激光三角测头的动态仿形跟踪扫描

　　1　引　言

　　随着制造业的加工精度和自动化程度的不断提高,特别是航空航天、汽车工业和模具工业的发展,对自由曲面的高精度快速测量的要求越来越迫切。非接触式三坐标测量机以其测量速度快的优势,已成为一种理想的测量装备。激光三角测头式三坐标测量机因其测头分辨率高、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量准确度高等特点而被广泛应用[1]。但是不同的激光三角测头一般最佳测量范围都不同,在连续自动扫描时,由于被测面的形状变化,要求测头始终保持在最佳测量范围内以提高测量精度和测量效率[2,3],进而形成了三坐标测量机的动态仿形跟踪技术[4]。所谓仿形跟踪是根据被测表面的形状,使测头和工件表面保持固定距离,使得测头的运动轨迹尽可能与被测表面变化近似。在仿形跟踪过程中,如何确定扫描速度vc与跟动速度vg成为关键性问题。

　　本文给出了一种确定三轴联动式三坐标测量机动态仿形跟踪扫瞄过程中,求其扫描速度与跟动速度的方法。并以一测量实例为例进行动态仿形跟踪扫瞄,验证了方法的正确性。

　　2　系统测量原理

　　研究所用的测量机在结构上为两轴作直线运动,另一轴作回转运动,三轴分别由三台步进电机驱动,测头采用的是测距式点光源激光测头,系统结构简图如图1所示。其中回转轴轴心通过X、Z轴所确定的激光测头运动平面,而且激光测头根据测量的需要可在水平面和竖直面内做准确定位的自由转动。在整个测量过程中,采用逐点扫描的方式进行,通过控制X、Z轴和旋转轴的运动及调整测头的水平转角和竖直转角,来达到采集被测表面点的三维数据的目的。工作过程中,旋转工作台旋转,X轴、Z轴步进电机带动激光测头跟动扫描。

　　激光三角测头的主要组成部分有激光二极管、准直仪、接收镜片、位置敏感探测器(PSD)等。激光二极管发出的激光经聚焦透镜后,投射到被测物体表面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汇聚到成像透镜的焦平面上,此处放置光电接收器PSD。当漫反射光斑随被测物体表面起伏时,成像光点在光电接收器上作相应的移动。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面的位移量,激光束如同接触测量的机械探针,可确定被测表面测点的位置[5]。本文以德国SICK公司生产的CD-100激光测距测头为例分析仿形跟踪扫描,该测头的测量范围为65~135mm,最佳测量范围为90~100mm。

　　3　仿形跟踪扫瞄分析

　　3.1　最大扫描速度的确定

　　如图2,扫描过程中,测头作微小移动,可以认为移动前后两点之间的曲线为一斜线段。设扫描速度为v,曲面上测点处的切线斜率为k,输入信号x在Δt时间内的变化量为Δx,则有关系式: