基于三维激光技术的圆柱点云搬正及圆度计算

针对罐式集装箱在生产过程中因其自身结构和工艺把控,需要测量内容器圆度等几何尺寸的问题。本文提出基于三维激光扫描法的罐式集装箱内容器圆度尺寸获取方法。首先,通过扫描获取罐箱内容器全尺寸点云,并基于点云法向量算法去除内部加强筋板、管道等附件;然后,通过筒节椭圆拟合计算点云搬正角度,实现点云的高精度配准;最后,采用RANSAC中轴线拟合和欧氏距离计算,完成了内容器点云不同截面的圆度获取。与人工测量比较,该方法精度优于2 mm,同时测量时间在10 min左右,提高了测量效率,降低了劳动强度,为三维激光扫描用于工艺测量提供了解决方案。     

多光通道结构光三维测量系统误差补偿研究

本文通过对多光通道结构光三维测量系统误差分 析发现,相机采集光强受通道间串扰以及投影、采 集图像器件非线性响应等误差影响。在分析串扰和非线性误差影响投影和采集光强的基础上 ,提出了针对 相机采集光强进行系统误差补偿的数学模型。投影0－255灰度图像到 白色平板并由相机采集,计算得到系 统内各光通道的非线性响应参数,以及投影纯色彩色条纹到白色平板计算得到各通道间串扰 系数,通过构 建的误差模型,同时补偿了非线性和串扰误差。实验结果表 明,经过误差模型修正后,展开 相位差从1.044 rad 降到0.121 rad,测量误差从0.707 mm减少到0.058 mm。本文提出的补偿模型从系统误差分析出发,可对串 扰和非线性误差同时测量与补偿,有效提高了多光通道结构光三维测量系统的测量精度。     

基于激光位移传感器的光电非接触圆度测量

为了提高圆度测量的效率和准确性,针对目前手工检测效率低等缺点,提出一种以激光位移传感器的测距原理为依据的光电非接触圆度测量方法。与传统方法相比,该方法首先搭建了以精密转台和步进伺服执行机构为主的测量控制系统平台。其次,利用机械装置的相对运动,通过传感器采样测量物体的各测量点的截面信息,用最小二乘圆的评定方法得到各截面测量误差,最终实现圆度误差测量。结果表明,通过仿真获得随机误差系数在对圆度误差测量影响的数学表达式,并验证了测量中存在的系统误差修正方法的正确性。     

基于光学自准直的旋转轴平行度测量与不确定度分析

在激光通信和光电跟瞄系统中已经开始采用基于旋转光栅或光楔的指向-捕获-跟踪(Pointing,acquisition and tracking, PAT)机构对光轴进行角度调整，该结构质量轻、体积小，非常有利于系统的轻小型化。由于结构中两个旋转轴的平行度误差会严重影响PAT机构性能，因此在机械装配时需严格保证两轴平行度。针对旋转轴系轴线不易测量，传统测试方法精度不足，轴系晃动误差影响测量结果等问题，为了满足两轴平行度高精度检测的需求，文中提出基于自准直原理的旋转轴平行度测试方法，利用自准直光学特性，结合特殊设计的半反半透基准镜，采用数据拟合方法剔除轴系晃动的影响，得到旋转轴轴线空间位置，创新地实现了无需调整测试和被测设备即可在同一基准下测量两个平行轴系轴线角度和平行度。该方法只需一台测试设备，排除了传统多台测试设备联合测量时，基准传导与变换中的测量和变换误差，提高了测试精度和测试效率。首先，设计了基于自准直仪的测试系统，采用一台自准直仪测试两个轴系轴线空间位置，从而得到旋转轴同轴误差；然后，对测试结果不确定度进行了研究，分析了测试准确性及其影响因素；最后，采用该测试方法和测试系统，对某...     

