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随着计算机和测量技术的飞速发展，逆向工程技术也得到了迅猛的发展。作为逆向工程最具代表性的设备，三坐标测量机在测量被测对象表面数据信息上起着至关重要的作用。但是，使用三坐标测量机测量通常需要很长时间，有时甚至需要几天。因此，它不能满足实时测量的需要。而且三坐标测量机还具有以下局限性：
①被测工件必须转移到三坐标测量机的平台上，如果被测工件太大或太重而很难移动，使用三坐标测量机将很难进行测量；
②对于复杂工件，三坐标测量机很难实现一次装夹完成测量。
近年来由于机器视觉技术的发展，三维激光扫描设备应用到逆向工程中，以三维激光检测为依托的逆向工程装备极大地推动了产品开发、设计的水平并缩短开发周期，取得了巨大的经济效益和社会效益。国内外研究机构相继推出了一系列以激光扫描为手段的逆向工程装备，例如英国3D Scanners公司将激光测头安装于机械手臂上，构成流动式三坐标测量机，可对物体进行多角度测量，美国Faro公司推出的便携式柔性关节臂测量机，可实现大范围测量。然而上述设备均须依靠进口，价格昂贵。日本Roland公司的LPX-250台式扫描仪，能以经济而精确的方式将实体物件进行数字化处理，但是，LPX-250扫描仪扫描速度慢，对顶部形面复杂的物体有测量盲区。
为了克服上述逆向工程装备的问题，提出一种新型自由曲面三维激光扫描系统。它是一种具有灵活性、可开发性、多功能性、低成本性的全自动的应用于小形工件及模型、模具表面数据检测及模型重构的新一代智能化逆向工程装备。
本文首先介绍了系统的机械结构与其运动学数学模型，然后对控制系统进行了描述，最后介绍了系统的标定试验和精度分析。
1 系统结构及运动学数学模型
1.1 系统结构
图1给出了自由曲面三维激光扫描系统的系统结构，系统由5部分组成：
①电气控制柜；
②主控计算机；
③具有电驱动装置的激光测头；
④C形滑臂；
⑤升降旋转台。
下文分别介绍系统上述5部分。
（图片）
图1 系统结构
1.电气控制柜 2.主控计算机 3.具有电驱动装置的激光测头
4.C形滑臂 5.升降旋转台 (1)电气控制柜。C形三维激光扫描系统的电气控制柜主要由三部分组成：端子电路板、供电电源、电动机驱动器。主控计算机发出控制信号给电气控制柜，由端子电路板分配给各个电动机驱动器驱动电动机运动，同时各个编码器、光栅尺及限位开关读取的信号通过端子板反馈给主控计算机，以记录激光测头和待测工件的空间位置。
(2)主控计算机。主控计算机由PC机、电动机控制卡、图像视频采集卡及控制软件组成。电动机控制卡的主要作用就是发送电动机控制脉冲，同时读取编码器的反馈信号。图像视频采集卡的主要作用是采集激光测头读取的数据。用户可以通过系统控制软件监控系统运行。
(3)具有电驱动装置的激光测头。激光测头为自行研制的线结构光激光双目测量传感器。激光测头固定在高精度圆弧形滑轨的电驱动滑块上。电驱动滑块可以沿滑轨运动，最大运动角度为120°，使扫描路径完全覆盖待测对象侧面及顶部的所有表面信息；同时，双目测头对于孔内表面信息也可以很好地复现。激光传感器由激光源发射线式结构光到待测工件上，由激光测头中的双目摄像机读取待测工件表面三维矢量数据信息，所得数据能够通过信号电缆传送到主控计算机。测头电驱动装置采用五相步进电动机驱动、涡轮涡杆传动的方式。涡轮涡杆不仅具有反向自锁功能，可以抵消装置自重对电动机的反作用力，同时还具有对电动机转矩输出放大的作用。图2给出了具有电驱动装置激光测头的机械结构图。
（图片）
图2 具有电驱动装置激光测头
1.可调整长度伸缩杆 2.滑块3.主安装架 4.五相电动机 5.编码器
