基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統(tǒng)開發(fā)

林琪鋒

摘要：提出基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統(tǒng)，通過安裝在Z軸上的激光位移傳感器獲取曲面上點的坐標，完成待測曲面的測量并形成曲面點云，進而通過曲面重構(gòu)構(gòu)造所測量的曲面模型。以？準20mm的標準球上半球面重建為例對系統(tǒng)的可行性和有效性進行了測試。測試結(jié)果表明，測量數(shù)據(jù)最大誤差為0.3379mm，精度符合工程要求。

Abstract： Inverse modeling system for 3D surface based on laser displacement sensor is proposed. The laser displacement sensor is installed on the Z axis to obtain the coordinates of points on the surface. And thus the point cloud is form as the surface is measured. Thus the measured surface is reconstructed. Then the reconstruction of surface for a standard ？準20mm ball is performed to verify the feasibility and effectiveness of the system. And the result shows that the maximum error is 0.3379mm， and the accuracy meets the engineering requirements.

關(guān)鍵詞：激光位移傳感器;曲面;逆向建模

Key words： laser displacement sensor;curved surface;inverse modeling

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0140-03

0 ?引言

作為一種自動化技術(shù)，逆向工程廣泛應(yīng)用于新零件設(shè)計、現(xiàn)有零件復(fù)制、破損零件修復(fù)、數(shù)字模型檢驗與精度提高等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)設(shè)計順序截然不同，逆向工程通過測量現(xiàn)有零件獲取模型數(shù)據(jù)重構(gòu)零件模型?，F(xiàn)有零件的方法主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種[2-3]。非接觸式測量方法因其具有不破壞目標表面、測量精度高及相對測量范圍大等優(yōu)點，在機械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。單點激光位移傳感器的測量方法因其具有測量精度高、數(shù)據(jù)量小、頻率響應(yīng)好且不受環(huán)境光源影響等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測[4-5]。隨著IPC（Industrial Personal Computer，工業(yè)個人計算機）和基于Windows的運動控制卡的興起，桌面型運動控制系統(tǒng)蓬勃興起并在工業(yè)生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用[6]。

因此，研究基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模策略，構(gòu)建基于激光位移傳感器、IPC、運動控制卡的三維曲面逆向建模測量平臺，研究Z軸高度自適應(yīng)調(diào)整策略，實現(xiàn)根據(jù)曲面起伏情況自適應(yīng)使目標測量位置位于激光傳感器有效測量范圍內(nèi)，具有重要理論與現(xiàn)實意義。

1 ?系統(tǒng)開發(fā)

基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)由IPC、運動控制卡、三軸運動平臺、激光位移傳感器、采集卡等模塊組成。IPC是系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)三維曲面大小、位置輸出運動指令到運動控制卡中，運動控制卡執(zhí)行運動指令驅(qū)動三軸運動平臺帶動激光位移傳感器進行三維空間運動，使激光位移傳感器運動到三維曲面各個采集點的采集位置。激光位置傳感器到達指定采集位置后，采集卡將激光位移傳感器通過測量獲得的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號，同時IPC通過讀取采集卡轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對三維曲面上各采集點坐標的測量。IPC測量完三維曲面各采集點坐標后，根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行曲面擬合，實現(xiàn)三維曲面重構(gòu)，完成逆向建模。

基于上述系統(tǒng)方案，三維曲面逆向建模系統(tǒng)硬件組成及連線如圖2所示。系統(tǒng)除IPC外，采用24V開關(guān)電源進行供電。IPC通過人機交互形成運動控制指令后，通過100M高速實時以太網(wǎng)接口與IMC運動控制卡進行通信。IMC運動控制卡選用IMC3041E類型，具有4軸運動控制功能，采用RJ45接口通訊，抗干擾性能好。IMC運動控制卡接收到運動執(zhí)行指令后，將X、Y、Z等3軸的脈沖和放線信號分別發(fā)送給3個HBS57步進電機驅(qū)動器，進而分別驅(qū)動三軸運動平臺中X、Y、Z等3個運動軸進行運動，實現(xiàn)所需的三維空間運動。激光位移傳感器安裝在三軸運動平臺的Z軸上，當(dāng)平臺運動到指定測量點時，激光位移傳感器則實時將測量值以模擬量的形式輸出。USB采集卡則實時將激光位移傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送到IPC中。基于交互界面獲取的測量信息，IPC通過不斷輸出運動控制指令驅(qū)使三軸運動平臺帶動激光位移傳感器運動到各個測量位置，同時通過USB讀取相應(yīng)位置的測量結(jié)果，即可獲得待測三維曲面的測量數(shù)據(jù)。在上述硬件組成的基礎(chǔ)上，搭建三維曲面逆向建模系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