基于机器视觉的螺纹参量测量系统

为了高精度测量螺纹的各项参量,建立了基于机器视觉技术的螺纹参量测量系统。采用螺纹工件旋转、相机跟随拍摄的方式采集螺纹在平行背光下的轮廓数据,实现了螺纹的各项参量测量,扩大了系统的测量范围,并且降低了相机标定误差的影响。推导了坐标系统转换方程,通过标定实现了坐标统一,并推导了螺纹参量计算公式;针对CCD相机光轴和螺纹轴线垂直时螺旋线对螺纹牙投影产生遮挡失真情况建立了数学补偿模型。结果表明,得到的测量不确定度小于2m,重复性优于4m。该系统可以完成螺纹的各项参量测量。     

管道内表面圆结构光视觉三维测量系统

为保证管道运输安全,需要对管道进行定期维护和检测。采用视觉检测原理,提出了一种基于圆结构光三维视觉检测的管道内表面测量系统。针对管道内表面测量空间受限的约束,基于圆结构光视觉检测原理,提出了视觉传感器的纵向排列结构模式,并搭建了管道内表面圆结构光视觉检测系统。针对圆结构光特点,设计了圆环形平面标定靶标,实现了圆结构光检测系统的标定,并基于该圆结构光视觉检测系统对工业管道内表面进行了三维测量。实验结果表明:该系统的标定不确定度为0.081 mm,针对管道内表面,具有较高的测量精度。     

基于激光谐波调制的深孔内壁三维面型分析系统

为了快速精确地获取深孔结构内壁三维面型,从而分析深孔加工质量,提出了一种基于激光谐波调制的线型扫描系统,设计了可深入深孔结构的反射式光学系统。研究了通过时间窗滤波的谐波匹配点云优化算法,该算法利用谐波调制相位范围对近轴线扫描区域进行阈值分离,从而完成点云数据的滤波。实验针对三种不同类型的深孔进行了测试,并采用Handyscan三维成像仪进行了点云数据对比。文中对5 cm×5 cm的内壁区域进行了量化分析, 对比了优化前后的三维点云图像。优化前的点云中明显包含很多杂散点,综合平均偏差为0.53 mm,而采用优化后,噪声被有效抑制,综合平均偏差降为0.12 mm。在x轴方向上,系统位置偏差均值为0.240 mm,在y轴方向上,系统位置偏差均值为0.228 mm。由于优化后降低了需要计算的点云总量,故其收敛速度也有一定的改善,在3000点以上趋于稳定,约为优化前用时的65.8%。可见该系统适用于深孔内壁三维面型检测,为深孔测试与数据降噪提供了新的思路。     

多传感器点云拼接误差的修正方法

为了减小激光三维扫描仪多传感器点云拼接误差的影响,提出了一种以圆柱体作为标准物体逐层修正拼接误差的简便方法。对标准物体扫描且拟合出各截面圆心坐标,并利用圆柱体实际半径值求得截面真值圆函数,将每层测量数据向真值圆函数进行平移刚性变换,求得该层的拼接误差和修正值。为了减小随机误差的影响,利用多次重复测量求得平均修正值,并用求出的平均修正值分别对圆柱体、长方棱柱体和石膏人体模特的不同位置的扫描结果进行了修正验证实验。从截面图的直观观察和定量数据测量两方面比较了修正前后的点云拼接效果,结果表明,修正后点云拼接更加光滑平顺,数据测量相对误差有显著降低。     

基于扫描激光差动技术的圆度误差检测

为了提高回转体圆度误差测量精度,基于差动技术,并利用小波变换过滤算法及圆度误差最小二乘法模型,提出一种基于扫描激光差动技术的圆度误差检测系统。采用分光镜分束的方法,形成两束光强调制信号,从原理上消除偏心误差的影响。通过对一标定零件进行圆度误差测量实验,设定不同的实验条件,偏心量分别为2~4 mm,5~7 mm、8~9 mm,所测得圆度误差值相差不超过0.62 μm。表明测量系统可以有效消除偏心误差,完成对回转体零件圆度误差的检测。解决了目前圆度误差检测中回转轴偏心量误差消除难度大、测量效率低等问题,为高精度检测提供了一种新思路。     

浅析一种深孔零件快速测量装置的数学模型和误差补偿

设计一种深孔零件测量装置,可快速测出深孔零件的内径、圆度和直线度,自动化程度高,制造成本低,操作方便快捷,且能运用于车间。本文介绍了其机械结构和控制系统,对其各项误差源进行了分析,使用齐次坐标变换理论建立了数学模型,对影响测量精度较大的误差进行了补偿,为进一步进行误差补偿提供理论基础。     

