專利名稱：激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正方法 及裝置。
背景技術(shù)：
激光線掃描測頭采用的是成熟的光學(xué)三角測量原理實現(xiàn)被測物體的 三維輪廓掃描測量。線形激光器射出一激光平面，激光射到被測物體表面，在被測物體表面形成的光線產(chǎn)生反射，部分通過CCD成像鏡頭成像于面陣 CCD的成像平面上，激光反射圖像通過圖像采集卡被計算機(jī)采集。隨著被 測物體高度的變化，采集到的圖像也隨之發(fā)生變化，這也就是說，CCD采 集到的激光反射圖像中包含有被觀,體的高度信息。 目前傳統(tǒng)標(biāo)定方法主要有1、 標(biāo)準(zhǔn)件法。即通過加工制作具有一定精度的標(biāo)準(zhǔn)樣件，然后根據(jù) 測頭與標(biāo)準(zhǔn)件的相對運(yùn)動獲取物像對應(yīng)變化關(guān)系。也可以通過制好的點(diǎn)陣 面板直接進(jìn)行計算機(jī)采集，并計算圖像點(diǎn)陣，以獲得對應(yīng)關(guān)系。該方法一 般分別考慮標(biāo)定平面內(nèi)兩方向的換算情況，只能適應(yīng)理想情況，而且對于 標(biāo)定過程也要求非常嚴(yán)格，而在實際情況中，由于多種因素的限制，CCD 測量視場對標(biāo)定結(jié)果存在多尺度要求，即理想的標(biāo)定結(jié)果無法滿足應(yīng)用要 求。同時由于不存在主動光源，圖像處理困難，這也限制了標(biāo)定精度的提 高。2、 虛擬網(wǎng)格法。利用固定點(diǎn)或借助輔助線形激光器與入射線形激光 器相交生成的交點(diǎn)在測頭的位置移動后形成的圖像變化來建立對應(yīng)關(guān)系。該方法由于采用開環(huán)運(yùn)動實現(xiàn)，空間定位精度不高，即無法形成高精度規(guī) 劃空間網(wǎng)格點(diǎn)，同時兩線形激光圖像處理時都按照直線求交計算，所求的 交點(diǎn)誤差太大，這樣也無法得到準(zhǔn)確的圖像網(wǎng)格點(diǎn)。
在建立對應(yīng)關(guān)系上主要有插值計算法以及函數(shù)映射法。這兩種計算方 法都存在計算精度問題。前者構(gòu)造插值困難，且計算較繁鎖，關(guān)鍵是插值 精度在有限標(biāo)定點(diǎn)的情況下難以得到保證；后者由于關(guān)系映射復(fù)雜，難以 通過一個合適的函數(shù)來表述這種關(guān)系，因此函數(shù)映射的辦法，如多項式映 射函數(shù)，在不同測量區(qū)域精度差別很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種完全基于線 掃描三角成像幾何變換原理的標(biāo)定方法，計算相關(guān)幾何變換參數(shù)，同時基 于標(biāo)定結(jié)果對標(biāo)定點(diǎn)陣進(jìn)行反算提取測頭全測量景深范圍內(nèi)的系統(tǒng)誤差， 在測量時對測量結(jié)果加以實時動態(tài)補(bǔ)償，可以很好的滿足測頭全測量景深 范圍內(nèi)不同區(qū)域?qū)?biāo)定結(jié)果的多尺度要求的激光線掃描測頭幾何變換標(biāo) 定與曲面插值修正方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括包括機(jī)臺基座以及設(shè)置在機(jī)臺 基座上的相S垂直由電機(jī)驅(qū)動的沿X、 Y、 Z方向直線運(yùn)動X軸精密光柵、 Y軸精密光柵和Z軸精密光柵，在Y軸精密光柵上設(shè)置有入射角平行與X0Z 平面垂直與機(jī)臺機(jī)座的測量線形激光器，在機(jī)臺基座的表面位于測量線形 激光器的下端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)工作臺。