6.涡轮涡杆 7.激光测头 (4)C形滑臂。C形滑臂作为具有电驱动装置激光测头运动的载体，为激光测头提供特有的高精度120°圆弧形运动轨迹，可以使激光测头扫描范围覆盖被测对象侧面及项部，同时也是激光测头供电与数据传输的载体。C形滑臂由高精度圆弧形滑轨、圆弧形齿条、主安装板和底座组成。主安装板断面设计为“工”字形，这样可以提高C形滑臂的抗变形能力。滑轨两端装有接近开关，可以使测头在初始化时精确定位，同时将测头运动轨迹限制在安全路径内。
(5)升降旋转台。升降旋转台是被测对象的载体。升降旋转台可以驱动被测物体水平自转和垂直升降。装置采用大直径压力轴承及均布的三个万向滚珠来保证平台旋转的水平精度，采用均布的三个导柱保证平台升降的垂直精度。同时使用编码器与光栅尺记录平台的空间位置。通过控制转台的旋转使激光测头完全扫描待测工件表面形状的数据信息。同时，系统可以控制激光测头沿C形滑臂运动、转台垂直升降，使激光测头扫描区域覆盖待测工件所有表面，从而实现无盲点三维激光扫描。由于独特的可变结构设计，可以根据不同规格的被测对象调整本体结构，其有效测量范围在φ300mm×300mm的圆柱之内。图3给出了升降旋转台的机械结构。（图片）
图3 升降旋转台内部机械结构图
1.大理石平台 2.压力轴承 3.旋转驱动齿轮组 4.万向滚珠5.升降驱动齿轮组
6.升降驱动电动机 7.旋转驱动电动机8.导柱 9.滚珠丝杠 10.光栅尺 11.底座 系统扫描精度为0.1mm，重复扫描精度为0.05mm，最大扫描范围为φ300mm×300mm，扫描速度为10000点/s。
1.2 系统运动学数学模型
C形三维激光扫描系统的线结构光激光传感器为系统提供二维点云数据，通过建立系统运动学数学模型将二维点云数据转化为三维点云数据，从而复现物体三维外形。
图4为C形三维激光扫描仪的三维CAD模型，根据扫描仪的扫描过程建立坐标系，如图5所示，设O系为参考坐标系，S系为升降转台坐标系，H系为滑块坐标系，L系为激光测头坐标系。待扫描物体置于升降转台上，即置于S系中，由L系激光测头扫描物体获取二维点云数据，并通过转台的旋转与激光测头的移动将二维点云数据还原为三维数据于S系中。
（图片） 应用旋动理论将坐标系间的关系用数学语言表示。由齐次坐标系变换公式
（图片） 式中φ为测头运动角度，可由C形臂编码器读出；θ为转台旋转角度，可由转台编码器读出；h为转台高度，可由转台光栅尺读出；r为测头移动轨迹圆半径，r=500mm；b，m，n为手眼参数，由标定试验测量得出。（图片） 式中S、C分别代表sin、cos。
1.3 系统参数标定
由系统的运动学数学模型可知，系统参数m，n，b是待标定参数，对于参数m、n，由空间一特征点P，通过激光测头在两个不同位置读取P点在激光测头坐标系中的坐标，即可利用三角公式计算出参数m，n。
如图6所示，O点为世界坐标系原点，O1，O2为不同角度测头坐标系原点，O＇为光轴交点，特征点P在O1中坐标为(y1，z1)，在O2中坐标为(y2，z2)，φ已知。可以得到
（图片） （图片） 对于参数b，将激光测头调整到垂直的位置，并令光平面通过转台圆心，同时测量圆心特征点的坐标，测头读取的特征点y方向坐标值即为参数b的值。
2 控制系统
C形三维激光扫描仪控制系统结构如图7所示。上述系统可以分成4个部分。
（图片） 激光传感器控制单元(A)：由双目激光测头和数据采集卡组成，在系统初始化完成后，主控计算机发出触发信号使激光测头开始测量，并由数据采集卡将测量数据反馈给主控计算机。
测头运动控制单元(B)：控制激光测头沿圆弧形滑轨运动，使测量范围可以覆盖被测对象的侧面及顶部表面数据信息，辅以双目测量，实现被测对象表面数据信息无盲点扫描。
转台升降控制单元(C)：使被测对象做垂直升降运动，配合测头运动控制单元使被测对象处于最佳扫描位置。