基于上述硬件平臺，構(gòu)建三維曲面數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。測量初始時，先對平臺進行初始化作業(yè)，包括建立硬件連接、設(shè)定硬件參數(shù)和運動軸原點位置、設(shè)定X軸范圍（Xmin，Xmax）、Y軸運動范圍（Ymin，Ymax）、測量過程中移動步長？駐S等，并將當(dāng)前位置移至（Xmin，Ymin）。接著，令（Xmin，Ymin）為當(dāng)前XY平面坐標（XC，YC），并將運動平臺X軸、Y軸移動至（XC，YC）。進而，移動Z軸使激光位移傳感器位于可測量位置，測量當(dāng)前距離并保存當(dāng)前點坐標信息。隨后，XC=XC+？駐S，若XC

鑒于傳感器與陶瓷標準球之間存在距離，激光位移傳感器所測量的數(shù)據(jù)并非標準球?qū)嶋H坐標點，為了能夠更好理解三維逆向建模系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征，本課題定義了三個坐標系：ZM為平臺坐標系，ZL為激光傳感器坐標系，Z為最終坐標系。測量系統(tǒng)設(shè)定的坐標系為平臺坐標系，傳感器的測量點為傳感器坐標系，為了將兩者坐標系統(tǒng)一到最終坐標系下，須進行坐標轉(zhuǎn)換得到最終坐標。坐標轉(zhuǎn)換圖如圖5所示，X軸表示的是平臺的坐標，Y軸表示的是XY平面，矩形表示的是激光位移傳感器，圓弧表示的是陶瓷標準球，經(jīng)計算可得轉(zhuǎn)換公式如下：Z=ZM+ZL

公式中，Z為最終坐標，ZM為平臺坐標，ZL為激光傳感器示數(shù)。

2 ?系統(tǒng)測試

為驗證三維曲面逆向建模平臺的可行性和有效性，標準球面建模為例，對系統(tǒng)進行測試。標準球面采用直徑為？準20mm的陶瓷標準球構(gòu)建，建模范圍選擇上表面。為了保證測量系統(tǒng)可以掃描到整個標準球的上表面，通過軟件設(shè)定X軸和Y軸范圍為（-10，10）、測量過程中移動步長？駐S=0.5mm，并將當(dāng)前位置移至（Xmin，Ymin）。接著，令（Xmin，Ymin）為當(dāng)前XY平面坐標（XC，YC），移動Z軸使激光位移傳感器位于可測量位置，測量當(dāng)前距離并保存當(dāng)前點坐標信息。在軟件主界面中進入編輯模式，選用多軸聯(lián)動指令，勾選X軸并輸入？駐S，勾選運動相對距離，保存程序。每點擊運行此程序一次，XC=XC+？駐S，若XC

系統(tǒng)測得標準球表面點云數(shù)據(jù)如圖7所示。將測量的上述點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab分析軟件中，并與標準球面的數(shù)據(jù)進行分析對比，得到各測量點誤差分布如圖8所示。由圖中結(jié)果可知，測量誤差介于[0.005，0.3379]之間，最大誤差為0.3379mm。其中，測量誤差較大的測量點主要位于標準球邊緣附近，究其原因主要是在靠近球邊緣附近，由于陶瓷球面的鏡面作用，激光被發(fā)射偏離了方向，導(dǎo)致激光位移傳感器檢測誤差增大?；谏鲜鰷y試結(jié)果，基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模平臺能夠有效獲取表面點云數(shù)據(jù)，且測量精度符合工程要求。

3 ?小結(jié)

①提出了基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統(tǒng)方案，構(gòu)建了在Z軸上安裝激光位移傳感器的系統(tǒng)硬件平臺。②提出了三維曲面數(shù)據(jù)采集流程，通過獲取曲面上點的坐標完成待測曲面的測量，進而通過測量得到的曲面點云重構(gòu)構(gòu)造所測量的曲面模型。③以？準20mm的標準球上半球面重建為例對系統(tǒng)的可行性和有效性進行了測試，測量數(shù)據(jù)最大誤差為0.3379mm，精度符合工程要求。

參考文獻：

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