本發(fā)明的Z軸精密光柵與測量線形激光器平行，并與Y軸精密光柵垂 直；另外還設(shè)置有輔助線形激光器，且輔助線形激光器的激光平面與測量 線形激光器產(chǎn)生的激光平面相交；Y軸精密光柵上還設(shè)置有帶有鏡頭的面 陣CCD，該面陣CCD的前端設(shè)置有光學(xué)偏振片。本發(fā)明標(biāo)定與曲面插值修正方法如下1) 按照標(biāo)定要求調(diào)整各標(biāo)定裝置，保證測量線形激光器入射激光垂直于機(jī)床坐標(biāo)系下XOY平面，并平行于X軸；面陣CCD及鏡頭光軸方 向決定的圖像可視范圍能達(dá)到測量景深要求；調(diào)整面陣CCD的位置，保 證鏡頭光軸與機(jī)床坐標(biāo)系下ZOX平面平行；根據(jù)標(biāo)定范圍調(diào)整輔助線形 激光器方位保證與測量線形激光器的交點(diǎn)在可視范圍內(nèi)，然后將平面度 <5um的磨砂標(biāo)定板置于旋轉(zhuǎn)工作臺上，保證激光落在標(biāo)定板上；2) 按照標(biāo)定規(guī)劃軌跡移動測頭，每在一個指定位置記錄機(jī)床坐標(biāo)系 下空間坐標(biāo)值，同時，分別通過樣條曲線擬合兩激光圖像，并將兩曲線交 點(diǎn)記錄下來；3) 移動由測量線形激光器、面陣CCD以及鏡頭組成的測頭沿X向與Z 向作矩形網(wǎng)格運(yùn)動，得到標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)陣；利用最小二乘的原理擬合相應(yīng)直 線，并調(diào)整修正圖像點(diǎn)陣，生成一組修正過的網(wǎng)格圖像點(diǎn)(NXM)，同時 記錄測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx的平均斜率K;4) 利用公式^-jk + b ，圖像上任一點(diǎn)p， u到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx。的距離即像位移S ij與觀跌對應(yīng)沿Z向運(yùn)動距離即對 應(yīng)物位移Aij滿足<formula>formula see original document page 8</formula>因此所有滿足條件l <i <M，0S j <N的標(biāo)定點(diǎn)都可以建立上述方程，這 樣可以建立一個超靜定方程組<formula>formula see original document page 9</formula>利用最小二乘思想，通過Household矩陣變換方法，求得方程組最小 二乘解，即解得參數(shù)k、 b。5) 對于某一測量點(diǎn)，其圖像坐標(biāo)為p' (x'， y')，按照幾何變換的原 理計算其空間坐標(biāo)P (Zp， ， Xp，)。首先在修正圖像網(wǎng)格上過點(diǎn)p'，以斜率K作直線lXp，，分別交測頭沿 Z向移動產(chǎn)生的圖像直線lZj于點(diǎn)pz' k。按照各點(diǎn)像位移的基本情況，利用計算參數(shù)k， b及4-丄k + b計算各直線上該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zpz，k，然后在直線lxp，上將對應(yīng)像位移與物位移相比，然后求取該直線上該比值的 平均值記為Rp',然后根據(jù)點(diǎn)p'在直線1xp，上的像位移Spx'及平均比值Rp'計算該點(diǎn)的空間坐標(biāo)Xp';接下來計算點(diǎn)P'到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的直線lx。的距離， 即在YOZ平面內(nèi)的像位移Spz'，然后根據(jù)計算參數(shù)k, b及^-lk + b計算該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zp，；這樣就完全依據(jù)成像原理的幾何變換關(guān)系計算出圖像點(diǎn)P'對應(yīng)的空 間坐標(biāo)P (Zp'， Xp，);6) 為了滿足測量對標(biāo)定結(jié)果在不同標(biāo)定區(qū)域的多尺度要求，標(biāo)定計 算完還需對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正。按照第5步計算方法，反算出標(biāo)定圖像網(wǎng)格點(diǎn)p、對應(yīng)的空間點(diǎn)Pij坐標(biāo)值Up"", Xp，ij)，并與相應(yīng)的標(biāo)定空間網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)值(Zpij， Xpij) 比對，即<formula>formula see original document page 10</formula>這樣就可以光順曲面的形式(如NURBS曲面)建立由標(biāo)定結(jié)果提取出 來的誤差曲面<formula>formula see original document page 10</formula>這樣，在具體換算時依照第6步描述的方法先計算空間坐標(biāo)值(Zp'， Xp')，然后按照提取出的誤差曲面計算測量結(jié)果的誤差值，將誤差值補(bǔ)償 到測量結(jié)果上就可以得到更精確地輪廓測量值，艮P:<formula>formula see original document page 10</formula>本方法與裝置對于傳統(tǒng)方法在技術(shù)以及實用性上有很大提升，提供了 一種完全基f線掃描三角成像幾何變換原理的標(biāo)定裝置與方法克服了標(biāo) 準(zhǔn)件法中只能適應(yīng)理想情況。