光学三角法全视场自扫描测头的设计与研究

本文基于光学三角法测量原理,设计了一种通过改变光平面与成像光轴夹角来实现对视场内被测零件表面扫描的视觉测头。通过紧凑的旋转镜片反射机构驱动光平面在物空间做扫描运动,将全视场自动扫描功能封装在在线结构光视觉测头内部,使扫描成为线结构光视觉测头的一项内置功能。光定位精度实验以及尺寸测量的重复性精度实验均表面这种设计方法的可行性。这种自扫描测头对中、小尺寸零件三维尺寸的快速检测有重大的实用价值。     

复杂曲面零件加工精度的原位检测误差补偿方法

为提高复杂曲面零件的数控机床原位检测精度,分析影响接触式检测系统精度的各项因素及其误差补偿方法。对检测系统的主要误差来源如机床几何误差、测头预行程误差和测头半径误差进行分析研究。在对数控机床的几何误差进行分析和建模的基础上,采用激光干涉仪进行三轴数控机床的单项误差测量和补偿;针对测头检测过程中存在的预行程误差,提出基于径向基函数(Radial basis function, RBF)的预行程误差预测方法,获得测头预行程误差分布图,并对检测系统进行实时预行程误差的补偿;提出改进的三角网格模型顶点法矢计算方法,有效进行三维测头的半径补偿。通过实例零件的加工精度原位检测试验及其与三坐标测量机CMM检验结果的比较,验证了原位检测方法的有效性。     

齿轮三维测量中线结构光测头位姿的优化方法

采用线结构光传感器测量齿轮三维误差,具有快速、全信息和高重复性等特点,但测头与被测齿轮的位姿关系是影响齿 轮测量准确度的关键问题。 以优化测头与被测齿轮的位姿关系为目标,提出了测头位姿量化评价指标。 为验证指标的有效性, 进行了同一产品齿轮在不同位姿参数下的测量实验,并与克林贝格 P26 齿轮测量中心进行对比分析。 结果表明,与“陡峭”的 常规测量方法相比,本文方法点云密度比 Λp 指标高 33. 6% ,倾斜比 υp 指标高 30. 2% ,所测量的齿廓单元更加完整、更符合国际 标准 ISO1328 对数据的要求,齿轮单项误差评定结果也更准确。 该方法预估的线结构光传感器的位置和姿态参数,用于齿轮测 量前测头位姿的确定,进而提高齿轮测量精度,也为解决陡峭齿面非接触式测量问题的提供了途径。     

线结构光扫描测头结构参数优化设计

线结构光扫描测头在逆向工程中应用广泛,其测量精度对3D重建可靠性有重要影响。本文建立了基于光学三角法的线结构光扫描测头数学模型,由坐标转换和透视成像原理实现二维像素坐标与三维世界坐标间转换。分析了线结构光扫描测头结构参数对测量精度的影响,推导出测量误差模型。分析了漫反射光强度变化对结构参数的影响,结合实际设计需要给出边界约束条件,并仿真实现结构参数优化设计,误差低于0.02mm。     

双半球测头测量螺杆转子型线

螺杆转子型线直接影响螺杆压缩机性能。球形测头测量螺杆转子型线时,由于测量接触点与测头球心不在同一平面内,必须进行测头半径三维补偿,其运算量大,当螺杆转子CAD模型未知时,很难建立测头半径三维补偿数学模型。采用半球测头测量时,其调整装置影响测量精度。采用双半球相扣测头测量转子型线,在不需要调整装置的前提下,保证了接触点与球心在同一平面内,极大地简化了测量和数据处理过程,提高了测量精度。     

双半球测头测量螺杆转子型线的探讨

螺杆转子型线直接影响螺杆压缩机的性能。球形测头测量螺杆转子型线时,由于测量接触点与测头球心不在同一平面内,必须进行测头半径三维补偿,运算量大。用半球测头测量时,调整装置会影响测量精度。采用双半球测头测量转子型线,在不需要调整装置的前提下,保证了接触点与球心在同一平面内,简化了测量和数据处理过程,提高了测量精度。     

虚拟式加工中心在线检测仪

设计了一种用于工件在线测量的虚拟式检测仪,从工件CAD图提取测量信息并自动生成检测宏程序,对测量数据分析后给出检测结果。对测头系统误差和评定算法误差进行了分析,提出了一种通过标定测头有效直径来补偿测头预行程误差的方法。对比验证后表明,虚拟式在线检测仪能进行较高精度的测量。     

