1、第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-10-11基金项目:陕西省科技重大专项(No.2019zdzx01-02-02)、陕西省教育厅专项科研计划项目(No.21JK0692)作者简介:商执亿(1988-),男,硕士,工程师,主要研究方向:光学精密测量技术。E-mail:zhiyishang 通讯作者:王建华(1960-),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:计算机辅助精密测量技术。E-mail:wangjianhuaxatu 金属表面轮廓的线结构光测量研究商执亿1,2,王建
2、华1,尹培丽11西安工业大学机电工程学院,西安 710021;2西安工程大学机电工程学院,西安 710048摘 要:为研究线结构光法在测量金属表面轮廓时所能达到的测量精度和影响因素,首先对线结构光测量仪的性能进行了分析,然后完成了对金属样块表面轮廓的测量实验,并与同属光三角测量原理的光切法进行了对比。结果表明:线结构光测量仪的线性度、分辨率和重复测量精度都比较高,能实现微米级的位移测量。但受激光散斑噪声和金属表面反光等因素的影响,该方法的轮廓测量精度大于10 m。而光切法的轮廓测量精度接近微米级。因此,结合光切法的优点,在保证测量范围和工作距离的前提下,设计能投射无散斑高质量光条的光路结构,可
3、以进一步提高线结构光法的轮廓测量精度。关键词:线结构光法;表面轮廓;光切法;光三角测量中图分类号:TN206 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.091Measurement of metal surface profile using line structured lightSHANG Zhiyi1,2,WANG Jianhua1,YIN Peili11School of Mechatronic Engineering,Xian Technological University,Xian 710021,China;2School of Mechatro
4、nic Engineering,Xian Polytechnic University,Xian 710048,ChinaAbstract:To study the measurement accuracy and influence factors of line structured light method in measuring the metal surface profile,the performance of line structured light measuring instrument was analyzed first,then profile measureme
5、nt experiments using metal specimens were conducted and compared with light-section method which be-longs to the same principle of optical triangulation.The results indicated that the line structured light measuring instru-ment had high linearity,resolution and repeatable measuring accuracy,and coul
6、d realize displacement measuring at micron level.However,due to the influence of laser speckle noise and metal surface reflection,the profile measure-ment accuracy of this method was greater than 10 m.The profile measurement accuracy of light-section method was close to micron level.Therefore,combin
7、ing the advantages of light-section method,under the premise of ensuring e-nough measuring range and working distance,the design of light path structure that can project non-speckle high-quality light strip can further improve profile measurement accuracy of line structured light method.Key words:li
8、ne structured light method;surface profile;light-section method;optical triangulation1 引言高效、柔性、无损的非接触式光学测量法在机器视觉、三维重构、在线检测、精密测量等领域发挥的作用越来越明显1-4。而在众多的光学方法中,基于光三角测量原理的线结构光法,因其结构简单、测量范围和工作距离大、效率高、实时性好等优点在金属表面的轮廓测量领域有着广泛的应用5-7。线结构光法也称线激光法。陈瀚等8采用多个线激光传感器协同测量 铸 钢 车 轮 的 二 维 轮 廓,系 统 测 量 精 度 为80 m。Zhang Yang