而在實際應(yīng)用中，克服了多種因素的限制， 使標(biāo)定具有非常強(qiáng)的實用性和可操作性。本方法與裝置在技術(shù)上針對虛擬網(wǎng)格法做了提升，禾u用由精密閉環(huán)運(yùn)動控制及軟件閉環(huán)定位控制的高精度運(yùn)動裝置沿規(guī)劃好的實際點(diǎn)運(yùn)動，并在測量時對測量結(jié)果加以實時動態(tài)補(bǔ) 償，克服了虛擬網(wǎng)格法無法形成高精度規(guī)劃空間網(wǎng)格點(diǎn)的缺點(diǎn)，更容易提取高精度標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)；分別通過樣條曲線擬合計算兩激光線圖像的交點(diǎn)比 虛擬網(wǎng)格法按照直線計算求交點(diǎn)更符合標(biāo)定實際，求得標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)的精度 也更高；標(biāo)定方法完全基于測頭的三角測量原理，通過求取相關(guān)變換參數(shù) 作為標(biāo)定結(jié)果，克服了插值計算法以及函數(shù)映射法的不足；基于標(biāo)定結(jié)果對標(biāo)定點(diǎn)陣進(jìn)行反算提取測頭全測量景深范圍內(nèi)的系統(tǒng)誤差，使測試精度 以及測試范圍都得到了提高。


圖1是激光線掃描測頭三角幾何成像原理2是標(biāo)定對應(yīng)點(diǎn)陣圖3是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的測頭標(biāo)定實現(xiàn)示意圖；圖5是本發(fā)明移動測頭在平行于Z0X的平面內(nèi)作矩形網(wǎng)格運(yùn)動時標(biāo)定 目標(biāo)點(diǎn)形成的對應(yīng)網(wǎng)格；圖6是本發(fā)明修正過的網(wǎng)格點(diǎn)陣圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)--步詳細(xì)說明。參見圖1,兩圖分別從原理上展示了激光垂直入射時X0Y平面與Y0Z 平面內(nèi)激光線掃描幾何三角成像原理。如圖la所示，理想情況下，在X0Y 平面內(nèi)，像三角和物三角成相似三角形，對應(yīng)邊長成比例關(guān)系，所以被測 點(diǎn)的X0Y平面內(nèi)的空間位移與對應(yīng)成像點(diǎn)的像位移成等比關(guān)系。而在Y0Z平面內(nèi)，如圖lb所示，空間位移與像位移則是一種非線性 的關(guān)系。根據(jù)三角正弦原理，可得相關(guān)參數(shù)關(guān)系如下<formula>formula see original document page 11</formula> 式中，A、 5分別為Y0Z平面內(nèi)的空間位移和對應(yīng)成像點(diǎn)像位移；丄、 /分別為測試起始位置的物距與像距；"、；ff分別為測試起始位置物像連線 分別與激光投射平面和CCD成像平面的夾角；e為測試起始位置與當(dāng)前被測位置物像連線的夾角?？梢赃M(jìn)一步推出空間位移A與對應(yīng)成像點(diǎn)像位移S的關(guān)系為<formula>formula see original document page 12</formula>(2)由式(2)可以看出，在測頭基本結(jié)構(gòu)固定以及起測點(diǎn)位置確定后，空 間位移A的倒數(shù)與對應(yīng)成像點(diǎn)像位移S的倒數(shù)存在線性關(guān)系，式(2)及可以簡化為丄二丄k + b (3) 5 厶式中，h 6分別為i和4之間線性關(guān)系的斜率和截距。厶 《激光掃描測頭的目的就是要通過建立數(shù)學(xué)模型來建立測量高度方向 上測量范圍內(nèi)圖像坐標(biāo)點(diǎn)與空間坐標(biāo)點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，其 中直線交點(diǎn)即為所需標(biāo)定點(diǎn)陣。