多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法及其測量系統(tǒng)，解決了復(fù)雜曲面零件在進行光學(xué)測量時精度、效率和數(shù)據(jù)完整性的問題。該方法借助于面結(jié)構(gòu)光對反光復(fù)雜曲面進行快速測量，對面結(jié)構(gòu)光測量獲得的測量數(shù)據(jù)進行分割，確定測量數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域，采用錐光偏振全息測頭對數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域進行二次測量，同時通過多傳感器的全局標定和優(yōu)化配準方法將面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器測得的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系下，最終獲得零件完整的三維點云數(shù)據(jù)，本發(fā)明的測量系統(tǒng)包括精密的四軸運動控制系統(tǒng)和組合光學(xué)測頭兩部分。實現(xiàn)了反光復(fù)雜曲面零件的高效率、高精度測量。
【專利說明】多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法與系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及多光學(xué)傳感器協(xié)同快速精密三維測量系統(tǒng)與方法。它尤其適用于航空發(fā)動機、燃氣輪機葉片等復(fù)雜曲面零件的非接觸快速精密測量。
技術(shù)背景
[0002]復(fù)雜曲面零件由于具有高性能表面，形狀復(fù)雜，測量難度大，現(xiàn)有的技術(shù)無法同時實現(xiàn)高精度、高效率無涂覆測量的目的。比如葉片是航空發(fā)動機、燃氣輪機中極為關(guān)鍵的零件，它的工作環(huán)境十分惡劣，同時承受氣動力和離心力等多重載荷，任何制造缺陷都會影響到發(fā)動機的最終工作效率和使用壽命。因此，越來越多的葉片生產(chǎn)制造企業(yè)提出了百分之百全檢的要求。葉片型面是根據(jù)其截面線形狀或帶有輪廓、彎角、扭曲等參數(shù)的三維特征曲面設(shè)計的。目前主要應(yīng)用的測量方法為專用量具或三坐標測量機。他們都無法完全滿足葉片截面線、扭轉(zhuǎn)角、彎角和弦長，尤其是前后緣半徑等參數(shù)的準確測量。而且這兩種方法還有如下問題，專用量具測量精度低、勞動強度大；每一個型號的葉片需要制造多套量具，成本高、周期長、制造難度大。三坐標測量只能測量有限個葉片截面型線，獲得的信息有限(兩個型線之間可能超差)；在對葉片測量時，由于三軸聯(lián)動，很難完全實現(xiàn)法向測量，而法向誤差補償算法復(fù)雜、精度差；在曲率變化劇烈處(如葉片前后緣)，實現(xiàn)精確測量難度大；成本高、周期長(特別是大尺寸葉片)，獲得基本數(shù)據(jù)需要大約30 -40分鐘的時間，獲得全部數(shù)據(jù)需要花費幾個小時甚至更長時間，而且目前的方法更無法滿足全測全檢的需求。
[0003]綜上，發(fā)明一種新的快速、精密、低成本的測量系統(tǒng)與方法將是十分有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法，實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件快速測量和零件細節(jié)的準確測量。面結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)雖然測量速度快，但是對復(fù)雜曲面零件應(yīng)用結(jié)構(gòu)光進行光學(xué)非接觸式測量時，難以保證測量數(shù)據(jù)的完整性、精度；而錐光偏振全息方法雖然可以測量任何光亮度的金屬表面零件而且測量精度高，但是這種技術(shù)測量速度慢。本發(fā)明將面結(jié)構(gòu)光視覺快速測量和錐光偏振全息精密測量方法相結(jié)合，測量復(fù)雜曲面零件時具有測量速度快、精度高的特點，同時通過多傳感器的全局標定和優(yōu)化配準方法，將面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器測得的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系下，在全局標定過程中以具有三個相交平面的簡單模板為基礎(chǔ)，方法簡單、魯棒性好、可以獲得較高的全局標定精度。最終實現(xiàn)了復(fù)雜曲面零件的高效率、高精度測量。
[0005]本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，該測量方法包括如下步驟:
[0006]步驟1、標定面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的參數(shù)，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉(zhuǎn)臺的軸線與面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關(guān)系；
[0007]步驟2、應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器分別對多面體標準塊進行測量，分別獲得多面體標準塊的點云數(shù)據(jù)P1和P2 ;用P2擬合出f1、f2> f3三個平面;f4為多面體標準塊的側(cè)面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P2與已擬合出的、作為起始平面的 f4平面進行特征匹配，以確定點云數(shù)據(jù)P1和P2的對應(yīng)點集；
