CN109323665B - 一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法，解决生成全息干涉传感器测量路径的问题，采用的方法是：线结构光扫描测量与全息干涉测量的坐标统一标定；扫描测量与曲线拟合；曲线的分割和延长处理；曲线的全局坐标***一变换；生成全息干涉测量的全部测量路径。有益效果是：采用成本低廉的线结构光传感器和高精度点光测距传感器组合的方式，降低测量过程中装夹定位难度，将传统批量测量过程中每一零件都要重新进行坐标系配准的难题转化为只需要一次全局标定的稳定求解问题，实现了叶片批量免配准的自动化快速精密三维测量。

Description

一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法
技术领域
本发明属于精密测量领域，具体涉及线结构光驱动全息干涉的精密测量方法。它尤其适用于航空发动机、燃气轮机叶片等复杂曲面零件的非接触快速精密测量。
背景技术
现有技术中对于形状复杂的异形件，如透平叶片或叶轮等由于具有高性能表面，形状复杂，测量难度大，现有的技术无法同时实现高精度、高效率无涂覆测量的目的。
叶片作为航空发动机、燃气轮机中极为关键的零件，它的工作环境十分恶劣，同时承受气动力和离心力等多重载荷，任何制造缺陷都会影响到发动机的最终工作效率和使用寿命。因此，越来越多的叶片生产制造企业提出了百分之百全检的要求。叶片型面是根据其截面线形状或带有轮廓、弯角、扭曲等参数的三维特征曲面设计的。
目前主要应用的测量方法为专用量具、三坐标测量机和光学测量法。光学测量法最近得到了越来越多的应用，如：结构光扫描法、光学三角法、全息干涉测量法等。结构光扫描法通过曝光控制优化、图像增强、多视角测量优化等算法与技术，已经能够对一般精加工表面进行直接测量，快速获得自由曲面的完整数据(万点/秒)。但是，由于测量原理的限制，无法实现高曲率、小半径特征的精确测量，测量精度低。而基于光点的三角法和全息干涉等点光源测量技术(光斑直径最小可达3.5μm)，具有可以测量高反光表面的能力、不需要半径补偿，配合精密运动控制***，在测量路径规划后可以实现高曲率、小半径特征精确测量，测量精度高，但是测量效率低。光学测量法已成为复杂曲面零件检测的发展趋势。但是，单一的光学测量法存在着明显的技术局限性，难以满足测量速度快、精度高和数据完整等多种需求。因此，充分利用结构光扫描测量速度快和全息干涉测量精度高的技术优势，是实现复杂异形零件如透平叶片的快速精确全尺寸测量的有效手段，进而满足叶片全测全检的测量需求。
全息干涉方法虽然可以测量任何光亮度的金属表面，但是要保证测量精度，在测量的过程中必须保持在有效的景深范围内(保证测头与曲面之间保持稳定的测量距离)。这就需要进行路径规划，而路径规划的前提是要进行测量坐标系与CAD模型坐标系的统一。由于如叶片型面为无特征的复杂曲面，坐标系配准问题是困扰该类零件快速精密检测的一大难题。本发明将线结构光扫描测量和全息干涉方法相结合，不需要前期的测量测量坐标系与CAD模型坐标系的统一。快速实现叶片表面的全尺寸稠密点云数据获取。综上，发明一种新的快速、精密、低成本的测量***与方法将是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法。该方法借助于四轴联动设备，基于双目图像传感器和激光发生器构成的线结构光扫描测量***测量结果规划全息干涉测量***的路径进行测量，四轴联动设备按规划出的测量路径驱动全息干涉测量***实施对形状复杂的异形被测工件的扫描测量。
本发明实现发明目的采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1.线结构光扫描测量***与全息干涉测量***的全局坐标系的统一参数标定；
步骤2.线结构光扫描测量与曲线拟合；使用线结构光扫描测量***对固定在四轴联动设备旋转工作台上的被测工件进行扫描测量，获取被测工件零件表面的一组测量线上的点云数据，依据一组测量线上的点云数据进行曲线拟合；
步骤3.对步骤2拟合后一组曲线中的每条曲线进行排序，并对每条曲线按中点进行分割，将该曲线分割后获得的两条曲线，分别将两个端点的切线方向按规划长度进行延长处理，获得与该曲线对应的两条延长曲线，直至完成全部拟合后曲线的分割和延长处理；
步骤4.重复步骤2和步骤3完成被测工件全部测量面的扫描测量，对扫描测量获得的全部测量线上的点云数据进行曲线拟合，并对拟合后的曲线进行排序、分割和延长处理；