基于逼近式定心法测量机床回转轴对导轨的平行度

为测量机床主轴回转轴线与同向导轨间的平行度,研制了一种基于激光位移传感器的机床测头,并结合逼近式孔心定位法提出一种新的平行度检测方法。该方法以回转轴线不变为前提,借助一标准环规,让环规的同一截面位于主轴轴线的不同点,利用两次精确定位所获得的坐标值,计算导轨和机床回转轴线的平行度。利用该检测方法,可消除实物芯轴类测量方法所涉及的一些缺陷,可在主轴高速旋转时完成测量。实验证明,该方法能够完成机床主轴轴线与同向导轨平行度的测量,有望作为一种新的检测手段对机床进行校验。     

一种基于单转位特征角的圆度误差分离方法研究

为提高光学标准球形状误差测量准确度,提出了 一种基于单转位特征角的圆度误差分离方法。本文方 法基于严格的数学原理,利用特征角在形状比较中参照作用,可完全回避开可能产生谐波抑 制的所有“盲 点”;通过一次转位,并分别将转位前后的采样数据进行傅里叶变换,在频域中实现 光学标准球圆度 误差和主轴径向回转误差的分离,再将分离后的数据变换到时域,可以在使分离后的信号在 进入滤波器之 前无任何信号损失,使得建模过程无任何原理误差,实现主轴径向回转误差和光学标准器 圆度误差的完 全分离。实验表明,当每周采样点数为1024、 转位特征角为21.09′时,分离后圆度误差包含所有频次的谐 波,无任何谐波抑制,表明光学标准球圆度误差与仪器主轴的回转误差得到严格分离。本文 方法不仅可以用 于超精密级光学标准球的圆度测量,而且可用于建立精度水平最高的理想的基/标准级圆度 测量系统。     

基于CCD图像的圆度误差测量的研究

介绍了一种基于CCD图像的圆度误差测量系统,给出了利用数字图像处理技术进行图像采集、预处理、二值化、边缘检测、轮廓提取等,进而对圆度误差进行评定,分析了误差产生的原因.试验证明,用该方法提供圆度误差的评定是可行的,并具有先进性和实用性.     

基于面结构光的工件内壁点云旋转拼接研究

针对某些工件内部空间有限、测量困难的问题,提出了一种基于面结构光的点云旋转拼接方法。介绍了面结构光单一视野的重建方法,采用四步相移与互补格雷码结合的方法获取绝对相位值,通过多项式拟合法对相机、投影仪进行标定。基于机械臂末端腕关节旋转平面（简称:旋转平面）对点云的配准进行了研究,提出了基于辅助相机的标定方法,给出了相机成像坐标系和旋转平面坐标系之间的变换关系。实验结果表明:该方法适用于工件内壁测量,拼接平均误差不大于0.05 mm,满足实际应用需求。     

基于线阵图像傅里叶与灰度匹配算法的三维测量

双线扫描相机三维测量系统的匹配环节容易受到表面纹理和光源的影响,从而影响点云的精度和完整性.为此,提出了一种基于傅里叶变换的灰度相似性匹配算法,以实现高精度匹配和处理部分过度曝光.此外,建立了测量系统的成像模型,提出了一种灵活的线扫描相机静态标定方法.最后,搭建了实验平台验证了所提匹配算法的效果和测量系统的精度.相机标定结果的重投影误差优于0.3 pixel,基于所提算法的测量点云完整且能良好反映被测物深度突变处的真实形貌,标准平板测量点云到拟合平面均方根误差为0.023 mm.结果 表明,所提匹配算法既能有效保证点云的完整性,又能保留被测物的表面细节特征.     