[0008]步驟3、利用單位四元數(shù)球上的聚類方法求解旋轉(zhuǎn)矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量，完成統(tǒng)一坐標，使得面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器工作在同一坐標系下；
[0009]步驟4、使用面結(jié)構(gòu)光與錐光偏振全息組合的方法測量復(fù)雜曲面零件，將獲得的三維點云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數(shù)據(jù)。
[0010]本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的測量系統(tǒng)是，該測量系統(tǒng)包括如下組成:
[0011]由面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器組成組合光學(xué)測頭，本發(fā)明測量系統(tǒng)由組合光學(xué)測頭、四軸運動控制部分、支架三個部分組成，其特征在于:
[0012]四軸運動控制部分主要由X軸絲桿導(dǎo)軌、Y軸絲桿導(dǎo)軌及與Y軸絲桿導(dǎo)軌平行的輔助導(dǎo)軌、Z軸絲桿導(dǎo)軌、由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺、由伺服電機控制的可滑動基座一、由伺服電機控制的可滑動基座二、由伺服電機控制的可滑動基座三、可滑動基座四組成；
[0013]組合光學(xué)測頭(2)通過由伺服電機控制的可滑動基座三(I)與Z軸絲桿導(dǎo)軌(10)相連接；
[0014]將所述Z軸絲桿導(dǎo)軌(10)通過由伺服電機控制的可滑動基座一(4)與X軸絲桿導(dǎo)軌⑶相連接；
[0015]所述X軸絲桿導(dǎo)軌(3)的一端通過由伺服電機控制的可滑動基座二(16)與Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)相連接，所述X軸絲桿導(dǎo)軌(3)的另一端通過可滑動基座四(17)與一個平行于Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)的輔助導(dǎo)軌(12)相連接；
[0016]夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺(7)的上表面固定連接；
[0017]被測零件(5)通過夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺(7)固定連接；
[0018]Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)通過支架(9)與底座平臺(8)固定連接，所述輔助導(dǎo)軌(12)通過支架(11、13、14)與底座平臺固定連接。
[0019]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明測量方法工作流程圖；
[0021]圖2本發(fā)明測量方法全局坐標系標定流程圖；
[0022]圖3全局坐標系標定用多面體標準塊示意圖；
[0023]圖4全局坐標系標定用多面體標準塊制作坐標示意圖:
[0024]圖5全局坐標系標定用多面體標準塊平面角度示意圖；
[0025]圖6全局坐標系標定用多面體標準塊f2平面角度示意圖；
[0026]圖7本發(fā)明測量系統(tǒng)的主視圖；
[0027]圖8本發(fā)明測量系統(tǒng)的俯視圖。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明測量方法的工作原理是:首先對組合測頭進行全局坐標系標定，使得面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和椎光偏振全息傳感器工作在同一坐標系下；然后用組合光學(xué)測頭中的面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對復(fù)雜曲面零件進行快速測量，獲得零件的海量三維點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)進行處理，確定測量數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域，由4軸控制系統(tǒng)帶動錐光偏振全息傳感器運動到相應(yīng)的位置進行精細測量，最終獲得零件的完整點云數(shù)據(jù)。工作流程如圖1。
[0029]本發(fā)明提供的測量方法包括如下步驟:
[0030]步驟1、標定面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的參數(shù)，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉(zhuǎn)臺的軸線與面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關(guān)系；
[0031]步驟2、應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器分別對多面體標準塊進行測量，分別獲得多面體標準塊的點云數(shù)據(jù)P1和P2 ;用P2擬合出f1、f2、f3三個平面;f4為多面體標準塊的側(cè)面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P2與已擬合出的、作為起始平面的
f4平面進行特征匹配，以確定點云數(shù)據(jù)P1和P2的對應(yīng)點集；
