針對工件外形尺寸的點激光自動化測量系統

李書元，江衛華，劉 杰

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073）

工件外形尺寸測量的準確性和快速性直接影響其質量和效率。而傳統的人工測量手段往往需要輔助測量，效率低且不能滿足工件尺寸測量高精度、高速度的要求[1-5]。

我國第三方檢測行業市場規模從2009年到2016年以來均保持8%以上的增長速度。由此可見，檢測行業的市場正在逐步打開，但同時對檢測技術的要求也越來越高，測量開始朝著高效、準確和無損傷的方向發展。

20世紀60年代以來，激光檢測技術應用尤為廣泛，主要用于三維型面的精密測量、各種形位誤差、尺寸要素的測量等，利用光的干涉、衍射和散射進行檢測已經有很長的歷史，衍生出很多產品。日本Keyence公司生產的LD系列和德國MEL公司生產的M7系列，都是將激光運用于尺寸參數測量的[6-7]。

雖然我國在高精度、自動化方面取得的成果與國外有一定差距，但隨著激光非接觸檢測技術的廣泛應用和不少學者論文的發表，國內對激光測量領域的研究越來越活躍，工件外形尺寸的點激光測量系統的研究越來越引起廣泛的關注，它解放了勞動力，提高了工作效率和準確度，可保證無磨損、抗干擾的測量，對提高生產力和自動化程度具有重要的意義[8-10]。

本文采用點激光完成了對工件外形尺寸的自動化測量，系統已經投入到對電流型互感器的檢測中。

1 測量原理

系統采用基于平面三角幾何的激光三角反射式測量法進行小型工件的非接觸測量，以工件的底部為安裝部位，工件通過夾具固定在R軸旋轉臺上，激光傳感器通過自身的小孔安裝在測量設備的Z軸上，其他幾個軸在微控步進電機的帶動下掃描工件表面。

如圖1所示，激光二極管投射一個可見光斑到被測物體表面上，反射光由光鏡組接收后反射在數字感光片上成像，產生的電信號被轉換成被測物的位移信號。傳感器與被測物體表面之間的距離決定光斑的中心位置，當兩者距離發生變化時，激光反射角度相應變化，成像位置也相應變化。根據物點的距離，從而實現內部尺寸的測量。

圖1 測量原理圖Fig.1 Measurement schematic

2 系統組成與方案設計

2.1 系統組成

測量系統由五維運動平臺、控制系統、點激光傳感器、人機交互界面和主控計算機組成。其中，五維運動平臺主要包括X、Y、Z3個滑軌以及R、P2個旋轉軸。系統組成如圖2所示。

圖2 系統組成圖Fig.2 System composition diagram

人機交互盒與控制箱通過串口雙向通訊；激光與控制箱基于串口通訊的RS422總線連接；PC與控制箱通過TTL通訊接口連接，PC將步序列通過TTL接口傳送給控制箱；控制箱將步序列指令轉換為脈沖信號發送給電機控制器，控制五維運動平臺電機的運動，而五維運動平臺也將信息反饋給電控箱，五維運動平臺與控制箱通過脈沖雙向傳遞數據。

2.2 方案設計

系統采用點激光傳感器配合以步進電機對整個工件進行三維采樣，系統的5個軸分別由5個步進電機控制，其中，X、Y、Z軸作三維平移運動，R、P軸作二維回轉運動，通過組合上述運動，自動實現對工件6個面中的5個面進行點掃描，對獲得的點云數據進行處理得到物體的三維模型，從而獲得各個尺寸信息。

測量臺的運動控制模式可通過人機交互界面的按鈕選擇，通過電機驅動器驅動電機使測量臺運動，編碼器的信息實時反饋給PC，激光采集的數據傳送給下位機控制器，下位機控制器將電機的運行狀態以及激光的數據進行初處理返回給PC，系統總體框架如圖3所示。

圖3 系統總體框圖Fig.3 Overall system block diagram

通過上位機發送步序列給下位機，下位機按照相應指令進行運動，再將數據實時傳輸給上位機，上位機主要進行數據的處理和分析以及報表輸出，下位機主要控制傳感器的測量和控制5個軸的移動，系統流程圖如圖4所示。