步骤5.对步骤4分割和延长处理后的全部曲线，根据步骤1全局坐标***一参数进行坐标统一变换，生成全息干涉测量***的全部测量路径，四轴联动设备带动全息干涉测量***按测量路径实施对被测工件的扫描测量，获得被测工件表面的精密点云数据。
本发明的有益效果是：采用点光测距传感器对透平叶片类复杂曲面零件测量时，要获取高精度必须对测量路径进行规划。然而，规划测量路径需要进行测量坐标系与CAD模型坐标系进行统一，存在着件耗时、不稳定和精度无法保障等问题。本发明采用成本低廉的线结构光传感器和高精度点光测距传感器组合的方式，在全局坐标***一的基础上，应用结构光扫描数据点云生成自规划全息干涉测量，降低测量过程中装夹定位难度，将传统批量测量过程中每一零件都要重新进行坐标系配准的难题转化为只需要一次全局标定的稳定求解问题，实现了叶片批量免配准的自动化快速三维测量。
下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1本发明测量方法全局坐标系标定流程图。
图2结构光扫描测量点云示意图。
图3拟合曲线及编号曲线示意图。
具体实施方式
本发明测量方法的工作原理是：首先对线结构光传感器和全息干涉传感器进行全局坐标系标定，使得线结构光视觉传感器和全息干涉传感器工作在同一坐标系下；然后线结构光传感器对异形零件如透平叶片进行快速扫描测量，获得零件的多条线性三维点云数据，对点云数据进行曲线拟合与数据处理，生成全息干涉测量路径，由四轴控制***带动全息干涉传感器按照生成的路径进行精细测量，最终获得零件的完整的高精度点云数据。
一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法，该方法借助于四轴联动设备，基于双目图像传感器和激光发生器构成的线结构光扫描测量***测量结果规划出全息干涉测量***的测量路径，四轴联动设备按规划出的测量路径驱动全息干涉测量***实施对被测工件的扫描测量，该方法由以下步骤实现：
步骤1.线结构光扫描测量***与全息干涉测量***的全局坐标系的统一参数标定。
由于本发明的测量***的线结构光传感器和全息干涉传感器都是对同一位姿下的标定板进行测量，每个测量数据描述的都是同一个物体，因此可以认为是被测物体经过刚体变换，从全局坐标系中从一个位置变换到另外一个位置。因此求解出全局坐标统一转换矩阵和平移向量，就完成了全局坐标系标定统一，使得线结构光传感器和全息干涉传感器工作在同一坐标系下。
步骤2.线结构光扫描测量与曲线拟合；使用线结构光扫描测量***对固定在四轴联动设备旋转工作台上的被测工件进行扫描测量，获取被测工件零件表面的一组测量线上的点云数据，依据一组测量线上的点云数据进行曲线拟合。
步骤3.对步骤2拟合后一组曲线中的每条曲线进行排序，并对每条曲线按中点进行分割，将该曲线分割后获得的两条曲线，分别将两个端点的切线方向按规划长度进行延长处理，获得与该曲线对应的两条延长曲线，直至完成全部拟合后曲线的分割和延长处理。
步骤4.重复步骤2和步骤3完成被测工件全部测量面的扫描测量，对扫描测量获得的全部测量线上的点云数据进行曲线拟合，并对拟合后的曲线进行排序、分割和延长处理。
步骤5.对步骤4分割和延长处理后的全部曲线，根据步骤1全局坐标***一参数进行坐标统一变换，生成全息干涉测量***的全部测量路径，四轴联动设备带动点光测距传感器构成的全息干涉测量***按测量路径实施对被测工件的扫描测量，获得被测工件表面的精密点云数据。
本发明实施例中，步骤1中线结构光扫描测量***与全息干涉测量***的全局坐标系的统一参数标定方法是：
A.将带有规则排列标志点的平面标定板固定在四轴联动设备的工作台上，利用线结构光扫描测量***和全息干涉测量***分别对一组不同安装姿态下的平面标定板进行数据采集，其中线结构光扫描测量***是应用其两台摄像机拍摄标定板的图像，而全息干涉测量***采集的是标定板表面的点云数据；
B.基于A采集的一组图像对线结构光扫描测量***进行参数标定，标定出***的内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数，两台摄像机之间的旋转矩阵和平移向量；
C.利用B标定获取的内部和外部参数和采集获得的标定板对应标志点信息，进行标定板上的标志点三维重建；
D.基于C的三维重建结果，采用随机一致性算法进行平面拟合，获取每一个姿态下标定板的拟合平面；