[0032]步驟2的具體過程如圖2.分別應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器對多面體標準塊進行測量，獲得多面體標準塊的點云數(shù)據(jù)P1和p2，由于使用P2擬合出的f1、f2、f3S個平面測量精度較高，所以在全局標定過程中以這三個平面作為基準平面。平面f1、f2、f3的法向量分別為In2和n3。通過法向量對多面體標準塊平面進行編號，確定兩個傳感器獲得點云數(shù)據(jù)所對應(yīng)的平面f\、f2、f3和f4。以平面和f4為起始平面，設(shè)置固定的步距值進行偏置平面，分別求解起始平面與點云數(shù)據(jù)P1和P2的交點并編號，進而確定點云數(shù)據(jù)P1和P2的對應(yīng)點，本發(fā)明中的偏置步距設(shè)置為1mm。
[0033]步驟3、利用單位四元數(shù)球上的聚類方法求解旋轉(zhuǎn)矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量，完成統(tǒng)一坐標，使得面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器工作在同一坐標系下；
[0034]由于本發(fā)明的協(xié)同組合測量系統(tǒng)的面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器都是對同一個物體進行測量，每個測量數(shù)據(jù)描述的都是同一個物體，因此可以認為是被測物體經(jīng)過剛體變換，從全局坐標系中從一個位置變換到另外一個位置。因此求解出全局坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量，就完成了全局坐標系標定統(tǒng)一，使得面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器工作在同一坐標系下。
[0035]步驟4、使用面結(jié)構(gòu)光與錐光偏振全息組合的方法測量復(fù)雜曲面零件，將獲得的三維點云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數(shù)據(jù)。
[0036]本發(fā)明實施例中，所述的步驟2中，多面體標準塊及其用作基準平面的f\、f2、f3的三個平面的特征為:在正方體上制作兩個傾斜角度分別為α、β的斜面f3為與f\、&相交的上表面。
[0037]多面體標準塊幾何特征簡單，其結(jié)構(gòu)如圖3。制作時首先確定坐標，如圖4。在正方體上制作兩個傾斜角度分別為α、β的斜面f\、f2,分別如圖5、圖6,標定時僅利用兩個傾斜平面f\、f2和上表面f3三個相交平面即可，制作相對容易，制作精度高、費用低；根據(jù)面結(jié)構(gòu)光視覺測量和錐光偏振全息測量原理設(shè)計，測量過程中比其他特征獲取更充足的點云信息且噪聲小，可以顯著提高標定的精度；而且使用平面作為標定的匹配特征，數(shù)據(jù)處理容易，利于尋找對應(yīng)點特征，從而提聞標定的效率和減少人為的影響。
[0038]本發(fā)明實施例中，所述的步驟3中，求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T的具體方法為:應(yīng)用單位四元數(shù)法、奇異值分解法(SVD)、正交矩陣法和對偶四元數(shù)法等方法，利用公式(I)求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量τ。
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法，其使用的測量系統(tǒng)包括四軸運動控制系統(tǒng)和組合光學(xué)測頭兩部分，該方法借助于面結(jié)構(gòu)光對反光復(fù)雜曲面進行快速測量，對面結(jié)構(gòu)光測量獲得的測量數(shù)據(jù)進行分割，確定測量數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域，采用錐光偏振全息測頭對數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域進行二次測量，其特征在于:該測量方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟1、標定面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的參數(shù)，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉(zhuǎn)臺的軸線與面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關(guān)系； 步驟2、應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器分別對多面體標準塊進行測量，分別獲得多面體標準塊的點云數(shù)據(jù)P1和P2 ;用P2擬合出f\、f2、f3三個平面;f4為多面體標準塊的側(cè)面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數(shù)據(jù)P2與已擬合出的、作為起始平面的f\、f4平面進行特征匹配，以確定點云數(shù)據(jù)P1和P2的對應(yīng)點集； 步驟3、利用單位四元數(shù)球上的聚類方法求解旋轉(zhuǎn)矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量，完成統(tǒng)一坐標，使得面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器工作在同一坐標系下； 步驟4、使用面結(jié)構(gòu)光與錐光偏振全息組合的方法測量復(fù)雜曲面零件，將獲得的三維點云數(shù)據(jù)在同一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法，其特征在于:所述的步驟2中，多面體標準塊及其用作基準平面的f\、f2、f3的三個平面的特征為:在正方體上制作兩個傾斜角度分別為α、β的斜面f\、f2。