光栅扫描技术在复杂曲面数字化检测中的应用

     0　引言

    信息技术的飞速发展为制造业的发展提供了新的平台,数字化模型检测正是在这样背景下产生的。数字化模型检测是指,对加工后的零件,进行数据采集,得到该零件的三维CAD点云数据模型,通过将该模型与原始设计的CAD模型在计算机上进行数据比较,获取模型误差,从而提高检测精度和速度,特别适合复杂表面零件的检测。它是逆向工程技术在生产中的应用之一。

    数据采集是逆向工程的关键部分,数据采集又分为接触式测量和非接触式测量两大类。在非接触式测量中, ATOS(Advanced Topometric Sensor高级外形测量传感器)三维光学测量系统(以下简称ATOS系统)就是其中非常有代表性的一种,它能够快速采集大量实物表面的数据点,并能达到较高的精度,使得ATOS被广泛的应用于制造业的逆向工程中。ATOS系统是一种光测量设备(见图1),是由德国GOM公司生产的,它的中间是传感器头(见图2):由主光源、光栅器件组和2CCD光学测量传感器组成,它采用光栅扫描技术来测量复杂曲面实物,运用数字图像处理技术,获得实物的三维CAD点云数据。

     1　ATOS系统的数据采集原理

     ATOS系统是采用光学系统实现对三维实物表面上的点进行连续和快速测量的设备。其测量速度快,扫描分辨率高,不需接触实物表面,数据点密集,适于外部曲面复杂的实物的测量。它的基本原理是光学三角原理,如图3所示,光源发出的光线经聚焦透镜后,投射到被测物体表而上形成漫反射光斑,作为传感信号,用透镜成像原理将收集到的反射光聚到成像透镜的焦平面上,此处放置CCD。当漫反射光斑随被测物体表而起伏时,成像光点在CCD上做相应的移动。根据像移距离的大小和传感器的结构参数可以确定被测物体表而的位置量可确定被测表面测点的位置.

    图3中:图中,i———入射光,L———透镜,N———成像屏,u———透镜L的物距,v———透镜L的像距,O———L光轴与入射光线i的交点,A———物面上的光点,A′、O′分别是A、O的像点, h———物面上光点相对于基准面M的高度,α———入射光线与光轴的夹角,M′———目标平面,M———参考平面。

    根据透镜成像原理,以入射光与透镜光轴交点所在平面M为基准面,则光点A相对于基准面M的高度h的计算公式为:

式中,u、v、α是系统参数,都是固定值,这样可以由h′计算出h的值。

    ATOS系统的中间传感器头(见图2)配备了一个主光源和光栅器件组,该光栅器件组是一个可规则滑动的光栅,传感器头被固定在支架上,并可很方便地移动。光栅测量就是将光源发出的结构光,经过光栅器组件,产生的连续11种不同间距光栅投射到只贴有参考点的被测实物上,受到表面起伏及曲率的变化,投影光栅影线随此轮廓位置起伏而扭曲变形。通过解调变形光栅影线,就可获得被测表面高度信息。其原理如图4所示。