基于三維掃描振鏡的原位激光加工方法研究

李曉，劉斌,*，梅雪松，王文君，王曉東，李珣

a State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China b Shaanxi Key Laboratory of Intelligent Robots, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China

c Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710119, China

1. 引言

在過去的20年里，激光加工技術(shù)已經(jīng)在焊接[1-3]、切割[4,5]、打孔[6,7]、紋理加工[8-10]和微結(jié)構(gòu)制造[11-13]等多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。隨著激光加工技術(shù)及裝備的普及，其應(yīng)用逐步從批量化流水線加工向小批量個(gè)性化定制普及，發(fā)展更適用于個(gè)性化定制產(chǎn)品的激光加工技術(shù)具有重要意義。掃描振鏡作為一種可以快速準(zhǔn)確地控制激光光斑位置的光機(jī)電產(chǎn)品，在采用其進(jìn)行激光加工時(shí)，與傳統(tǒng)的加工方法相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括高動(dòng)態(tài)性能和加工速度、無刀具磨損、非接觸加工以及靈活性高等[14-16]。

三維激光加工的挑戰(zhàn)之一是如何始終保證激光焦點(diǎn)準(zhǔn)確聚焦在三維工件上[17-18]。Noh等[19]證明了聚焦的激光可以保證好的加工質(zhì)量，激光離焦會(huì)使加工質(zhì)量變差。Cao等[17,20]通過視覺方法測(cè)量焦點(diǎn)是否離焦，并通過三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償，保證焦點(diǎn)始終聚焦在加工面上。Wang等[21]通過將大曲面分層分塊，逐層逐塊地加工以保證激光焦點(diǎn)始終聚焦，從而進(jìn)行大范圍曲面圖案激光加工。就工件三維表面加工而言，動(dòng)態(tài)調(diào)整聚焦光斑空間位置是實(shí)現(xiàn)非平面加工的重要手段之一。三維掃描振鏡的三維加工能力得益于其具有的動(dòng)態(tài)聚焦單元[22,23]，讓焦點(diǎn)在高度方向?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)變動(dòng)，而這是一般二維掃描振鏡無法實(shí)現(xiàn)的。Xiao等[24]利用三維掃描振鏡和不同類型激光器在不規(guī)則曲面上直接標(biāo)刻圖案。Diaci等[25]利用三維掃描振鏡在曲面、斜面上標(biāo)刻出完整圖案。

目前的三維掃描振鏡加工系統(tǒng)大都沒有三維測(cè)量能力。當(dāng)加工三維零件時(shí)，需要事先通過三維軟件建?；?qū)ｉT的掃描設(shè)備掃描建模獲得待加工面的三維形貌；加工時(shí)，需人為擺放或裝夾工件來保證工件的實(shí)際形貌和位姿與加工軟件中的模型一致。因此，當(dāng)工件小批量、多樣化加工時(shí)，前期將投入大量的時(shí)間到加工準(zhǔn)備工作中去，這為實(shí)際加工添了更多的硬件需求與時(shí)間成本，甚至提高了多工序帶來的誤差。原位加工技術(shù)，一般是指直接在物體上進(jìn)行測(cè)量并原位加工的方法，其在工業(yè)及生物工程等領(lǐng)域都有所研究應(yīng)用[26-29]。原位加工技術(shù)應(yīng)用于激光三維加工，其優(yōu)勢(shì)主要在于掃描加工的一體化實(shí)現(xiàn)，可以避免傳統(tǒng)方式的建模、裝夾、調(diào)整對(duì)準(zhǔn)等步驟，及多步驟帶來的工作量和誤差。利用掃描振鏡投射線結(jié)構(gòu)光可以進(jìn)行三維測(cè)量[30-32]。Diaci等[25]提出了一種在曲面上快速加工圖案的方法，利用旁軸相機(jī)并使用同一個(gè)光源進(jìn)行工件測(cè)量和加工，這種方法將三維激光測(cè)量和激光加工相結(jié)合，既不需要事先知道工件的三維形貌，也不需要知道工件的位姿信息，遺憾的是其并沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)過程以及該方法的精度和效果等評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)是通過線激光器直接發(fā)出線激光并投射在物體表面[33]。Zhou等[34]用線結(jié)構(gòu)光去測(cè)量鐵軌，在長(zhǎng)度、寬度、厚度方向的測(cè)量誤差均在0.3 mm以內(nèi)。Liu等[35]用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量了直徑30 mm左右的軸，通過將測(cè)得的點(diǎn)進(jìn)行擬合使得測(cè)量誤差在20 μm以內(nèi)。Li等[36]用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量高度100 mm的立方體，其高度誤差達(dá)到1 mm。事實(shí)上，最終的測(cè)量精度由設(shè)備、測(cè)量距離、算法等因素共同決定，比如小的相機(jī)視場(chǎng)和近的測(cè)量距離可以獲得相對(duì)高的測(cè)量精度。

