逆向工程中基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量系统研究

　　0　引言

　　三坐标测量机(Coordinate Measuring Ma-chine,CMM)一般采用基于三维力—位移传感原理的接触式测量头,其主要优点是测量精度高,适应性强,但测量效率低,而且对一些软质表面无法进行测量,尤其在逆向工程中需要获取被测物体的大量表面测量数据,这种普通的单点接触式测量方法很难满足要求。本文旨在研究将非接触式的线结构光视觉传感器集成到CMM的测量框架下,建立视觉传感器新的集成测量模型,实现测量结果由空间相对坐标到CMM坐标系的转移,为CMM提供一种测量速度快、数据量大,精度适中的光学测头,从而扩大CMM的应用领域,提高测量效率,并为开发基于线结构光视觉传感器与CMM信息集成技术新型坐标测量系统打下技术基础。

　　1　逆向工程中光学坐标测量系统的结构框架

　　图1是基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量系统的硬件结构框图,主要设备有Carl Zeiss三坐标测量机;自行开发研制的线结构光机器视觉测量系统, SUN4/75工作站等。在视觉传感器中所用的线光源是由半导体激光器光束经圆柱面镜反射扩展而成,能量接受器件采用面阵CCD摄像机,并配有分辨率为768*576的图象采集卡。测量软件主要有传感器的建模程序,激光光刀图象的滤波、分割以及光刀中心坐标的亚象素坐标的提取等应用程序。

　　此外,在SUN工作站安装有SDRC(Structural Dy-namics Research Corporation)的IDEAS软件,其具有较强的几何建模功能,设计结果生成IGS文件(表示零件的几何信息)和一中性文件(表示零件的尺寸、公差、技术要求等信息)。测量时将视觉传感器固定在CMM的横梁滑块上,在CMM精密伺服机构的驱动下可以在CMM的X-Y坐标平面上运动,实现对被测物体的扫描。系统各部分之间指令与各种信息的传递是通过计算机网络完成的。

　　2　光学坐标测量系统的功能模块及关键技术

　　2.1　光学坐标测量系统的功能结构

　　测量系统主要由4个功能模块组成:集成测量系统建模、视觉传感器测量视角规划、测量数据的预处理、多视角测量数据的配准与拼接。测量系统功能结构框图如图2所示。以下介绍各功能模块。

　　2.2　线结构光视觉传感器与CMM集成测量模型的建立与标定技术

　　线结构光视觉传感器实质上是二维坐标传感系统,测量时需要由精密的伺服机构驱动对被测物体进行扫描。集成系统利用二维视觉传感器进行三维测量的原理如图3所示,其中视觉传感器提供Ys和Zs方向的坐标值,Xs坐标由CMM给出。集成系统建模有两方面内容:(1)视觉传感器映射模型的建立,即建立CCD摄像机图象坐标系与两维相对空间坐标的映射关系;(2)将视觉传感器集成到CMM测量坐标系下,实现测量数据由视觉传感器空间相对坐标系到CMM测量坐标系的转换。对于视觉传感器的建模,一般采用摄像机小孔模型与标定光平面方程的方法,但由于通常采用摄像机镜头的径向畸变模型并不能代表所有镜头的实际情况,因此影响了传感器模型的精度,为此本文提出了用二元三次B样条函数来逼近传感器由图象坐标系到空间相对坐标系之间的映射关系,提高了测量精度。另一方面提出了一种仿射坐标系下的集成测量模型,将视觉传感器集成到CMM测量坐标下,实现了测量坐标系的统一,并且给出了相应的标定算法。详细过程见文献[2]。