转台旋转控制单元(D)：控制被测对象自转，使测头测量到被测对象的每一个截面，同时可以控制被测对象以不同的速度自转，获得不同的扫描密度。
A、B、C、D，4个单元相互配合，完成对被测对象表面数据信息无盲点扫描。
3 系统软件结构
图8给出了系统控制软件的模块组成结构。该系统控制软件是一个由若干功能模块组成的高集成软件包。系统界面开放，可以根据需求方便地扩展系统操作功能。由于激光测头读取的点云数据密度较大，在系统软件设计中充分地考虑了系统数据传输及数据处理的快速性，因而，系统控制软件可以实时地显示待测工件形貌三维点云数据。系统控制软件还可以对点云数据进行三角化处理、平滑处理及自动拼合处理，使扫描数据可以完全复现待测工件的真实外形。由于篇幅所限，仅给出控制软件的主界面(图9)。
（图片） （图片） 4 系统标定试验和精度分析
4.1 编码器及光栅尺标定
C形三维激光扫描系统使用编码器与光栅尺记录激光测头及被测对象空间位置，须对编码器及光栅尺进行标定，从而确定它们每个脉冲输出对应的激光测头及待测工件移动的距离及系统精度。
4.1.1 C形臂编码器的标定
将一个标定编码器置于转台上，通过刚体杆与滑块连接。以不同速度令滑块由下限位走到上限位，读取C形臂编码器与标定编码器的读数，试验数据见表1。
（图片） 因编码器精确到个位，结合表1数据，可知标定编码器输出1个脉冲等价于C形臂编码器输出31个脉冲。编码器分辨率为3600脉冲/r，弧形轨半径为500mm，易知滑块可精确到0.003°，滑块控制精度为0.03mm，而激光测头的测量系原点轨迹半径仪为C形滑臂半径的0.15倍，故激光测头的控制精度为0.0045mm。
4.1.2 转台编码器精度计算
编码器安装在小齿轮侧，大齿轮齿数为112，小齿轮齿数为18，转台旋转一周编码器读数为3600×112/18=22400。编码器每个脉冲输出对应转台旋转0.016°。
4.1.3 转台光栅尺标定
转台由下限位走到一定位置(以不同高度确定其线性)，记录光栅尺与高度尺的读数于表2中。其中h1为下限位高度尺读数，h2为一定位置高度尺读数，s为行程，d为光栅尺读数，a为光栅尺每个单位脉冲输出对应转台移动量。由表2中数据知，光栅尺每个脉冲输出对应转台升降0.02mm。
（图片） 4.2 精度分析
由于系统在工作过程中会受到振动干扰、人为因素等不可预知情况的影响，采用直接对扫描结果进行分析的方法。如图10所示，通过扫描高精度标准件塔状圆饼，利用系统控制软件的测量工具测量其中一个参数与实际参数进行对比，得出系统误差分布供后续分析。测量工件最大直径，该参数标准值为d=180mm±0.02mm。实际测量值最大误差值如表3所示。
（图片） （图片） 从表3可以看出系统整体精度对比标准件有一个数量级的差距，而该系统在工作过程中受到振动干扰导致的精度损失是重要原因。近期作者开发了一种自适应振动补偿策略用于补偿振动干扰导致的精度损失，采用该策略后系统整体精度有所改善，测得的标准件数据如表4。
（图片） 4.3 扫描数据
标定好系统参数后，对待测工件进行扫描，图11为气缸工件点云数据及三角化后的扫描结果。可以看出，数据平滑，拼接良好，系统对被测对象表面数据信息实现了很好的复现。
（图片） 5 结论
(1)集成光机电技术于一体，研制出新型逆向工程装备，实现对工件的实时快速检测。
(2)建立所研制系统的数学模型，对系统各个部分进行标定。
(3)对所研制系统进行试验验证，结果表明，系统整体精度在0.2mm左右，通过自适应振动补偿策略系统精度提高到0.1mm，后续工作将重点集中在系统误差补偿上。同时，作为一种新型的逆向工程装备，该装备将有望在推动制造业自动化发展方面起到积极促进作用。
4/7/2012
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