目前，對(duì)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)的研究主要包括測(cè)量模型、光條紋中心提取和傳感器標(biāo)定。測(cè)量模型的建立是基礎(chǔ)，主要是基于幾何推導(dǎo)；而基于掃描振鏡和不同類型場(chǎng)鏡的測(cè)量模型與傳統(tǒng)模型卻有所不同。光條紋中心提取是影響傳感器標(biāo)定精度的重要因素，亞像素的光心線提取方法如高斯擬合法[37]、灰色重心法[5]和Hessian矩陣法[38]具有更高的提取精度。對(duì)于傳感器標(biāo)定，主要包括相機(jī)標(biāo)定和光平面方程標(biāo)定兩部分，其中光平面方程標(biāo)定是難點(diǎn)，如何獲取高精度控制點(diǎn)來擬合光平面成為線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定的關(guān)鍵問題。

本研究利用一套三維掃描振鏡及一個(gè)旁軸相機(jī)搭建了三維原位激光加工系統(tǒng)，通過原位加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的可行性及實(shí)用性。本研究主要貢獻(xiàn)在于提出或?qū)崿F(xiàn)了：①一種基于掃描振鏡的線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量模型；②一種通過高度標(biāo)定來保證測(cè)量精度的方法；③一套可用于三維激光原位加工的軟件。與一般線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法相比，本研究提出的方法可在不需要光平面標(biāo)定也不需要額外的運(yùn)動(dòng)軸的情況下，實(shí)現(xiàn)三維重建，測(cè)量加工一體化，減低了加工成本。

2. 方法

2.1. 基于掃描振鏡的線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法

圖1（a）為本研究中基于掃描振鏡的線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量模型，該模型中主要存在四個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系Ow-xwywzw、振鏡坐標(biāo)系Og-xgygzg、相機(jī)坐標(biāo)系Oc-xcyczc、圖像坐標(biāo)系O-uv，將振鏡坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。本研究采用f-θ場(chǎng)鏡，在圖1（a）中，a點(diǎn)為振鏡y軸反射鏡的激光反射點(diǎn)，假設(shè)其中心的世界坐標(biāo)已知為a(0, 0,H)，其中H為a點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的高度。b、c兩點(diǎn)為振鏡掃描的線激光的兩個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為b(x1,y1, 0)和c(x2,y2, 0)，其可通過振鏡精確控制得到。要通過相機(jī)獲得空間物體上某點(diǎn)的三維信息，需要至少三個(gè)約束條件。根據(jù)典型的針孔相機(jī)模型[39]，可得到式（1）如下：

式中，fx,fy為焦距；cx,cy為主點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)空間一點(diǎn)P，(Xc,Yc,Zc)為P點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(u,v)為對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。為了唯一確定該點(diǎn)的坐標(biāo)值，還需要至少一個(gè)約束條件，那就是光平面方程。一般的線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法需要對(duì)光平面進(jìn)行標(biāo)定來確定光平面方程，而通過掃描振鏡產(chǎn)生的光平面是可以精確控制的。激光通過振鏡配置的場(chǎng)鏡進(jìn)行聚焦，場(chǎng)鏡主要包括f-θ場(chǎng)鏡和遠(yuǎn)心f-θ場(chǎng)鏡。當(dāng)采用f-θ場(chǎng)鏡時(shí)，在世界坐標(biāo)系中光平面經(jīng)過圖1（a）中三個(gè)點(diǎn)a、b、c，其世界坐標(biāo)已知；當(dāng)采用遠(yuǎn)心f-θ場(chǎng)鏡時(shí)，在振鏡坐標(biāo)系中光平面始終垂直于xy平面，可認(rèn)為圖1中點(diǎn)a的世界坐標(biāo)為a(x1,0,H)，因此，將振鏡坐標(biāo)系內(nèi)已知的三個(gè)非共線的點(diǎn)根據(jù)相機(jī)外參轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系，即可根據(jù)三點(diǎn)確定相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的光平面方程，如式（2）：