双目面结构光三重扫描测量系统温漂补偿方法

双目面结构光三重扫描是在条纹投影双目视觉重建的基础上,追加左、右相机与投影仪构成的单目视觉系统重建点云,在反光和凹凸起伏等表面测量应用上具有更好的点云完整性优势。但由于环境温度变化影响,投影仪产生较大温度漂移,导致双目重建点云与单目重建点云发生“分层”现象。为此,文中提出了一种基于正交条纹投影的三重扫描系统温漂在线补偿方法,通过投影仪投射正交条纹来构建双目重建点在投影仪图像中准确的映射关系,并基于双目重建点在投影仪图像中的重投影误差最小化目标函数来求解温漂补偿后的投影仪最优外参数。最后,以金属球和汽车零件作为被测对象进行实验验证,在不依靠标定板等先验信息及繁琐标定流程基础上,所提在线快速补偿方法可以使得双目点云与单目点云温漂量分别减小78.2%和94.3%,极大减轻了温度变化对于三重扫描点云数据拼接影响。     

多相机非共视场的非合作圆特征位姿测量方法

以大型光学模块转运时基于视觉的位姿测量为背景,利用目标底部同一平面的两个圆特征,针对大目标近距离对接时的环境限制,提出一种基于距离和角度约束的多相机非共视场位姿检测方法。对接时球头与锥孔正确对接,将两个相机分别固定于球头机构的内部后采集锥孔边缘的圆特征,利用非共视场成像的多相机标定获取两相机位置关系,融合多个相机的位姿信息,利用两圆共面和两相机位置关系约束剔除空间圆位姿解算时的虚假解。实验验证了该方法的精度,在1140mm的工作距离时,圆边缘特征的姿态角误差小于0.5°,圆心的计算误差小于1.0mm,实验结果表明该方法可准确计算位姿,结果可靠有效,在大目标近距离位姿测量时具有明显实用性。     

平行度误差激光准直法测量技术研究

为了实现平行度误差的精确测量, 提出了基于位置敏感探测器(PSD)激光准直法的平行度误差测量方法, 并设计了实验测量系统。该系统利用倒置望远镜结构二次透镜变换的方法, 对准直激光束的发散角和光斑大小进行平衡, 通过光学五棱镜转折光路, 由PSD将测量位移经信号调理电路和数据采集及处理系统, 实时得到测点相对于基准的位置, 再以最小包容区域法快速评定出被测要素和基准要素两者之间的平行度误差。结果表明, 系统相对不确定度为0.077%, 具有较高的测量精度。该研究为平行度误差的精密测量技术提供了有效测量方法, 具有一定的现实指导意义。     

基于蒙特卡洛法的圆光栅测角误差分析与补偿

在一类以圆光栅传感器作为测角元件的舵机减速器力能传递实验中,圆光栅传感器的同轴度、读数头读数和仪器示值,这些传感器自身的误差会影响减速器转角的测量精度。本文以圆光栅传感器作为研究对象,分析了多种转角测量误差的导致因素,并将其归类为系统误差和随机误差;通过物理分析和数值计算获得了转角误差的分布特性,提出通过基于蒙特卡洛法(MCM)的不确定度计算获得实际转角的误差补偿量从而提升转角数据处理能力并提高转角测量精度的新方法。直方图仿真曲线给出了转角误差的概率分布规律,并以此计算了理论上的角度测量误差的补偿量。实验以某舵机减速器为测试设备依本文方法进行转角数据处理,结果将测角精度提高到角秒数量级(10″),证明了方法的有效性。     

深孔内表面检测点云拼接技术研究

深孔内表面检测系统获取的单视角点云无法体现深孔零件内表面全貌,为实现深孔内表面完整面形的三维重建,提出了一种深孔内表面检测系统的位姿标定技术,用于提供深孔内表面重建的点云拼接初值。首先,介绍了深孔内表面检测技术原理,分析并建立了深孔零件测量点云的坐标变换模型,确定了坐标变换模型中需要标定的系统位姿参数;然后,分析了系统在内表面上的测量轨迹,以旋转轴转角描述测量轨迹,并对点云逆向重建;之后以系统参数的求解误差作为损失函数优化测量轨迹模型,实现了系统位姿参数标定;最后,对直圆筒和凹槽部分的点云拼接实验表明:该方法适用于深孔内表面检测,易于操作,拼接误差不大于0.08 mm,与其他方法相比均有一定优势。