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(diǎn)的坐標(biāo)，完成待測曲面的測量并形成曲面點(diǎn)云，進(jìn)而通過曲面重構(gòu)構(gòu)造所測量的曲面模型。以？準(zhǔn)20mm的標(biāo)準(zhǔn)球上半球面重建為例對系統(tǒng)的可行性和有效性進(jìn)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(zhǔn)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(hào)：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）20-0140-03

0 ?引言

作為一種自動(dòng)化技術(shù)，逆向工程廣泛應(yīng)用于新零件設(shè)計(jì)、現(xiàn)有零件復(fù)制、破損零件修復(fù)、數(shù)字模型檢驗(yàn)與精度提高等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(biāo)表面、測量精度高及相對測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。單點(diǎn)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(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測[4-5]。隨著IPC（Industrial Personal Computer，工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)）和基于Windows的運(yùn)動(dòng)控制卡的興起，桌面型運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制卡的三維曲面逆向建模測量平臺(tái)，研究Z軸高度自適應(yīng)調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)根據(jù)曲面起伏情況自適應(yīng)使目標(biāo)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(shí)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(yùn)動(dòng)控制卡、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、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(yùn)動(dòng)指令到運(yùn)動(dòng)控制卡中，運(yùn)動(dòng)控制卡執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器進(jìn)行三維空間運(yùn)動(dòng)，使激光位移傳感器運(yùn)動(dòng)到三維曲面各個(gè)采集點(diǎn)的采集位置。激光位置傳感器到達(dá)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào)，同時(shí)IPC通過讀取采集卡轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對三維曲面上各采集點(diǎn)坐標(biāo)的測量。IPC測量完三維曲面各采集點(diǎn)坐標(biāo)后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，實(shí)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(jìn)行供電。IPC通過人機(jī)交互形成運(yùn)動(dòng)控制指令后，通過100M高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口與IMC運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行通信。IMC運(yùn)動(dòng)控制卡選用IMC3041E類型，具有4軸運(yùn)動(dòng)控制功能，采用RJ45接口通訊，抗干擾性能好。IMC運(yùn)動(dòng)控制卡接收到運(yùn)動(dòng)執(zhí)行指令后，將X、Y、Z等3軸的脈沖和放線信號(hào)分別發(fā)送給3個(gè)HBS57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而分別驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中X、Y、Z等3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所需的三維空間運(yùn)動(dòng)。激光位移傳感器安裝在三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Z軸上，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定測量點(diǎn)時(shí)，激光位移傳感器則實(shí)時(shí)將測量值以模擬量的形式輸出。USB采集卡則實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制指令驅(qū)使三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器運(yùn)動(dòng)到各個(gè)測量位置，同時(shí)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(shí)物圖如圖3所示。

基于上述硬件平臺(tái)，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(shí)，先對平臺(tái)進(jìn)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(yùn)動(dòng)軸原點(diǎn)位置、設(shè)定X軸范圍（Xmin，Xmax）、Y軸運(yùn)動(dòng)范圍（Ymin，Ymax）、測量過程中移動(dòng)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(biāo)（XC，YC），并將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X軸、Y軸移動(dòng)至（XC，YC）。進(jìn)而，移動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)信息。隨后，XC=XC+？駐S，若XC

鑒于傳感器與陶瓷標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)球?qū)嶋H坐標(biāo)點(diǎn)，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(gè)坐標(biāo)系：ZM為平臺(tái)坐標(biāo)系，ZL為激光傳感器坐標(biāo)系，Z為最終坐標(biāo)系。測量系統(tǒng)設(shè)定的坐標(biāo)系為平臺(tái)坐標(biāo)系，傳感器的測量點(diǎn)為傳感器坐標(biāo)系，為了將兩者坐標(biāo)系統(tǒng)一到最終坐標(biāo)系下，須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到最終坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示，X軸表示的是平臺(tái)的坐標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)球，經(jīng)計(jì)算可得轉(zhuǎn)換公式如下：Z=ZM+ZL

公式中，Z為最終坐標(biāo)，ZM為平臺(tái)坐標(biāo)，ZL為激光傳感器示數(shù)。

2 ?系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證三維曲面逆向建模平臺(tái)的可行性和有效性，標(biāo)準(zhǔn)球面建模為例，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)球面采用直徑為？準(zhǔn)20mm的陶瓷標(biāo)準(zhǔn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(biāo)（XC，YC），移動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)信息。在軟件主界面中進(jìn)入編輯模式，選用多軸聯(lián)動(dòng)指令，勾選X軸并輸入？駐S，勾選運(yùn)動(dòng)相對距離，保存程序。每點(diǎn)擊運(yùn)行此程序一次，XC=XC+？駐S，若XC

系統(tǒng)測得標(biāo)準(zhǔn)球表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。將測量的上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab分析軟件中，并與標(biāo)準(zhǔn)球面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，得到各測量點(diǎn)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(diǎn)主要位于標(biāo)準(zhǔn)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(tái)能夠有效獲取表面點(diǎn)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(tái)。②提出了三維曲面數(shù)據(jù)采集流程，通過獲取曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)完成待測曲面的測量，進(jìn)而通過測量得到的曲面點(diǎn)云重構(gòu)構(gòu)造所測量的曲面模型。③以？準(zhǔn)20mm的標(biāo)準(zhǔn)球上半球面重建為例對系統(tǒng)的可行性和有效性進(jìn)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。

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