多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法與系統的制作方法
【專利摘要】一種多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法及其測量系統，解決了復雜曲面零件在進行光學測量時精度、效率和數據完整性的問題。該方法借助于面結構光對反光復雜曲面進行快速測量，對面結構光測量獲得的測量數據進行分割，確定測量數據孔洞和不連續區域，采用錐光偏振全息測頭對數據孔洞和不連續區域進行二次測量，同時通過多傳感器的全局標定和優化配準方法將面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器測得的點云數據統一在同一坐標系下，最終獲得零件完整的三維點云數據，本發明的測量系統包括精密的四軸運動控制系統和組合光學測頭兩部分。實現了反光復雜曲面零件的高效率、高精度測量。
【專利說明】多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法與系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密測量領域，具體涉及多光學傳感器協同快速精密三維測量系統與方法。它尤其適用于航空發動機、燃氣輪機葉片等復雜曲面零件的非接觸快速精密測量。
技術背景
[0002]復雜曲面零件由于具有高性能表面，形狀復雜，測量難度大，現有的技術無法同時實現高精度、高效率無涂覆測量的目的。比如葉片是航空發動機、燃氣輪機中極為關鍵的零件，它的工作環境十分惡劣，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制造企業提出了百分之百全檢的要求。葉片型面是根據其截面線形狀或帶有輪廓、彎角、扭曲等參數的三維特征曲面設計的。目前主要應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、扭轉角、彎角和弦長，尤其是前后緣半徑等參數的準確測量。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，由于三軸聯動，很難完全實現法向測量，而法向誤差補償算法復雜、精度差；在曲率變化劇烈處(如葉片前后緣)，實現精確測量難度大；成本高、周期長(特別是大尺寸葉片)，獲得基本數據需要大約30 -40分鐘的時間，獲得全部數據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，發明一種新的快速、精密、低成本的測量系統與方法將是十分有意義的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法，實現復雜曲面零件快速測量和零件細節的準確測量。面結構光測量技術雖然測量速度快，但是對復雜曲面零件應用結構光進行光學非接觸式測量時，難以保證測量數據的完整性、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，但是這種技術測量速度慢。本發明將面結構光視覺快速測量和錐光偏振全息精密測量方法相結合，測量復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化配準方法，將面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器測得的點云數據統一在同一坐標系下，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，方法簡單、魯棒性好、可以獲得較高的全局標定精度。最終實現了復雜曲面零件的高效率、高精度測量。
[0005]本發明實現發明目的采用的技術方案是，該測量方法包括如下步驟:
[0006]步驟1、標定面結構光視覺傳感器的參數，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉臺的軸線與面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關系；
[0007]步驟2、應用面結構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據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面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結構光視覺傳感器掃描得到的點云數據P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數據P2與已擬合出的、作為起始平面的 f4平面進行特征匹配，以確定點云數據P1和P2的對應點集；
[0008]步驟3、利用單位四元數球上的聚類方法求解旋轉矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統一轉換矩陣和平移向量，完成統一坐標，使得面結構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、使用面結構光與錐光偏振全息組合的方法測量復雜曲面零件，將獲得的三維點云數據在統一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數據。
[0010]本發明實現發明目的采用的測量系統是，該測量系統包括如下組成:
[0011]由面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器組成組合光學測頭，本發明測量系統由組合光學測頭、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軸絲桿導軌、Y軸絲桿導軌及與Y軸絲桿導軌平行的輔助導軌、Z軸絲桿導軌、由伺服電機控制的旋轉臺、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軸絲桿導軌(10)相連接；
[0014]將所述Z軸絲桿導軌(10)通過由伺服電機控制的可滑動基座一(4)與X軸絲桿導軌⑶相連接；
[0015]所述X軸絲桿導軌(3)的一端通過由伺服電機控制的可滑動基座二(16)與Y軸絲桿導軌(15)相連接，所述X軸絲桿導軌(3)的另一端通過可滑動基座四(17)與一個平行于Y軸絲桿導軌(15)的輔助導軌(12)相連接；
[0016]夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉臺(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臺(7)固定連接；
[0018]Y軸絲桿導軌(15)通過支架(9)與底座平臺(8)固定連接，所述輔助導軌(12)通過支架(11、13、14)與底座平臺固定連接。
[0019]下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1本發明測量方法工作流程圖；
[0021]圖2本發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本發明測量系統的主視圖；
[0027]圖8本發明測量系統的俯視圖。
【具體實施方式】
[0028]本發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，使得面結構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；然后用組合光學測頭中的面結構光視覺傳感器對復雜曲面零件進行快速測量，獲得零件的海量三維點云數據，對點云數據進行處理，確定測量數據孔洞和不連續區域，由4軸控制系統帶動錐光偏振全息傳感器運動到相應的位置進行精細測量，最終獲得零件的完整點云數據。工作流程如圖1。
[0029]本發明提供的測量方法包括如下步驟:
[0030]步驟1、標定面結構光視覺傳感器的參數，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉臺的軸線與面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關系；