式中，A,B,C,D為光平面方程的系數(shù)，由此得到第三個(gè)約束，聯(lián)立式（1）與式（2）得到式（3）：

由此可得到像素坐標(biāo)系內(nèi)光心上任一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(Xc,Yc,Zc)，另根據(jù)相機(jī)外參（R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣）可轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系(Xw,Yw,Zw)，因此可得到：

圖1. 基于掃描振鏡的線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法。（a）原理模型；（b）實(shí)物裝置。

2.2. 高度標(biāo)定方法

本研究在上述基于相機(jī)內(nèi)、外參及光平面方程的線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合了高度標(biāo)定方法來保證高度方向的精度。該方法的原理是找出實(shí)際高度與線激光偏移距離及像素坐標(biāo)系中的光心像素差之間的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際光心在圖像坐標(biāo)系中的位置確定該點(diǎn)的實(shí)際高度值，此關(guān)系如式（5）所示。

式中，Z為實(shí)際高度；f為Z的關(guān)于線激光偏移距離x和像素距離p的函數(shù)。本研究中，將線激光投射的直線與世界坐標(biāo)系中y軸平行，其偏移方向沿世界坐標(biāo)系x軸方向，如圖1（a）所示。高度標(biāo)定時(shí)，通過三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Z軸運(yùn)動(dòng)特定距離拍攝多組線激光圖片進(jìn)行標(biāo)定。

高度設(shè)置為0時(shí)，將線激光偏移距離為0的光心定義為基準(zhǔn)光心，定義任意光心與基準(zhǔn)光心在像素坐標(biāo)系內(nèi)的平均像素差為P；定義在高度為0平面內(nèi)的其他光心與基準(zhǔn)光心的平均光心像素差為P1；線激光偏移距離相同而高度不同時(shí)，定義不同高度處的光心與高度為0處的光心的平均像素差為P2。因此，在像素坐標(biāo)系內(nèi)存在如下關(guān)系：

圖2（a）標(biāo)定了光心的像素差P1與線激光偏移距離x（-30 mm到30 mm，每5 mm標(biāo)定一次）的關(guān)系，從圖中可以看出像素差P1與線激光偏移距離x具有較好的線性關(guān)系。圖2（b）標(biāo)定了平均像素差P2與高度（-15～15 mm，每5 mm標(biāo)定一次）的關(guān)系，從圖中可以看出，像素差P2與高度具有較好的線性關(guān)系。

實(shí)際計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)將P分解為P1+P2的方式得出的高度更準(zhǔn)確，圖3為實(shí)際高度Z、像素差P2、線激光偏移距離x三者之間的關(guān)系三維面，發(fā)現(xiàn)三者的關(guān)系近乎擬合為一個(gè)平面，因此，在計(jì)算Z值時(shí)，首先在圖2（a）中，根據(jù)線激光偏移距離x線性插值計(jì)算出像素差P1，根據(jù)實(shí)際線激光計(jì)算出像素差P，得出P2=P-P1，再將像素差P2、線激光偏移距離x帶入圖3的曲面差值得出實(shí)際高度Z。

2.3. 光心提取方法

在線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)中，光條紋中心是否準(zhǔn)確提取影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。本研究首先采用中值濾波對(duì)采集的線激光圖像進(jìn)行預(yù)處理，隨后采用灰度重心法對(duì)線激光中心進(jìn)行提取。在一列線激光中先利用極值法求出光強(qiáng)最大的一點(diǎn)gmax，然后確定一個(gè)閥值K=k×gmax, 0 ＜k＜ 1，在閾值兩邊判斷灰度值大于K的像素，求出其重心位置作為光條紋的中心。設(shè)所有大于閾值K的點(diǎn)的像素坐標(biāo)為ui(i= 0, 1, 2, …)，相應(yīng)的灰度值為gi(i= 0, 1, 2,…)，則光心的位置U為：

由灰度重心法來求取線激光條紋的中心，每一列線激光條紋的閾值都是不同的，即使線激光灰度分布不均勻或者發(fā)生了改變，也不會(huì)對(duì)線激光條紋中心位置的確定帶來很大的誤差，提高了光心提取的精度。