9、9采用线激光对大型飞机面板进行三维重构,重构误差小于 60 m。Rodriguez J A http /M10提出了一种可用于工业检查和逆向工程领域的自动对焦线结构光测量方法,该方法可通过调整测量范围来测量复杂曲面的轮廓数据,在 0.253 mm-280 mm 的可变测量范围内,相对均方根误差为0.5%。Noll R11采 用 线 激 光 测 量 钢 轨 轮 廓,在100 mm 的长度测量范围内,轮廓精度为 50 m。WANG Huifeng12采用线激光测量不均匀反射金属表面的轮廓信息,结果显示激光条纹的检测误差小于0.1 像素,测量精度为 20 m。线结构光法在三维重构、缺陷检查等精度要求
10、不高的场合能满足测量的需求。但对于类似高精度齿轮齿面的测量场合,测量范围要求不大但测量精度通常要在微米级甚至亚微米级,该方法还无法胜任13-14。而目前市面上的成型的线结构光测量仪的标称参数都很高,如 LMI Technologies 的 Gocator 系列,MI-CRO-EPSILON 的 scanCONTROL 系列以及 KEYENCE的 LJ-X8000 系列,其重复测量精度和分辨率均能达到亚微米级,这与文献中该方法所能达到的轮廓测量精度不符。同时光学显微法中的光切法与线结构光法相似,两种方法均采用光三角测量原理且都是线光,虽然光切法的测量范围较小,但其轮廓测量精度能达到微米级15-1
11、6,说明从测量原理角度出发,线结构光法的轮廓测量精度还有很大的提升空间。因此本文主要对比光切法,研究线结构光法在金属表面轮廓测量中存在的问题和所能达到的测量精度。2 测量原理2.1 线结构光法测量原理线结构光法采用光三角测量原理,如图 1 所示,激光器发出的线结构光照射到被测表面上,经被测表面反射后成像于光电探测器的光敏接受元件上。被测表面的形状有高低变化,像点位置会随高低而产生变化,通过测量像点位移,便可计算出被测表面的轮廓信息。图 1 线结构光法测量原理从图 1 中可以得出,当被测点远离激光器,处于参考基准位置下方,实际高度 y 与像点位移 x 之间关系为y=axsincos1bsin(1
12、+2)+xsin(1+2+)(1)式中,a 为工作距;b 为像距;1为入射工作角;1为反射工作角;为成像角。当被测点靠近激光器,处于参考基准位置上方,y 与 x 之间关系为:y=axsincos1bsin(1+2)-xsin(1+2+)(2)2.2 光切法测量原理光切法同样采用光三角测量原理,如图 2 所示,光源发出的光经狭缝和物镜 1 形成一条线光,然后以45角照射到被测表面,经被测表面反射后经物镜 2成像于目镜的分划板上,通过测量像点位移,便可计算出被测表面的轮廓信息。图 2 光切法测量原理实际高度 y 与像点位移 x 之间关系为y=x2N(3)式中,N 为物镜放大倍数。3 线结构光法测量
13、仪性能分析本研究选用 KEYENCE 的 LJ-X8060 线结构光测量仪,其主要参数如表 1 所示。为研究该仪器的性能,完成了对标准金属量块的轮廓和位移测量。表 1 线结构光测量仪主要参数参数工作距离横向测量范围Z 轴测量范围纵向重复测量精度横向重复测量精度线性度值64 mm16 mm14.6 mm0.4 m0.5 m0.04%29商执亿,等:金属表面轮廓的线结构光测量研究http /(1)轮廓测量采用线结构光测量仪对标准金属量块表面进行轮廓测量,图 3 为测量量块表面的轮廓数据,量块本身的表面轮廓误差通常在亚微米级甚至更小,而测量结果的误差较大,最大偏差达到了 16.10 m。图 3 轮廓
14、测量结果(2)位移测量采用线结构光测量仪对标准金属量块进行位移测量,量块沿 Z 轴每移动 10 m,测量一次数据,最后对测量值用最小二乘法拟合,并求取各点误差值,图 4为移 动 200 m 的 位 移 测 量 结 果,误 差 最 大 为1.49 m。从多次测量结果看,该线结构光测量仪的线性度和重复精度都比较高,与测量仪的标称值一致,能满足微米级的位移测量要求。图 4 位移测量结果综合金属量块的轮廓和位移测量结果,线结构光测量仪的位移测量精度较高,接近微米级,测量的分辨率、重复精度和线性度也与仪器自身标称的参数相符。而该测量仪的金属表面轮廓测量精度大于10 m。4 线结构光法轮廓测量实验4.1
15、实验方法线结构光法和光切法均采用光三角测量原理,而光切法测量精度能达到微米级,为进一步探究线结构光法所能达到的轮廓测量精度,分别采用线结构光法和光切法对金属样块进行轮廓测量,选用触针法的测量结果作为评价标准,主要从光条图、轮廓曲线和粗糙度值三个方面,对比研究线结构光法与光切法的测量结果,分析影响测量精度的因素。测量对象选用不同粗糙度的金属样块,图 5 为被测样块,样块从 3-7 共分 5 个等级,粗糙度值依次减小。测量仪器:光切法选用具有图像采集功能的9J-D 光切显微镜,触针法选用 Taylor-Hobson 接触式轮廓仪。图 5 被测样块4.2 测量结果及分析4.2.1 光条图对比采用线结
16、构光法和光切法测量粗糙度样块 3-7,采集的光条图如图 6 所示。(a1)3 线结构光法(a2)4 线结构光法(a3)5 线结构光法(a4)6 线结构光法(a5)7 线结构光法(b1)3 光切法(b2)4 光切法(b3)5 光切法39商执亿,等:金属表面轮廓的线结构光测量研究http /(b4)6 光切法(b5)7 光切法图 6 光条图从图 6 光条图的质量分析,线结构光法采集的光条较细,但光条周围噪声毛刺较多,光切法采集的光条图边缘清晰、噪声少,图像质量比线结构光法好。从图 6 光条图的变化规律分析,采用线结构光法测量样块 3、4,光条图呈规律变化,但样块 5、6、7 光条图变化规律逐渐不明显。而采用光切法测量样块 3 7,光条图均能呈现明显的峰谷变化规律。4.2.2 轮廓曲线对比提取光条的边缘或中心,截取 5 个峰谷的数据绘制轮廓曲线,并与触针法测量的标准轮廓曲线进行对比,结果如图 7 所示。从图 7 轮廓曲线分析,采用线结构光法测量样块 3、4 的轮廓曲线变化规律和幅值大小与标准曲线结果保持一致,样块 5 变化规律变差,样块 6、7 呈无规律的变化,且幅值有所增加,波动均在十几微