f3為與f\、f2相交的上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法，其特征在于:所述的步驟3中，求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T的具體方法為:應(yīng)用單位四元數(shù)法、奇異值分解法(SVD)、正交矩陣法和對偶四元數(shù)法等方法，利用公式(I)求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法，其特征在于:所述步驟4獲得復(fù)雜曲面零件完整三維點云數(shù)據(jù)的具體步驟為: 步驟1、使用面結(jié)構(gòu)光測量方法，利用相位值約束和極線約束找到雙目立體視覺左右圖像的對應(yīng)點，用三角原理計算被測量反光復(fù)雜曲面的深度信息，獲得反光復(fù)雜曲面在所述統(tǒng)一坐標下的三維點云數(shù)據(jù)； 步驟2、對步驟I獲得的三維點云數(shù)據(jù)進行分割，規(guī)定鄰域點的數(shù)量為K，計算鄰域點的特征值，依據(jù)鄰域點的特征值確定鄰域點的局部曲率和法向量，根據(jù)特征值來確定數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域的邊界點，按照順序?qū)⒋_定的邊界點連接成多邊形折線形成數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域的邊界，對邊界進行偏置擴大并投影到點云數(shù)據(jù)上形成新的邊界，刪除數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域邊界和新投影形成邊界之間的點云數(shù)據(jù)；所述的鄰域點中數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域的邊界點的確定依據(jù)為:該點的三個特征值中，最小特征值趨近于O，其他二個特征值具有一定的差值； 步驟3、對步驟2數(shù)據(jù)分割結(jié)果，將處理后的不連續(xù)區(qū)域作為錐光偏振全息測量的區(qū)域，對這些區(qū)域編號，建立錐光偏振全息測量待測量區(qū)域列表； 步驟4、依據(jù)步驟3建立錐光偏振全息測量待測量區(qū)域列表中的區(qū)域編號，對數(shù)據(jù)孔洞和不連續(xù)區(qū)域進行基于局部曲面曲率的填充，填充完成后對這些填充點進行實時的法向量計算; 步驟5、對步驟4每個填充點的法向量上增加一點，增加點與填充點的距離等于錐光偏振全息測頭給定的測量距離，然后計算出增加點的X、Y、Z坐標； 步驟6、依據(jù)步驟5計算出增加點的Χ、Υ、Ζ坐標，由測量系統(tǒng)的多軸精密控制部分帶動錐光偏振全息測頭運動到增加點實時對該點進行測量； 步驟7、將錐光偏振全息方法測得的點云不連續(xù)和孔洞位置數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)光測量方法得到的點云模型內(nèi)部的數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標下合成，得到復(fù)雜曲面零件測量的完整點云數(shù)據(jù)。
5.一種復(fù)雜曲面零件的測量系統(tǒng)，根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光學(xué)傳感器協(xié)同的復(fù)雜曲面零件三維測量方法對復(fù)雜曲面進行測量，由面結(jié)構(gòu)光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器組成組合光學(xué)測頭，該測量系統(tǒng)由組合光學(xué)測頭、四軸運動控制部分、支架三個部分組成，其特征在于: 四軸運動控制部分主要由X軸絲桿導(dǎo)軌、Y軸絲桿導(dǎo)軌及與Y軸絲桿導(dǎo)軌平行的輔助導(dǎo)軌、Z軸絲桿導(dǎo)軌、由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺、由伺服電機控制的可滑動基座一、由伺服電機控制的可滑動基座二、由伺服電機控制的可滑動基座三、可滑動基座四組成； 組合光學(xué)測頭(2)通過由 伺服電機控制的可滑動基座三(I)與Z軸絲桿導(dǎo)軌(10)相連接； 將所述Z軸絲桿導(dǎo)軌(10)通過由伺服電機控制的可滑動基座一(4)與X軸絲桿導(dǎo)軌(3)相連接； 所述X軸絲桿導(dǎo)軌(3)的一端通過由伺服電機控制的可滑動基座二(16)與Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)相連接，所述X軸絲桿導(dǎo)軌(3)的另一端通過可滑動基座四(17)與一個平行于Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)的輔助導(dǎo)軌(12)相連接；夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺(7)的上表面固定連接； 被測零件(5)通過夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉(zhuǎn)臺(7)固定連接； Y軸絲桿導(dǎo)軌(15)通過支架(9)與底座平臺(8)固定連接，所述輔助導(dǎo)軌(12)通過支架(11、13、14)與底座平臺固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)雜曲面零件的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的夾具(6)為氣動夾持裝置。
【文檔編號】G01B11/24GK103453849SQ201310303305
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】趙燦, 何萬濤, 車向前, 孟祥林, 張海錄, 梁永波, 程俊廷, 李景賀 申請人:黑龍江科技大學(xué)