有了這種關(guān)系，就可以將需要計算的圖像 坐標(biāo)換算為對應(yīng)的空間坐標(biāo)。參見圖3，本發(fā)明的裝置包括機(jī)臺基座10以及設(shè)置在機(jī)臺基座10上 的相互垂直由電機(jī)驅(qū)動的沿X、 Y、 Z方向直線運(yùn)動X軸精密光柵1、 Y軸 精密光柵2和Z軸精密光柵3,在Y軸精密光柵2上設(shè)置有入射角平行與 X0Z平面垂直與機(jī)臺機(jī)座10的測量線形激光器5， Y軸精密光柵2上還設(shè) 置有帶有鏡頭7的面陣CCD6，該面陣CCD6的前端設(shè)置有光學(xué)偏振片8， 面陣CCD6與鏡頭7光軸同測量線形激光器5產(chǎn)生的激光平面成一夾角(大 小根據(jù)測頭所需測量分辨率及測頭測量景深確定)Z軸精密光柵3與測量 線形激光器5之間的Y軸精密光柵2上還設(shè)置有輔助線形激光器4，且輔 助線形激光器4的激光平面與測量線形激光器5產(chǎn)生的激光平面相交，輔 助線形激光器4主要用來在標(biāo)定時生成標(biāo)定用目標(biāo)點(diǎn)，在標(biāo)定過程中輔助線形激光器4位置保持不變，因此當(dāng)測頭在平行于X0Z的平面內(nèi)運(yùn)動時， 可以認(rèn)為兩光束在工作臺上形成的交點(diǎn)空間位置不變。在機(jī)臺基座10的 表面位于測量線形激光器5的下端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)工作臺9。在圖4中測量線 形激光器產(chǎn)生的激光平面垂直工作臺平面入射，且平行于XOY平面，經(jīng)過 被觀懷面漫反射后的光線通過光學(xué)鏡頭入射到面陣CCD耙面成像。本發(fā)明的光學(xué)偏振片8便于獲取高質(zhì)量的圖像以進(jìn)行有效的圖像處 理。標(biāo)定過程在精密三維機(jī)臺上實現(xiàn)，機(jī)臺X、 Y、 Z軸都有精密光柵定位， 可有效保證標(biāo)定時測量位置的準(zhǔn)確性。三軸由電機(jī)通過閉環(huán)反饋控制運(yùn) 動，具有很高的定位精度。同時運(yùn)動時加上軟件閉環(huán)定位控制，可以使得 運(yùn)動定位精度更加準(zhǔn)確。輔助線形激光器4主要用來在標(biāo)定時生成激光與 測量線形激光器生成的激光在標(biāo)定平面上相交形成標(biāo)定用固定點(diǎn)。參見圖4， 5，打開測量線形激光器5與輔助線形激光器4，此時兩激 光線在工作臺9上相交于一點(diǎn)。分別通過樣條曲線擬合兩激光線在CCD上 所成圖像，并記錄兩曲線交點(diǎn)。控制X軸、Z軸電機(jī)使測頭在平行于Z0X 的平面內(nèi)作矩形網(wǎng)格運(yùn)動，即按照規(guī)劃軌跡沿X軸向定步長移動，每移動 一次位置同時記錄機(jī)床坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)值與測量線形激光器5和輔助線 形激光器4兩激光線的交點(diǎn)坐標(biāo)；在X向移動一定步數(shù)M后，控制Z軸運(yùn) 動電機(jī)，使測頭按照規(guī)劃軌跡沿Z軸向定步長移動(可以與X向運(yùn)動步長 不等) 一次，然后沿X軸向定步長移動M步并記錄(與前一次X向移動方 向相反，作之字運(yùn)動)。重復(fù)上述運(yùn)動過程直到走完所設(shè)定的矩形網(wǎng)格， 即在X向每次移動M次，在Z向移動N次(M, N根據(jù)CCD測量景深與測量 精度確定)。由于標(biāo)定目標(biāo)點(diǎn)固定不動，移動測頭，即相當(dāng)于標(biāo)定目標(biāo)點(diǎn) 相對于測頭運(yùn)動。在各網(wǎng)格交點(diǎn)位置，對應(yīng)兩激光線的交點(diǎn)圖像坐標(biāo)形成 一個對應(yīng)的圖像網(wǎng)格。激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正方法具體實現(xiàn)和操作 步驟如下1) 首先利用激光干涉儀等精密測試設(shè)備對機(jī)臺基座IO進(jìn)行位置度、 直線度、垂直度相關(guān)誤差的檢定與記錄，然后基于坐標(biāo)測量21項誤差分 析與補(bǔ)償原理進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)械精度補(bǔ)償，保證機(jī)臺基座10具有非常高的空 間定位精度。