嵌入式线结构光角度视觉检测及误差补偿

建立了基于DM642的嵌入式线结构光角度视觉检测系统,用于精确实时地在线检测线结构光角度.首先,将以CCD为图像传感器的装置与基准平面固定,以线结构激光发生器为光源的装置与被测平面固定;用CCD采集投影屏上的线结构光图像,再由DM642进行实时处理得到线结构光的角位置,并对角位置进行标定来获得被测平面与基准平面的夹角.然后,分析系统误差源,得出系统主要误差是由CCD感光面阵平面与投影屏平面之间的夹角α所致.最后,针对此误差项建立数学模型,并根据模型采用圆光栅控制激光发牛器精确转动3个角位移,由圆光栅所得的精确角位移值和对应的图像检测值计算出标定夹角a的大小和方向,并对由此夹角误差导致的检测误差进行精确补偿.实验结果表明:在a为0.331 97°时,经误差补偿后的圆光栅角位移值和对应的图像检测值之间的转角误差由22.522％减小到0.595％,系统测量的不确定度为0.051 44°.     

在线测量系统测头误差补偿技术研究

通过分析在线测量系统测量过程中触发式测头测量结果的误差组成元素及其产生的原因,建立了测头标定的数学模型,并通过最小二乘法进行解算,提出通过对测头半径进行补偿来减小测量误差的新方法,该补偿方法综合考虑了实际测量过程中测头预行程误差、测头各向异性、测头偏心误差等影响因素,并利用双线性插值法建立测头半径补偿值与测点法矢方向之间的映射关系,来计算拟合任意法矢方向的半径补偿值。最后通过实验验证,对比补偿前后的测量结果,结果表明补偿后的测量系统测量精度有明显提高。     

基于最小二乘法CNC无线测头智能检测控制系统设计

为提高CNC在机检测效率和质量，针对现有的接触式测头各种检测误差，研究一种基于最小二乘法曲线拟合插值方法的测量误差补偿模型，该算法通过最小二乘法分别对测头模型标定、系统测量误差补偿模型构建，设计了一套精度较高的CNC无线测头智能检测与控制系统，达到在机测量零件尺寸精度和误差补偿。生产结果证明该系统误差补偿算法的可行性、有效性与优越性较高，提高了生产效率、生产质量，降低了次品率、生产成本，能广泛适用于CNC数控铣削精密加工零件尺寸测量与误差补偿。     

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BP算法的激光扫描测量误差补偿

针对激光扫描仪测量精度相对比较低,不能满足一些高精度零件的测量要求,在研究激光测量原理的基础上,通过分析和试验验证,确定了倾斜角度和工件焦距设置位置这两个影响测量误差的主要因素。以这两个因素为输入样本,建立误差影响因素的BP神经网络模型,实现了测量误差的软件补偿。试验证明,此方法在很大的程度上对误差进行了补偿,提高了测量精度。     

亚微弧度级激光跟踪转镜装配误差分析

围绕亚微弧度量级激光跟踪转镜的光束指向精度问题,提出空间正交光学系统安装误差的分析方法。基于矢量折射定理的光线追击法,建立棱镜安装误差的归一化数学模型,分析不同安装误差对光束指向精度的影响,实现光束指向误差的定量分析。棱镜Π_1相对y轴的安装倾斜大于0.08″会导致出射光垂直张角ρV误差达到0.21μrad,相对于x轴的安装倾斜大于0.2″会导致水平张角ρH误差达到0.5μrad;棱镜Π_2相对z轴的安装倾斜大于0.2″会导致水平张角ρH误差达到0.22μrad,而棱镜轴承的安装误差对光束指向精度的影响较小。研究结果为高精度光学跟踪系统设计提供了理论依据。     

IMU 姿态误差均衡校正模型与验证

惯性姿态测量单元(IMU)中存在各种系统误差,需要进行校正以提高姿态解算精度,而校正矩阵是由本身包含各种系统误差的特殊位置测量值及其理论值决定的。对校正矩阵产生的校正误差进行理论推导,研究其对解算姿态参数误差的影响特征,并用测试数据进行验证。根据均衡校正点的设计,详细研究均衡校正及其结构拓扑对姿态精度的影响模型和特征,并对测试数据进行均衡校正验证,典型姿态解算结果及对比表明,均衡校正普遍降低了姿态的绝对误差,均衡平均校正最少可降低解算姿态绝对误差的平均值和峰峰值至30.8%,且在小倾斜角区域也达到大中倾斜角区域常规校正的姿态解算精度。     