E.计算A中全息干涉测量***获取的标定板表面的点云数据到D拟合平面的距离，通过最小化点到平面的距离来求解全局坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，完成坐标系的统一标定。
本发明实施例中，步骤2中的曲线拟合的方法是：获取被测工件零件表面的一组测量线上的点云数据，依据每组测量线上的点云数据进行该曲线的拟合方法是：采用了三次B样条插值拟合方法，数学表达式如下：
Figure GDA0002236727890000071
式中Bi为控制顶点，k为B样条的次数，这里选为3，Ni,k为标准B样条基函数，参数t构成的参数集T＝{t0,t1,…tn+k-1,tn+k}，具体的求解过程是通过采集得到的一系列坐标点构造B样条的控制点方程组，利用克劳特三角分解，求解控制点，然后带入上述公式，求出整条B样条曲线。

Claims (3)

1.一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法，该方法借助于四轴联动设备，基于双目图像传感器和激光发生器构成的线结构光扫描测量***测量结果规划出全息干涉测量***的测量路径，四轴联动设备按规划出的测量路径驱动全息干涉测量***实施对被测工件的扫描测量，其特征在于：该方法由以下步骤实现：
步骤1.线结构光扫描测量***与全息干涉测量***的全局坐标系的统一参数标定；
步骤2.线结构光扫描测量与曲线拟合；使用线结构光扫描测量***对固定在四轴联动设备旋转工作台上的被测工件进行扫描测量，获取被测工件零件表面的一组测量线上的点云数据，依据一组测量线上的点云数据进行曲线拟合；
步骤3.对步骤2拟合后一组曲线中的每条曲线进行排序，并对每条曲线按中点进行分割，将该曲线分割后获得的两条曲线，分别将两个端点的切线方向按规划长度进行延长处理，获得与该曲线对应的两条延长曲线，直至完成全部拟合后曲线的分割和延长处理；
步骤4.重复步骤2和步骤3完成被测工件全部测量面的扫描测量，对扫描测量获得的全部测量线上的点云数据进行曲线拟合，并对拟合后的曲线进行排序、分割和延长处理；
步骤5.对步骤4分割和延长处理后的全部曲线，根据步骤1全局坐标***一参数进行坐标统一变换，生成全息干涉测量***的全部测量路径，四轴联动设备驱动全息干涉测量***按测量路径实施对被测工件的扫描测量，获得被测工件表面的精密点云数据。
2.根据权利要求1所述的一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法，其特征在于：步骤1中线结构光扫描测量***与全息干涉测量***的全局坐标系的统一参数标定方法是：
A.将带有规则排列标志点的平面标定板固定在四轴联动设备的工作台上，利用线结构光扫描测量***和全息干涉测量***分别对一组不同安装姿态下的平面标定板进行数据采集，其中线结构光扫描测量***是应用其两台摄像机拍摄标定板的图像，而全息干涉测量***采集的是标定板表面的点云数据；
B.基于A采集的一组图像对线结构光扫描测量***进行参数标定，标定出***的内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数，两台摄像机之间的旋转矩阵和平移向量；
C.利用B标定获取的内部和外部参数和采集获得的标定板对应标志点信息，进行标定板上的标志点三维重建；
D.基于C的三维重建结果，采用随机一致性算法进行平面拟合，获取每一个姿态下标定板的拟合平面；
E.计算A中全息干涉测量***获取的标定板表面的点云数据到D拟合平面的距离，通过最小化点到平面的距离来求解全局坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，完成坐标系的统一标定。
3.根据权利要求1所述的一种线结构光驱动全息干涉的精密三维测量方法，其特征在于：步骤2中的曲线拟合的方法是：
获取被测工件零件表面的一组测量线上的点云数据，依据每组测量线上的点云数据进行该曲线的拟合方法是：采用了三次B样条插值拟合方法，数学表达式如下：
Figure FDA0002236727880000031
式中Bi为控制顶点，k为B样条的次数，这里选为3，Ni,k为标准B样条基函数，参数t构成的参数集T＝{t0,t1,…tn+k-1,tn+k}，具体的求解过程是通过采集得到的一系列坐标点构造B样条的控制点方程组，利用克劳特三角分解，求解控制点，然后带入上述公式，求出整条B样条曲线。
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