在很大程度上機(jī)臺基座10的空間定位精度決定測頭的標(biāo)定 精度；2) 按照要求調(diào)整各標(biāo)定裝置，使得各裝置達(dá)到以下要求保證測量 線形激光器5入射激光垂直于機(jī)床坐標(biāo)系下X0Y平面，并平行于X軸；面 陣CCD6及鏡頭7光軸方向決定的圖像可視范圍能達(dá)到測量景深要求；調(diào) 整面陣CCD6的位置，保證鏡頭7光軸與機(jī)床坐標(biāo)系下Z0X平面平行；根 據(jù)標(biāo)定范圍調(diào)整輔助線形激光器4方位保證與測量線形激光器5的交點(diǎn)在 可視范圍內(nèi)，夾角方向盡量使兩激光圖像在標(biāo)定區(qū)域內(nèi)有盡可能多的部分 在采集圖像內(nèi)。然后將平面度<5皿的磨砂標(biāo)定板置于旋轉(zhuǎn)工作臺9上， 保證激光落在標(biāo)定板上；3) 按照規(guī)劃軌跡移動測頭，每在一個指定位置(由精密閉環(huán)運(yùn)動控 制及軟件閉環(huán)定位控制保證)記錄機(jī)床坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)值，同時，分別 通過樣條曲線擬合兩激光圖像，并將兩曲線交點(diǎn)記錄下來。由于普通器件， 如激光器、鏡頭以及CCD等硬件，本身缺陷的存在，真正獲得的線形激光 器激光圖像失真很厲害，尤其在圖像四周更是如此。因此通過樣條擬合曲 線求交點(diǎn)將能得到更為準(zhǔn)確的實際圖像點(diǎn)陣；4) 移動測頭沿X向與Z向作矩形網(wǎng)格運(yùn)動，記錄得到的類似圖2的標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)陣。從按照線掃描測量原理，在一條直線上空間點(diǎn)對應(yīng)的圖像 點(diǎn)陣也應(yīng)是直線，以此為基礎(chǔ)，利用最小二乘的原理擬合相應(yīng)直線，并調(diào)整修正圖像點(diǎn)陣，生成一組修正過的網(wǎng)格圖像點(diǎn)(NXM)，同時記錄測頭 沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx的平均斜率K。具體如圖6所示。5) 基于測頭成像幾何變換的標(biāo)定方法完全基于測頭的三角測量原理, 通過求取相關(guān)變換參數(shù)作為標(biāo)定結(jié)果。利用圖1 (b)以及公式(3)，圖像 上任一點(diǎn)p' ij到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx。的距離即像 位移S ij與測頭對應(yīng)沿Z向運(yùn)動距離即對應(yīng)物位移A "滿足丄-丄k + b， l<i<M,0《j<N. 4 因此所有滿足條件l < i < M，O《j < N的標(biāo)定點(diǎn)都可以建立上述方程。這 樣可以建立一個超靜定方程組——=——k + b《20 厶20< 7 = 7k + b , l<i<M,0《j<N. -=-k + b,《M-1N-I ^M-1N-1利用最小二乘思想，通過Household矩陣變換方法，求得方程組最小 二乘解，即解得參數(shù)k、 b。6) 對于某一測量點(diǎn)，其圖像坐標(biāo)為p' (x', y')，按照幾何變換的原 理計算其空間坐標(biāo)p (Zp'， Xp')。首先在修正圖像網(wǎng)格上過點(diǎn)p'，以斜率K作直線lxp.，分別交測頭沿 Z向移動產(chǎn)生的圖像直線1zj于點(diǎn)pz' k。按照各點(diǎn)像位移的基本情況，利用 計算參數(shù)k， b及式(3)計算各直線上該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zpz'k,然后 在直線lxp，上將對應(yīng)像位移與物位移相比，然后求取該直線上該比值的平 均值記為Rp'。然后根據(jù)點(diǎn)P'在直線lxp，上的相位移S px'及平均比值Rp' 計算該點(diǎn)的空間坐標(biāo)Xp'。接下來計算點(diǎn)P'到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的直線lx。的距離， 即在YOZ平面內(nèi)的相位移Spz'，然后根據(jù)計算參數(shù)k, b及式(3)計算 該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zp'。