圖2. 像素坐標(biāo)系內(nèi)的平均像素差。（a）高度為0時(shí)，光心的像素差P1與線激光偏移距離x的關(guān)系圖；（b）線激光偏移距離為0時(shí)，光心的像素差P2與高度的關(guān)系圖。

圖3. 實(shí)際高度Z、不同線激光偏移距離x下的像素差P2、線激光偏移距離x三者之間的關(guān)系三維面。

2.4. 原位加工方法

光心提取后，根據(jù)2.1節(jié)中的模型可生成物體上表面的三維點(diǎn)云，點(diǎn)云的疏密由掃描激光線間距及工業(yè)相機(jī)分辨率決定。由于點(diǎn)云面便可體現(xiàn)物體實(shí)際的三維形貌以及其在振鏡坐標(biāo)系中的位姿，因此在三維點(diǎn)云面上進(jìn)行三維加工圖案的路徑設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)原位三維加工。

在得到物體上表面的點(diǎn)云模型后，需將待加工圖案或者路徑投影到點(diǎn)云的相應(yīng)位置，進(jìn)而生成三維掃描振鏡加工指令。本研究采用將待加工圖形按照?qǐng)D片像素點(diǎn)投影到三維點(diǎn)云面上的方式進(jìn)行三維圖案投影。圖片的每一個(gè)像素都可以在點(diǎn)云面中找到與其接近的點(diǎn)，并將與其接近的點(diǎn)的高度值的平均值作為該像素點(diǎn)的高度值。在工件特定位置處進(jìn)行加工，需要通過將導(dǎo)入的圖案進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)圖案在工件任意位置的精準(zhǔn)投影加工，為此本研究開發(fā)了相應(yīng)的原位加工軟件。

3. 實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)

3.1. 設(shè)備條件

本研究使用Scanlab intelliSCANse 14三維掃描振鏡，配備焦距為255 mm 的f-θ場(chǎng)鏡，工業(yè)相機(jī)采用vieworks VH-5MG 500萬像素黑白相機(jī)，安裝在掃描振鏡旁側(cè)，鏡頭采用U-TRON FV1520，保證工作距離在350 mm時(shí)，視場(chǎng)在200 mm×200 mm左右。激光器采用帶有波長(zhǎng)680 nm指示光源的1064 nm光纖激光器（RFL-P30Q）。三維掃描振鏡安裝于三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，如圖1（b）所示。

圖4. 標(biāo)準(zhǔn)高度臺(tái)階量塊測(cè)量圖。（a）標(biāo)準(zhǔn)高度臺(tái)階量塊實(shí)物圖；（b）標(biāo)準(zhǔn)高度臺(tái)階量塊點(diǎn)云圖。

圖5. 采用不同方法得到的臺(tái)階面平均實(shí)際高度值及其誤差比較圖。（a）兩種方法測(cè)得的平均實(shí)際高度值；（b）兩種方法的誤差，其中方法1為相機(jī)內(nèi)、外參及光平面方法，方法2為相機(jī)內(nèi)、外參及光平面方法結(jié)合高度標(biāo)定方法。

3.2. 掃描精度評(píng)價(jià)

掃描精度與原位加工時(shí)激光能否準(zhǔn)確聚焦在待加工面有著直接的關(guān)系，本研究選用一塊長(zhǎng)80 mm，寬20 mm，標(biāo)準(zhǔn)高度為3 mm、5 mm、10 mm、15 mm的標(biāo)準(zhǔn)高度臺(tái)階量塊[圖4（a）]進(jìn)行掃描精度測(cè)試，線激光間距為0.5 mm，掃描振鏡的掃描速度為5000 mm·s-1，相機(jī)曝光時(shí)間為50 ms。分別采用相機(jī)內(nèi)、外參及光平面方程方法以及結(jié)合高度標(biāo)定方法進(jìn)行建模。圖4（b）為結(jié)合高度標(biāo)定方法后掃描得到的點(diǎn)云圖，基本還原了真實(shí)量塊的高度信息。為了比較用相機(jī)內(nèi)、外參及光平面測(cè)量法（方法1）與相機(jī)內(nèi)、外參及光平面結(jié)合高度標(biāo)定測(cè)量法（方法2）的測(cè)量精度，繪制采用不同方法得到的臺(tái)階面平均實(shí)際高度值及其誤差比較圖，圖5（a）為兩種方法測(cè)得的平均實(shí)際高度值與理想高度值的比較；圖5（b）為兩種方法的誤差比較，只用相機(jī)內(nèi)、外參及光平面方程進(jìn)行掃描的誤差隨著y方向距離的變化發(fā)生變化，并呈現(xiàn)兩端誤差大的情況，在高度為15 mm處，誤差最大，超過1 mm；而經(jīng)過高度標(biāo)定方法測(cè)量的結(jié)果在高度方向上誤差始終穩(wěn)定在±0.2 mm的范圍內(nèi)，不隨掃描位置發(fā)生明顯變化。在y方向上提取掃描到工件上的線激光的第一個(gè)點(diǎn)和最后一個(gè)點(diǎn)的y值坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算掃描得到的工件長(zhǎng)度為(79.900±0.154) mm，與實(shí)際工件長(zhǎng)度80 mm相符合，其誤差在像素量級(jí)。