结构光测量中相位误差的过补偿与欠补偿校正

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题,提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型,解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式,提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明:无论在黑暗环境还是光环境下,利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002rad,比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右,比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高,速度快,能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。     

点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测

针对单线结构光测量因范围有限以及遮挡等原因而无法检测整个车轮的轮缘及踏面的问题,提出了一种列车轮对双目双线结构光检测方法。该方法采用两组双线结构光传感器进行测量和数据采集。在两传感器产生的点云进行配准的过程中使用截面点云数据还原点云矩阵,然后对其进行傅里叶变换,在计算旋转角度时先进行极坐标转换,最后求取两矩阵的互功率谱,从而得到点云的旋转和平移矩阵。在此过程中考虑到点云噪声的存在,将辛格函数近似代替无噪声的互功率谱傅里叶反变换,从而确定在频域配准时噪声对配准参数的确定并无影响。接着采用相对值比较的算法和主成分分析拟合基准平面,对轮对直径方向进行标定。利用标定值对扫描数据进行处理,得出包括车轮直径、车轮滚动圆径向跳动等对尺寸参数。实验表明:点云频域配准的双目双线轮对检测技术对车轮直径的测量尺寸误差≤±0.05mm,车轮端跳的测量误差≤±0.06mm,车轮径跳的测量误差≤0.04mm。与标准轮对检测数据相比可知,该系统满足轮对检测精度的要求。     

二维光电水平倾角测量系统

针对高端装备制造中对大尺度机床误差测量与补偿的要求,本文基于光学自准直原理和液体表面反射原理,研制了一种二维光电水平倾角测量系统以实现对机床滚转角和俯仰角的测量。该系统使用半导体激光器发射激光,经光学自准直系统于待测硅油表面将被测倾角放大二倍。然后,由位置敏感探测器感测光斑位置变化,输出包含角度信息的光电流信号,并由低噪声四路同步微弱信号处理电路进行相同倍数的放大以减小误差。最终,由高速采集卡进行数据采集,经均值滤波、曲线拟合、解算处理后将其转化为倾角信息,从而实现二维角度测量。在光学平台进行了对比实验,结果表明:测量系统在-10~10mm/m(约为-2 000″~2 000″)量程内,角度测量误差小于±0.050mm/m(约为±10″),线性度优于0.25%,满足大尺度机床二维水平倾角检测对大量程、高精度、高稳定性的要求。     

基于激光的导轨直线度检测算法研究

直线导轨是一种机电一体化的导向装置,是生产加工的重要零件。研究一种简单的检测导轨直线度的方法,将激光安装在滑块上,照射导轨末端安装的位置传感器,读出光斑离坐标轴的距离。根据该距离得到导轨倾斜角,通过倾斜角计算得到导轨直线度。考虑导轨实际轴线偏离理想轴线而产生静态误差,利用最小二乘法和改进遗传算法消除该误差影响。详细给出了基于激光的导轨直线度检测计算方法,并对误差进行分析,为导轨直线度自动化检测提供条件。     

Modeling and verification of a five-axis laser scanning system

Today several new kinds of laser beam sensors appear with high resolution and accuracy and find their applications in reverse engineering and quality control. Due to the incapability of changing their orientations continuously in response to the surface fluctuation of a part to be measured, they are not competent for measuring parts with complicated structures. In this paper a five-axis laser scanning system integrated with a CMM, a laser beam sensor and a PH10 rotary head is proposed, which can measure complicated parts by frequently indexing the laser sensor approximately consistent with the normal direction of the surface. As the laser value is a 1-D data and the measured data must be given in 3-D expression in the world coordinate system, a system model for coordinate transformation is established. An “equivalent probe” approach is presented for system verification, and an iterative verifying process is adopted to eliminate the verification error caused by the inclination error of the laser sensor. Experiment study shows that the system can measure a part from any direction with an accuracy of 30 μm.     

Self-calibration of precision angle sensor and polygon mirror

The present paper describes a high-precision angle sensor and a new method for calibrating precision angle sensors absolutely without the use of any accurate reference instruments. Two angle sensors with compensating devices which compensate thermal drift of the light source are developed and calibrated by themselves. The repeatability error of the evaluated mean sensitivity was improved to 0.01% by the compensating device. The repeatability of the calibrated linearity error was reduced to 0.025 s (arc). This paper also describes a new differential method that can calibrate simultaneously the dividing errors of a polygon mirror and angular profile of polygonal surfaces by using the developed angle sensors. Calibration of a 24-sided polygon mirror showed the repeatability error of dividing angle and angular profile to be approximately 0.2 s (arc).