這樣就完全依據(jù)成像原理的幾何變換關(guān)系計算出圖像點(diǎn)p'對應(yīng)的空 間坐標(biāo)p (Zp' ， Xp，)。7)為了滿足測量對標(biāo)定結(jié)果在不同標(biāo)定區(qū)域的多尺度要求，標(biāo)定計 算完還需對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正。按照第6步計算方法，反算出標(biāo)定圖像網(wǎng)格點(diǎn)p'ij對應(yīng)的空間點(diǎn)Pij 坐標(biāo)值(Zp'ij， Xp，ij)，并與相應(yīng)的標(biāo)定空間網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)值(ZPij, XPij) 比對，即△ x (Zpij, Xpij) = Xpu- Xp，ij,△ y (Zpij， Xp") = Zpi廠Zp，ij。這樣就可以光順曲面的形式(如NURBS曲面)建立由標(biāo)定結(jié)果提取出 來的誤差曲面△ x=fx (z, x)， Az=fz (z， x)o這樣，在具體換算時依照第7步描述的方法先計算空間坐標(biāo)值(Zp'， Xp')，然后按照提取出的誤差曲面計算測量結(jié)果的誤差值。將誤差值補(bǔ)償 到測量結(jié)果上就可以得到更精確地輪廓測量值，即Zp= Zp， + fx (Zp， ， Xp，)，Xp= Xp，+ fz (Zp' ， Xp，)。
權(quán)利要求
1、激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正裝置，包括機(jī)臺基座(10)以及設(shè)置在機(jī)臺基座(10)上的相互垂直由電機(jī)驅(qū)動的沿X、Y、Z方向直線運(yùn)動X軸精密光柵(1)、Y軸精密光柵(2)和Z軸精密光柵(3)，其特征在于在Y軸精密光柵(2)上設(shè)置有入射角平行與XOZ平面垂直與機(jī)臺機(jī)座(10)的測量線形激光器(5)，在機(jī)臺基座(10)的表面位于測量線形激光器(5)的下端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)工作臺(9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值 修正裝置，其特征在于所說的Z軸精密光柵(3)與測量線形激光器(5) 平行，并與Y軸精密光柵(2)垂直，另外還設(shè)置有輔助線形激光器(4)， 且輔助線形激光器(4)的激光平面與測量線形激光器(5)產(chǎn)生的激光平 面相交。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值 修裝置，其特征在于所說的Y軸精密光柵(2)上還設(shè)置有帶有鏡頭(7) 的面陣CCD (6),該面陣CCD (6)的前端設(shè)置有光學(xué)偏振片(8)。
4、 激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正方法，其特征在于: 1)按照標(biāo)定要求調(diào)整各標(biāo)定裝置，保證測量線形激光器(5)入射激光垂直于機(jī)床坐標(biāo)系下XOY平面，并平行于X軸；面陣CCD (6)及鏡 頭(7)光軸方向決定的圖像可視范圍能達(dá)到測量景深要求;調(diào)整面陣CCD6 的位置，保證鏡頭(7)光軸與機(jī)床坐標(biāo)系下ZOX平面平行；根據(jù)標(biāo)定范 圍調(diào)整輔助線形激光器(4)方位保證與測量線形激光器(5)的交點(diǎn)在可 視范圍內(nèi)，然后將平面度〈5um的磨砂標(biāo)定板置于旋轉(zhuǎn)工作臺(9)上，保 證激光落在標(biāo)定板上；2) 按照標(biāo)定規(guī)劃軌跡移動測頭，每在一個指定位置記錄機(jī)床坐標(biāo)系 下空間坐標(biāo)值，同時，分別通過樣條曲線擬合兩激光圖像，并將兩曲線交 點(diǎn)記錄下來；3) 移動由測量線形激光器(5)、面陣CCD (6)以及鏡頭(7)組成的 測頭沿X向與Z向作矩形網(wǎng)格運(yùn)動，得到標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)陣；利用最小二乘的 原理擬合相應(yīng)直線，并調(diào)整修正圖像點(diǎn)陣，生成一組修正過的網(wǎng)格圖像點(diǎn)(NXM)，同時記錄測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx的平均斜率K;4) 利用公式^-丄k + b ，圖像上任一點(diǎn)p， ij到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的圖像直線lx。