3.3. 實(shí)施過程及實(shí)例

3.3.1. 案例1——不同高度臺(tái)階的投影加工

為了證明本研究開發(fā)的三維原位加工系統(tǒng)的功能，將開展對(duì)標(biāo)準(zhǔn)高度臺(tái)階進(jìn)行線激光掃描、加工圖案投影、三維原位加工，其主要步驟如下。

步驟1，前期標(biāo)定工作：使用Matlab相機(jī)標(biāo)定工具箱進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，得到相機(jī)內(nèi)參、外參，在獲取外參時(shí)，將世界坐標(biāo)系與振鏡坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)采取振鏡掃描xy方向指示光打在棋盤格上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，如圖6（a）所示。采用2.2節(jié)中的高度標(biāo)定方法進(jìn)行高度標(biāo)定。

步驟2，線激光掃描：通過激光器掃描紅光指示光形成線激光，掃描速度為5000 mm·s-1，工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間為50 ms，間隔0.5 mm掃描一道線激光，使線激光遍歷物體，其中拍攝得到的一幅線激光圖如圖6（b）所示。

步驟3，提取光心并生成三維點(diǎn)云：采用灰度重心法提取得到的光心如圖6（c）中紅線所示。根據(jù)2.1節(jié)及2.2節(jié)中的方法生成待加工表面點(diǎn)云。

步驟4，加工圖案投影：通過OpenGL顯示生成的三維點(diǎn)云，并導(dǎo)入事先準(zhǔn)備好的加工圖案，將圖案經(jīng)過一定的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)投影到三維點(diǎn)云面上，生成并在點(diǎn)云面上顯示實(shí)際加工圖案，如圖7所示。

步驟5，三維原位加工：為了不破壞標(biāo)準(zhǔn)量塊，在量塊上貼了熱敏紙，激光在熱敏紙上原位標(biāo)刻出圖案，如圖6（d）所示，原位加工后的圖案與設(shè)計(jì)圖案一致。

本研究利用C# winform平臺(tái)開發(fā)了原位加工軟件，如圖7所示，軟件具有掃描線激光、導(dǎo)入點(diǎn)云、導(dǎo)入加工圖案、對(duì)加工圖案進(jìn)行平移旋轉(zhuǎn)縮放、生成加工投影圖案、控制振鏡加工、控制三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等功能。

圖6. 不同高度臺(tái)階的投影加工的實(shí)施與結(jié)果。（a）相機(jī)標(biāo)定過程中振鏡坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)方法；（b）一幅線激光圖；（c）該線激光圖提取的光心圖，其中紅線為提取得到的光心；（d）在標(biāo)準(zhǔn)量塊上張貼了熱敏紙后的原位加工圖案。

圖7. 三維原位加工軟件界面。

3.3.2. 案例2——大零件的局部掃描加工

本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一在于當(dāng)零件較大時(shí)，由于掃描和加工之間零件的位置不會(huì)發(fā)生變化，只需對(duì)待加工部位進(jìn)行局部掃描，進(jìn)一步減少不必要的工作量。選則一個(gè)尺寸較大的非標(biāo)準(zhǔn)零件，如圖8（a）所示，其加工結(jié)果如圖8（b）所示。只需保證待加工部位位于振鏡加工范圍及工業(yè)相機(jī)視野范圍內(nèi)即可，無需特意擺放位置。圖 8（c）、（d）為對(duì)零件局部一角進(jìn)行掃描建模的結(jié)果，然后在其上投影二維碼圖案，投影后直接進(jìn)行加工，即可在工件相應(yīng)位置處加工出設(shè)計(jì)圖形，十分便捷。從加工效果可以看出，加工出的圖案完整，無明顯瑕疵，原位加工完成的二維碼的位置和尺寸與軟件中的設(shè)計(jì)相符合。

