT MEASUREMENT OF FREE-FORM SURFACES

A non contact three dimensional measurement method is presented in this paper.This system consists of a laser triangulation probe,a probe head and a coordinate measuring machine (CMM).The measurement principle of the system is discussed,and a system calibration method employing a reference ball is proposed.The geometric model involving four frames is established to calculate the data points based on the reading of the laser probe and position information from the CMM.A measuring experiment for gesso free form surface using this system is carried out.

被测表面特征对激光测头特性的影响

提出了基于坐标测量机、激光三角法测头、测头回转体的自由曲面非接触扫描测量方法 ,其中激光测头的输出值受被测表面的粗糙度、曲率以及颜色等特征的影响 ,存在相应的误差 .为了减小这些误差 ,对其影响规律进行了实验研究 .结果表明 ,表面粗糙度值太低 ,测头不能完成测量 ,原因是表面存在较强的镜面反射光 ;曲率越大 ,测量误差越大 ,因为光斑区域内的表面平均高度变化加大 ;颜色越深 ,测量误差越大 ,因为漫反射光信号过弱所致 .

激光位移传感器在自由曲面测量中的应用

以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型。基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型。随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿。结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高。对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据。实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求。

基于球形目标的激光位移传感器光束方向标定

搭建了非接触式的三坐标测量系统以便精密测量三维型面。将激光位移传感器通过具有两个回转轴的回转体安装在测量机的Z轴上,从而可根据待测表面的形状来调整传感器的方位。为了使传感器在各个方位上实现测量功能,提出了基于球形目标的光束方向标定方法,并详细阐述了其数学原理。标定时,驱动测量机使传感器分别沿测量机的X,Y和Z轴做等间距步进,根据步长和激光束长度的变化建立方程组求解出激光束所在直线的单位方向向量。最后,多次测量尺寸参数已知的六面体标准块规,检验了该测量系统的重复性。结果显示,该系统的测量不确定度为0.048mm;测量另一直径已知的被测球时,传感器在各个方位上的误差小于0.05mm,表明所提出的标定方法使测量系统达到了逆向工程的使用要求。得到的数据表明,本文所提出的方法有较高的标定精度和较好的重复性,为实现三维型面的快速扫描测量奠定了基础。

集成激光位移传感器和编码器的曲面仿形测头研究

为实现对大量程自由曲面的高精度仿形测量,提出了一种利用闭环运动控制技术集成激光位移器和线性编码器的新方法。采用线性编码器和精密线性机构以及运动控制卡组成Z向位移量伺服随动系统,步进电机自动调整激光位移传感器位置使其工作在中心范围(95～105mm)内,线性机构位移量可由线性编码器测量得到,自由曲面的起伏变化可通过激光位移传感器和线性编码器的输出而得到。与激光位移传感器进行了线性度、示值误差以及重复性等精度参数对比实验,结果表明系统在扩大测量范围的同时具备较高的测量精度。

自由曲面熔覆路径的点云切片算法研究

为了解决复杂曲面熔覆过程中路径规划的难题,采用了基于点云切片法生成熔覆轨迹的算法,运用逆向技术完成零件的反求,提取模型的点云数据;并以切平面与点云带宽平面的交点确定激光束扫描轨迹,根据等弓高误差法确定加工点,对路径模拟仿真;然后以45~#钢作为试验基材,在表面熔覆一层铁基粉末,进行自由曲面零件的激光熔覆路径规划研究。结果表明,使用显微硬度仪测得熔覆层硬度稳定在390HRC,为基材的1.6倍左右;熔覆层组织均匀、结构致密、无明显气孔及裂纹,与基材形成了良好的冶金结合。该方法熔覆结果良好,验证了轨迹规划的可行性。

集成激光位移传感器与线性编码器的自由曲面测量方法及系统

利用激光位移传感器在小测量范围内精度高和线性编码器大量程高精度、动态测量的特点,研究开发了一种大量程自由曲面非接触测量系统。分析了激光位移传感器和线性编码器的测量原理和特点,并对其进行了相关实验标定。以LabVIEW为系统软件平台,采用改进多项式自动跟踪算法对一球体截面进行了测量。实验结果表明:该系统测量稳定可靠,可对测量倾角≤±45°的自由曲面进行高精度测量。

自由型面的五轴激光淬火轨迹规划算法研究

为保证复杂型面的激光淬火质量,针对自由型面的激光淬火路径规划直接影响着淬火后自由型面表面硬度的均匀性这一特点,在分析激光淬火加工工艺特点的基础上,提出了等弧长的激光淬火轨迹算法来确定自由型面上的激光淬火轨迹。该方法通过激光淬火试验,确定了最佳激光淬火光道距离并进行了相应的计算。利用三次B样条参数曲面进行了实例计算,验证了所提出算法的可行性。

视觉形貌测头在自由曲面测量中的应用

介绍了工作在三坐标测量机上的视觉形貌测头用于自由曲面非接触测量的测量原理,对系统结构参数进行了优化设计,通过立体视觉匹配技术的引入以及建立误差评定准则,实现了飞机发动机叶片的非接触测量。

自由曲面多目视觉检测技术

针对双目视觉检测系统在测量中存在的问题,提出了基于三目视觉的检测方法,研制开发了一种与三坐标测量机相结合,能够进行强反射自由曲面测量的基于主动视觉的线结构光三目视觉测头.文中阐述了测头的工作原理和几何结构,介绍了三目视觉的立体匹配算法.该方法从理论上解决了双目视觉中存在的误匹配现象,提高了自由曲面的测量精度.

基于工业机器人的未知曲面测量算法研究

在装甲装备维修保养作业中,为实现对车辆底盘部分零部件的自动装卸载,首先应解决CAD模型未知的零部件自动扫描测量和模数重建的问题。提出基于工业机器人的非接触自适应测量曲面重建方法。在测量过程中,将激光测距传感器安装于工业机器人法兰并转换坐标,根据被测零部件上的已测点,由提出的曲线圆弧预测自适应算法,得到下一个预测点矢量及测头轨迹点矢量,拟合成B样条曲线,规划合理的测量路径,进而指导工业机器人自动采集被测零部件上的真实三维点。通过仿真和试验结果表明,该方法能够根据此类零部件曲面特征获取采样点,减小了由测量入射角的存在和算法本身缺陷而导致的精度损失,有效地提高了CAD模型未知曲面数字化采样的精度,为模数重建提供了良好的点云数据。

基于三坐标测量机的空间自由曲面非接触测量技术的研究

提出一种自由曲面的非接触自动测量方法。测量系统由三坐标测量机、PH10回转体和激光三角测头组成。PH10回转体带动激光测头回转实现对空间任意自由曲面的测量。利用激光测头在工作距离之外无信号输出这一特点进行曲面边缘提取,基于边界曲线在空间内均匀划分扫描网格,采取仿形跟踪措施实现测头的跟踪。实验证明该系统能自动完整快速测量四边曲面。

基于激光线扫描传感器的大自由曲面测量系统

大型自由曲面的测量对于逆向工程、产品质量检测等具有重要意义。基于激光线扫描传感器与可大范围运动的工业机器人手臂,提出了一种非接触、高效率的测量方法。论述了测量系统的原理与组成结构,研究了自由曲面的数据处理技术,着重分析了系统所采用的点云拼合方法。实验结果表明:该方法能够实现较高精度的测量,对大型自由曲面的测量效果也较为理想。

非接触式曲面测头设计及精度试验研究

针对激光测头因测量范围小难以满足大量程自由曲面的高精度测量要求的问题,基于伺服运动控制技术,集成激光测头和光栅尺研制了一种非接触式测头。控制激光测头工作在线性度误差较小的中心范围内、而采用光栅尺反馈实现大范围的测量,详细介绍了系统的硬件及软件设计。试验数据处理结果表明,与激光测头相比,研制的非接触式测头测量范围扩大了1倍,而测量不确定度、修正值、线性度等精度指标并没有下降。

玩具狗头的自由曲面重构

针对复杂曲面数据测量及曲面重构的要求,以玩具狗头为例,介绍使用三维激光扫描仪的自由曲面反求过程中产品点数据的处理方法,以及CAD模型的重构技术,分析了反求建模中存在的问题。实践表明,该建模方法可以得到满意的产品曲面模型。

基于可变向测头的未知自由曲面数字化测量

为了消除曲面倾斜对点激光测头测量精度的影响,针对连续的未知自由曲面,提出一种基于可变向测头的数字化测量方法.设计一种摆动机构安装点激光测头,使测头方向可以在一定范围内变动.在测量过程中,首先使测头竖直,对被测曲面进行等间距逐行扫描,并对扫描数据进行及时处理与曲线拟合,根据拟合曲线外法线与X轴正方向所成角度α值的大小,找出α∈[0°,60°)、α∈(120°,180°]的曲线段所在位置.一次扫描结束后,将测头向左倾斜,对α∈[0°,60°)的曲线段进行二次测量,将测头向右倾斜,对α∈[120°,180°)的曲线段进行二次测量.通过多次测量数据组合,获得被测曲面的整体形貌数据.实验结果表明,该方法能够有效实现α∈[0°,180°)的未知自由曲面的数字化测量,同时保证测量精度.

自由曲面模型测量和误差分析教学实验开发

针对自由曲面模型的测量、误差分析及关键技术问题,采用先进的仪器设备(关节臂式测量机、激光扫描测头、硬测头)开发出探究型教学实验。叙述了自由曲面模型的测量方法,介绍了实验内容和关键技术,进行了误差分析。

基于双测头组合的未知自由曲面自适应采样

在逆向工程中为了准确、快速、合理地获取未知自由曲面的表面数据,提出一种基于双测头组合的非接触式自适应采样方法.并列组安装2个点激光测头,分别为前端测头和后端测头,利用遮光布阻挡反射光消除两测头之间的测量干扰.在逐行采样过程中,在扫描方向上前端测头用于探路测量,系统实时地对探路测量数据进行处理与曲线拟合,根据拟合曲线的曲率特征为后端测头规划合理的采样间距,后端测头以探路结果为指导完成自适应采样.在测量截面进给方向上,通过截面间夹角分析,自适应地细分测量截面.仿真与实验结果表明,该方法能根据曲面特征合理地布置采样点,能有效提高曲面数字化的效率与精度,为模型重建提供合理的测量数据.

一种空间自由曲面非接触扫描测量系统的研究

精确测量空间自由曲面的传统方法是采用三坐标测量机的接触测量或简单的非接触测量，这些测量方法存在工作效率低、自动化程度低等缺点。在深入研究上述方法的基础上，提出了一种自由曲面的非接触自动测量方法，介绍了测量系统的构成、曲面边缘的提取、自动扫描方式的规划以及测头跟踪方式等设计要点。

基于计算机视觉的曲面激光测量系统研究

介绍了基于计算机视觉的激光测量系统的硬件组成 ,利用从 CCD图像中拾取到的边缘信息来指导自由曲面零件的测量规划 ,并通过一个鼠标模型的测量和重建 ,验证了该系统的可行性 。