的距離即像位移S ij與測頭對應(yīng)沿Z向運(yùn)動距離即對 應(yīng)物位移Au滿足丄二丄k + b， l<i<M，0^j<N. 《 Aa因此所有滿足條件l <i <M,0S j<N的標(biāo)定點(diǎn)都可以建立上述方程，這樣可以建立一個超靜定方程組<formula>formula see original document page 3</formula>利用最小二乘思想，通過Household矩陣變換方法，求得方程組最小 二乘解，即解得參數(shù)k、 b。5) 對于某一測量點(diǎn)，其圖像坐標(biāo)為p' (x', y'),按照幾何變換的原 理計算其空間坐標(biāo)P (Zp'， Xp')。首先在修正圖像網(wǎng)格上過點(diǎn)P'，以斜率K作直線lxp，，分別交測頭沿Z向移動產(chǎn)生的圖像直線1zj于點(diǎn)pz' k。按照各點(diǎn)像位移的基本情況，利用 計算參數(shù)k, b及4-丄k + b計算各直線上該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zpz'k,然5 厶后在直線lxp.上將對應(yīng)像位移與物位移相比，然后求取該直線上該比值的 平均值記為Rp'，然后根據(jù)點(diǎn)p'在直線lXp，上的像位移Spx'及平均比值Rp'計算該點(diǎn)的空間坐標(biāo)Xp';接下來計算點(diǎn)P'到起測位置測頭沿X向運(yùn)動產(chǎn)生的直線lx。的距離， 即在YOZ平面內(nèi)的像位移Spz，，然后根據(jù)計算參數(shù)k， b及丄-丄k + b計3 △算該點(diǎn)處的空間坐標(biāo)值Zp';這樣就完全依據(jù)成像原理的幾何變換關(guān)系計算出圖像點(diǎn)P'對應(yīng)的空 間坐標(biāo)P (Zp' , Xp');(6)為了滿足測量對標(biāo)定結(jié)果在不同標(biāo)定區(qū)域的多尺度要求，標(biāo)定計 算完還需對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正。按照第5步計算方法，反算出標(biāo)定圖像網(wǎng)格點(diǎn)p、對應(yīng)的空間點(diǎn)Pij 坐標(biāo)值(Zp'ij， Xp，ij)，并與相應(yīng)的標(biāo)定空間網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)值(Zpij， XpJ 比對，即厶x (Zpij, Xpij) = Xpi廠Xp，ij，Ay (Zpu， Xpu) = Zpu- Zp，"。這樣就可以光順曲面的形式(如NURBS曲面)建立由標(biāo)定結(jié)果提取出 來的誤差曲面-Ax=fx (z， x), Az=fz (z， x)。這樣，在具體換算時依照第6步描述的方法先計算空間坐標(biāo)值(Zp'， Xp')，然后按照提取出的誤差曲面計算測量結(jié)果的誤差值，將誤差值補(bǔ)償?shù)綔y量結(jié)果上就可以得到更精確地輪廓測量值，即: Zp= Zp， + fx (Zp， ， Xp，)， Xp= Xp' + fz (Zp' ， Xp')。
全文摘要
激光線掃描測頭幾何變換標(biāo)定與曲面插值修正方法及裝置，采用非接觸測量技術(shù)，用于激光線掃描三維輪廓測量系統(tǒng)測頭的精確標(biāo)定與進(jìn)一步修正，該方法基于測頭系統(tǒng)的基本測量原理進(jìn)行計算，完全消除了傳統(tǒng)標(biāo)定方法(如多項式擬合計算方法等)所帶來的標(biāo)定原理誤差。在具體計算參數(shù)過程中，算法上采用曲線分析、最小二乘等統(tǒng)計分析技術(shù)，這樣在完全滿足基本原理的基礎(chǔ)上，又充分考慮了由于鏡頭畸變、測頭裝配與調(diào)整誤差等相關(guān)因素對不同標(biāo)定區(qū)域所引起的多尺度標(biāo)定要求，使得測頭具有非常好的穩(wěn)定性和可操作性。
文檔編號G01B11/24GK101334270SQ20081015046
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者丁建軍, 兵 李, 蔣莊德, 磊 陳 申請人:西安交通大學(xué)