3.3.3. 案例3——弧面投影及變像素距離加工

為了驗(yàn)證該加工系統(tǒng)對(duì)于曲面的加工效果以及改變加工線間距的加工效果，選取一個(gè)鋁合金弧面（40 mm×40 mm×11.5 mm）作為加工對(duì)象，并將圖案進(jìn)行等弧長(zhǎng)變換后投影，通過軟件中的像素距離人為調(diào)節(jié)加工線間距。掃描及投影結(jié)果如圖9（a）所示，加工時(shí)分別采用40 μm和120 μm的加工線間距，加工效果如圖9（b）、（c）所示。當(dāng)加工線間距為40 μm時(shí)，加工圖案被填實(shí)，當(dāng)加工線間距為120 μm時(shí)，加工線之間有間隙。在圓弧頂部進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀測(cè)，測(cè)量得到激光加工的線寬為(46.08±1.22) μm，實(shí)際線間距分別為(40.04±0.72) μm和(120.11±0.02) μm，與設(shè)計(jì)尺寸相符，表明該系統(tǒng)具有較高的加工精度。

圖8. 大零件的局部掃描加工的實(shí)施和結(jié)果。（a）較大尺寸的非標(biāo)零件；（b）零件局部的原位加工二維碼效果；（c）、（d）二維碼原位投影結(jié)果。

3.3.4. 案例4——刀具測(cè)量及表面微織構(gòu)原位加工

刀具表面織構(gòu)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的減磨效果，從而提高刀具的耐磨性和加工性能。利用本研究中的設(shè)備和方法，可以無需夾具，進(jìn)行刀具形貌的原位測(cè)量及微織構(gòu)的原位加工，刀具的尖角和孔等特殊結(jié)構(gòu)可以檢驗(yàn)本方法的有效性。圖10（a）為具有一定前角的三角形車刀，激光線間隔0.2 mm對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果[圖10（b）]可以明顯看到刀具前刀面及前角，提取測(cè)量得到的刀具輪廓[圖10（c）]，通過DigitalMicrograph軟件測(cè)量三邊長(zhǎng)度及圓的直徑，當(dāng)考慮到0.2 mm的刀尖圓弧半徑后，其實(shí)際長(zhǎng)度為L(zhǎng)=Li-2 × (√3 - 1) × 0.2，其中L為考慮圓弧半徑的長(zhǎng)度，Li為未考慮刀尖圓弧半徑的長(zhǎng)度（圖中的長(zhǎng)度），各個(gè)尺寸的測(cè)量值與游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)值見表1。通過原位加工軟件導(dǎo)入織構(gòu)圖案，并投影在前刀面上[圖10（d）]，原位加工出的織構(gòu)如圖10（e）所示。設(shè)計(jì)的織構(gòu)圖案可以準(zhǔn)確地原位加工在刀具前刀面上。該方法可以通過優(yōu)化織構(gòu)圖案及加工工藝滿足不同刀具織構(gòu)的制造。

圖9. 弧面投影及變像素距離加工實(shí)施和結(jié)果。（a）弧面掃描及圖案投影結(jié)果；（b）加工線間距為40 μm的加工效果；（c）加工線間距為120 μm的加工效果；（d）加工線間距為40 μm的光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果；（e）加工線間距為120 μm的光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果。

4. 討論

與使用線激光器的傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法不同的是，本研究使用振鏡掃描產(chǎn)生線激光。傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光由于激光器發(fā)出的激光位置不能被準(zhǔn)確控制，因此需要對(duì)光平面進(jìn)行標(biāo)定來獲取光平面方程，為此需進(jìn)行大量研究，如Liu等[40]用球形靶標(biāo)以及非線性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)光平面的標(biāo)定，Kiddee等[41]在棋牌格上投射十字線結(jié)構(gòu)光計(jì)算光平面方程，這些標(biāo)定方法算法復(fù)雜且需要精確的標(biāo)定靶標(biāo)。本研究中用掃描振鏡產(chǎn)生激光線，其坐標(biāo)可以通過振鏡精確控制，因此省去了光平面標(biāo)定的必要，大大簡(jiǎn)化了線結(jié)構(gòu)光測(cè)量的難度和工作量。傳統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光三維重建，需要額外的運(yùn)動(dòng)軸或轉(zhuǎn)動(dòng)軸配合實(shí)現(xiàn)激光線對(duì)物體的掃描，本研究中的振鏡可以實(shí)現(xiàn)自掃描，省去了加入額外運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的必要，節(jié)省了設(shè)備成本和空間。因此，通過振鏡進(jìn)行線結(jié)構(gòu)測(cè)量具有技術(shù)上和裝備上的優(yōu)勢(shì)。