[0031]步驟2、應用面結構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據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面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結構光視覺傳感器掃描得到的點云數據P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數據P2與已擬合出的、作為起始平面的
f4平面進行特征匹配，以確定點云數據P1和P2的對應點集；
[0032]步驟2的具體過程如圖2.分別應用面結構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據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據所對應的平面f\、f2、f3和f4。以平面和f4為起始平面，設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據P1和P2的交點并編號，進而確定點云數據P1和P2的對應點，本發明中的偏置步距設置為1mm。
[0033]步驟3、利用單位四元數球上的聚類方法求解旋轉矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統一轉換矩陣和平移向量，完成統一坐標，使得面結構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]由于本發明的協同組合測量系統的面結構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，每個測量數據描述的都是同一個物體，因此可以認為是被測物體經過剛體變換，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一轉換矩陣和平移向量，就完成了全局坐標系標定統一，使得面結構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、使用面結構光與錐光偏振全息組合的方法測量復雜曲面零件，將獲得的三維點云數據在統一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數據。
[0036]本發明實施例中，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，其結構如圖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；根據面結構光視覺測量和錐光偏振全息測量原理設計，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，數據處理容易，利于尋找對應點特征，從而提聞標定的效率和減少人為的影響。
[0038]本發明實施例中，所述的步驟3中，求解旋轉矩陣R和平移矢量T的具體方法為:應用單位四元數法、奇異值分解法(SVD)、正交矩陣法和對偶四元數法等方法，利用公式(I)求解旋轉矩陣R和平移向量τ。
[0039]
【權利要求】
1.一種多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法，其使用的測量系統包括四軸運動控制系統和組合光學測頭兩部分，該方法借助于面結構光對反光復雜曲面進行快速測量，對面結構光測量獲得的測量數據進行分割，確定測量數據孔洞和不連續區域，采用錐光偏振全息測頭對數據孔洞和不連續區域進行二次測量，其特征在于:該測量方法由以下步驟實現: 步驟1、標定面結構光視覺傳感器的參數，標定錐光偏振全息傳感器的坐標原點，標定旋轉臺的軸線與面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器的位置關系； 步驟2、應用面結構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據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面，它與和f2相交、與f3不相交；把面結構光視覺傳感器掃描得到的點云數據P1和錐光偏振全息傳感器掃描得到的點云數據P2與已擬合出的、作為起始平面的f\、f4平面進行特征匹配，以確定點云數據P1和P2的對應點集； 步驟3、利用單位四元數球上的聚類方法求解旋轉矩陣，以求均值的方法得到平移矢量，標定出全局坐標統一轉換矩陣和平移向量，完成統一坐標，使得面結構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、使用面結構光與錐光偏振全息組合的方法測量復雜曲面零件，將獲得的三維點云數據在同一坐標下合成，最終獲得零件的完整三維點云數據。
2.根據權利要求1所述的多光學傳感器協同的復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.根據權利要求1所述的多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法，其特征在于:所述的步驟3中，求解旋轉矩陣R和平移矢量T的具體方法為:應用單位四元數法、奇異值分解法(SVD)、正交矩陣法和對偶四元數法等方法，利用公式(I)求解旋轉矩陣R和平移向量T。
4.根據權利要求1所述的多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法，其特征在于:所述步驟4獲得復雜曲面零件完整三維點云數據的具體步驟為: 步驟1、使用面結構光測量方法，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點，用三角原理計算被測量反光復雜曲面的深度信息，獲得反光復雜曲面在所述統一坐標下的三維點云數據； 步驟2、對步驟I獲得的三維點云數據進行分割，規定鄰域點的數量為K，計算鄰域點的特征值，依據鄰域點的特征值確定鄰域點的局部曲率和法向量，根據特征值來確定數據孔洞和不連續區域的邊界點，按照順序將確定的邊界點連接成多邊形折線形成數據孔洞和不連續區域的邊界，對邊界進行偏置擴大并投影到點云數據上形成新的邊界，刪除數據孔洞和不連續區域邊界和新投影形成邊界之間的點云數據；所述的鄰域點中數據孔洞和不連續區域的邊界點的確定依據為: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數據分割結果，將處理后的不連續區域作為錐光偏振全息測量的區域，對這些區域編號，建立錐光偏振全息測量待測量區域列表； 步驟4、依據步驟3建立錐光偏振全息測量待測量區域列表中的區域編號，對數據孔洞和不連續區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、依據步驟5計算出增加點的Χ、Υ、Ζ坐標，由測量系統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和孔洞位置數據與結構光測量方法得到的點云模型內部的數據在統一坐標下合成，得到復雜曲面零件測量的完整點云數據。
5.一種復雜曲面零件的測量系統，根據權利要求1所述的多光學傳感器協同的復雜曲面零件三維測量方法對復雜曲面進行測量，由面結構光視覺傳感器和錐光偏振全息傳感器組成組合光學測頭，該測量系統由組合光學測頭、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軸絲桿導軌、Y軸絲桿導軌及與Y軸絲桿導軌平行的輔助導軌、Z軸絲桿導軌、由伺服電機控制的旋轉臺、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軸絲桿導軌(10)相連接； 將所述Z軸絲桿導軌(10)通過由伺服電機控制的可滑動基座一(4)與X軸絲桿導軌(3)相連接； 所述X軸絲桿導軌(3)的一端通過由伺服電機控制的可滑動基座二(16)與Y軸絲桿導軌(15)相連接，所述X軸絲桿導軌(3)的另一端通過可滑動基座四(17)與一個平行于Y軸絲桿導軌(15)的輔助導軌(12)相連接；夾具(6)與由伺服電機控制的旋轉臺(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臺(7)固定連接； Y軸絲桿導軌(15)通過支架(9)與底座平臺(8)固定連接，所述輔助導軌(12)通過支架(11、13、14)與底座平臺固定連接。
6.根據權利要求5所述的一種復雜曲面零件的測量系統，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 優先權日:2013年7月18日
【發明者】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