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激光线扫描高精度物体轮廓测量研究 激光线扫描高精度物体轮廓测量研究 乐开端赵宏谭玉山 (西安交通大学) ■ 曩 在工业生产及控制过程中，物体三堆轮廓测量极为重要．目前三维轮廓测量的方法很多，本文 量点计论激光线扫描物体三维轮廓测量法．本文提出并设计了激光线扫描物体三维轮廓测量光强自动控制 系统，解决了测量中固不同材料时激光的散射光强不同、不同曲面时激光光强反射各异等问题给测量精度 带来的影响．针对影响精度的教光光束细化问题，首次提出了自动聚焦景深跟踪．本文还利用豪斯荷尔德 取提高到亚像素媛． 美■词 线扫描轮廓测量光强自动控制 自动聚焦最小二乘拟合 1．引言 众所周知，激光线扫描物体三维轮廓测量系统是采用三角法测量原理。该技术以其原理 简便、系统结构简单、测量精度较高、测量速度比点测要快等优点，从而被人们广泛采纳和 应用[1]【z】。但物体表面对激光的散射光强因材料的不同而不同，又会因物体的曲面散射方向 不同而改变，因而要达到人为控制摄像机所摄测量光刀的光强，使其不饱和或者不太弱是很 困难的。因为当散射光强在摄像机中达到饱和时。光刀的宽度会大大增宽，激光光刀中心提 取精度降低，相应测量误差也会大大增加，反之，光强太弱也会给测量带来较大误差。因而 要使三角测量原理的测量精度得到保证，就必须对测量中物体对光刀的散射光强进行自动控 制，本文主要采用激光测量系统自身所用的摄像机作为光强探测器，在每次线扫描测量之 前，先进行光强检测，然后将检测信息反馈给脉宽调制器口】，从而来控制激光的光强，达到 光强自动控制目的，这样，使线扫描激光测量系统的测量精度得到保障。 线扫描激光轮廓测量系统的测量精度还受到激光光刀的宽度制约，为此本文提出了自动 聚焦景深跟踪系统， 通过对CCD摄像机得到的光刀图像进行综合光刀宽度计算，然后反馈控 制激光光刀聚焦系统，使得激光光刀的宽度达到最小，从而达到自动聚焦景深跟踪的目的。 限制激光线扫描物体轮廓测量精度的另外一个因素就是CCD摄像机的离散像素。物体轮 廓测量精度主要取决于激光光刀中心提取精度，正是CCD摄像机的离散像素决定了测量分辨 空间分布进行最小二乘拟合逼近，从而使系统的测量精度提高到亚像素级。 2．原理 2．1 脉宽调制技术实现光强自动控制 激光线扫描测量系统光强自动控制电路主回路如图l所示。主回路由220V交流整流滤波 送给功率模块进行逆变换，经高频变压器变压，再经整流、滤波后获得直流输出。控制回路 如图2所示，由摄像机、光学镜头、计算机、D／A输出接口板、UC3525组成的脉宽调制器。光 学镜头将激光光刀在被测物体上的散射光在CCD靶面上成像，经计算机对光刀光强进行比较 计算，再mD／A接口控制板输出对由UC3525组成的脉宽调制器进行控制。当计算机检测光强 达到饱和时，计算机送给脉宽调制器的电压增加．使得脉宽调制器输出脉宽变窄，输出电流 410 RP技术与快速模具制造 减小，激光器光强减弱。反之，若激光光刀光强太弱，则计算机送给脉宽调制器的电位减 小，使得激光器的光强增大，从而达到了激光光刀在物体上的散射光强自动控制的目的。 圈1 物体散射光强自动控制系统主回路图 囤2．UC3525控制电路图 2．2自动聚焦 自动聚焦系统原理示意图如图3所示，薄凸透镜T1的焦距为fl，薄凸透镜T2的焦距为 光，即焦点为无穷远。当两透镜的距离dfl+f2时，激光在。点工=畿处汇聚a 411 … 激光线扫描高精度物体轮廓测量研究 大。在测量过程中，计算机对CCD摄像机得到的激光光刀图像进行光刀宽度计算，求出光刀 宽度变化量．从而驱动步进电机控制激光聚焦系统，直到激光光刀宽度最小。 ／ j ／ ／ 、 f1