圖10. 刀具測(cè)量及表面微織構(gòu)原位加工實(shí)施和結(jié)果。（a）具有一定前角的三角形車刀；（b）重建結(jié)果；（c）刀具輪廓俯視圖；（d）原位加工軟件截圖；（e）微織構(gòu)的原位加工結(jié)果。

表1 刀具各個(gè)尺寸的原位測(cè)量結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)果

三維掃描振鏡必須獲取物體的三維信息才能實(shí)現(xiàn)光斑在物體上的準(zhǔn)確聚焦，然而目前的三維振鏡并沒有三維測(cè)量能力，需要通過其他設(shè)備建模提供三維信息，這對(duì)使用過程帶來了不便。本研究的方法只需配置一個(gè)工業(yè)相機(jī)，就可以為三維掃描振鏡增加三維測(cè)量能力，與以往三維加工需要經(jīng)過三維建模、導(dǎo)入模型、通過夾具定位才能實(shí)現(xiàn)加工的方式不同，本研究的方法無需夾具和人為定位，通過原位測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)物體三維信息和加工坐標(biāo)系的匹配，實(shí)現(xiàn)了任意放置即可加工的簡(jiǎn)單操作流程，大大減少了設(shè)備成本和時(shí)間成本。

當(dāng)工件尺寸較大時(shí)，由于相機(jī)內(nèi)、外參標(biāo)定不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致距離世界坐標(biāo)系原點(diǎn)遠(yuǎn)的點(diǎn)的誤差被明顯放大。三維掃描振鏡在加工時(shí)，由于掃描得到的高度不準(zhǔn)確，將會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)離焦，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高三維測(cè)量精度，本研究提出了結(jié)合高度標(biāo)定的方法，解決單一標(biāo)定方法在實(shí)際操作中誤差會(huì)因工件尺寸增大而顯現(xiàn)的問題，進(jìn)而保證激光始終聚焦。高度標(biāo)定方法的誤差主要來源于光心提取過程中線激光較粗，且相機(jī)分辨率不高導(dǎo)致光心提取不準(zhǔn)確，但其誤差在可接受范圍內(nèi)。

5. 結(jié)論

本研究利用一套三維掃描振鏡及一個(gè)旁軸相機(jī)搭建了測(cè)量加工一體化的原位激光三維加工系統(tǒng)，利用掃描振鏡掃描線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維測(cè)量，提出了基于掃描振鏡的線結(jié)構(gòu)光測(cè)量模型，通過相機(jī)標(biāo)定和高度標(biāo)定方法保證測(cè)量精度。通過實(shí)驗(yàn)案例驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的可行性及實(shí)用性。

本研究方法的優(yōu)點(diǎn)在于：①與傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法相比，本方法通過振鏡控制光平面而不需要進(jìn)行光平面方程標(biāo)定，也不需要通過額外的運(yùn)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)三維重建，在方法便捷性和硬件成本上具有優(yōu)勢(shì)；②通過測(cè)量加工一體化的方法簡(jiǎn)化了加工步驟，節(jié)省了時(shí)間和勞動(dòng)成本。

對(duì)于精度要求高的加工任務(wù)，本研究中的原位加工方法可進(jìn)行粗定位，通過配置精度更高的同軸觀測(cè)設(shè)備（如Camera Adapter）進(jìn)行精定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度宏微結(jié)合激光加工，在后續(xù)工作中值得研究。

致謝

本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2017YFB1104602和2016YFB1102502）、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT_15R54）的支持。

Compliance with ethics guidelines

Xiao Li, Bin Liu, Xuesong Mei, Wenjun Wang, Xiaodong Wang, and Xun Li declare that they have no conflict of interest or fi nancial conf l icts to disclose.