三坐标激光扫描仪的误差模型

　　0　引言

　　三坐标激光扫描仪是三坐标测量设备中的一类非接触式测量仪器。它在机械产品三维重构、非接触式实物测量等诸多方面得到广泛的应用[1]。通过三坐标扫描仪可以对真实物体的立体信息进行快速、方便的三维扫描并转化为计算机数字信号,为逆向工程和三维重构提供一种有效的手段。但是由于测量误差的存在往往会导致扫描结果失真,所以分析三坐标扫描仪的测量误差,建立其误差模型,并研究一种准确、有效、简单的误差标定方法用于减小设计模型反求、再设计、优化与制造过程中的失真具有重要的意义。文献[1]研究了三坐标激光测量机的误差来源和测量方法。文献[2]提出了激光三角扫描测量系统的光学模型和内标定方法。文献[3]分析了激光扫描系统的数字化误差,给出了系统误差与扫描深度和投影角的关系。文献[4]研究了集成结构光传感器的激光扫描系统的误差模型和标定方法。文献[5]提出采用单个球靶标定激光扫描系统结构参数的方法。目前关于四轴及以上的激光扫描仪运动系统误差建模和分析还很少见。作者以所在实验室某型三坐标扫描仪为例,针对性地提出三坐标扫描仪的误差建模方法。所建模型和方法对各种类型的三坐标测量设备具有借鉴或参考作用。

　　1　三坐标激光扫描仪概述

　　三坐标激光扫描仪系统由主机部分、控制系统、计算机部分以及系统连线组成。主机是三坐标扫描仪的主体部分,主要包括x、y、z轴和回转工作台、CCD测头系统、伺服驱动、工作台和底座等,其实物如图1 (a)所示,而其刚体模型如图1 (b)所示。图1中工作台(包括底座)是固定不动的,x轴、y轴和z轴丝杠转动可以使镜头沿3个方向的导轨移动,回转工作台用于旋转扫描中实现物体的转动。这种形式的三坐标扫描仪结构简单、紧凑、刚度好,具有较开阔的测量空间,工件放置在固定的工作台上,承载能力强,工件质量对扫描仪动态性能影响小。

　　2　三坐标激光扫描仪的误差模型

　　三坐标激光扫描仪的测量不确定度导致三坐标扫描仪误差的产生。为了研究这一误差,需要为扫描仪建立一个简化的运动模型。并在运动模型的基础上推导出各项原始误差对扫描仪不确定度产生的传递系数以及各种误差的合成关系,最终建立误差模型。三坐标扫描仪的误差模型又称为机器模型,它描述的是各种几何误差对扫描仪不确定度的影响,即三坐标扫描仪的几何模型。本文在建立误差模型时把三坐标扫描仪的各个运动部件看成是准刚体,它们的运动可以完全用刚体运动规律描述。误差模型建立过程中不考虑扫描测量过程中产生的动态误差、镜头瞄准过程中产生的探测误差、扫描仪本身的力变形误差以及热变形误差等,但能以足够的精度反应扫描仪的实际情况。