圖4 系統流程Fig.4 System flow chart

3 數據采集

對于本測量系統來說，數據采集尤為重要，它包括光柵尺、編碼器和激光數據的實時采集，光柵尺和編碼器是通過嵌入式內部定時器外設的編碼器功能進行數據的實時采集，采集頻率高、可靠性高。激光數據是通過嵌入式串口的DMA功能進行實時采集，可有效釋放MCU的資源。

本方案的數據采集是通過MCU、PC以及控制箱實現的。采用多個傳感器，控制箱需對這些傳感器的采樣和數據傳輸進行合理的分配。

MCU發送準備采樣的信號給PC，PC采用軟件輪詢的方式接受信號，一旦收到MCU的采樣信號就返回應答信號給它，緊接著MCU采集光柵值并復位初始電平信號，等待PC采樣信號；同時，PC采集傳感器數據，激光數據通過網絡傳輸給控制箱，而光柵傳感器的數據通過串口和USB傳輸給控制箱，控制箱將接收的數據送給PC，采集完畢后復位初始信號且開始輪詢MCU采樣信號，避免由于采樣時刻不一致造成的系統誤差。數據采集如圖5所示。

圖5 數據采集Fig.5 Data acquisition graph

4 點激光標定

為了保證系統后續的測量精度要對激光光束進行標定，激光安裝在測量臺的Z軸上，利用至少2個標靶面標定點激光的方向向量，標定完成后對被測平面點云數據進行平面擬合，計算平面間距，從而獲得工件外形尺寸。

4.1 坐標系的建立與轉換

理想狀態下坐標系之間可通過旋轉和平移后重合（此重合與實際坐標系三軸間夾角沒有關系）。設定平臺坐標系o-xyz原點為各光柵尺零位，自行建立測量坐標系o1x1y1z1和激光坐標系o2x2y2z2，3個坐標系都與3個導軌平行，其中激光的方向與x軸導軌方向相反。平面方程表示為

將激光值轉換測量坐標系的轉換關系可表示為

本文中，為便于分析，以一個標靶平面Σ初始位置與激光束L的交點P為原點，故在o1x1y1z1下激光值表示為（ld，md，nd）。

4.2 光束標定原理

激光光束的標定至少需要2個標靶面，若打第一個標定平面上的第一點為（x1，y1，z1），激光的數據為L1，打第二個點得出激光的數據L2，則ΔL=L2-L1。標定原理如圖6。

圖6中，光束L所在直線在坐標系o1x1y1z1內的方程可表達為

圖6 標定原理Fig.6 Calibration principle

Σ平面方程表達式：

式中：光束方向向量為（l，m，n）；平面 Σ 法向向量為（A，B，C）；k為參數。

將Σ平面沿X1軸移動Δdx（X1軸光柵尺讀數的增量），此時，光束變為L1，L1與Σ平面的交點為P1，P1坐標為（xp，yp，zp），可表示為（lΔL1，mΔL1，nΔL1）

激光束長度的變化量為ΔL1=L1-L，此時Σ的平面方程變為

將P1帶入式（1），可得：

同理，將Σ平面沿y1和z1軸分別移動Δdy和Δdz（y1和z1軸光柵尺讀數的增量），平面在L上的截距為 ΔL2=L2-L，ΔL3=L3-L，可得：

其中，（lA+mB+nC）為常數，則平面向量（A，B，C）表示為（ΔL1/Δdx，ΔL1/Δdy，ΔL1/Δdz），記為（t11，t12，t13），帶入式（1）變換后，則有：

改變Σ平面的方位，經過同樣的過程，可以得到另一個方程

其中，（t21，t22，t23）由（ΔL2/Δdx2，ΔL2/Δdy2，ΔL2/Δdz2）表示。

已知，

聯立式（10）、（11）、（12），即得到（l，m，n）。

5 實驗結果與分析

按上述標定獲得（l、m、n），就可以獲得被測面上測量點在o1x1y1z1的坐標，從而將激光的一維長度值轉換為三維坐標值，繼而獲得被測表面的點云數據。通過旋轉R和P軸，可得到另一個測面的信息，用最小二乘法對被測平面點云數據進行平面擬合，計算平面間距，從而獲得工件外輪廓長、寬、高等尺寸信息。

將實驗得到的量塊2個平面的數據在Matlab中進行擬合，可得到2個平面的方程系數和夾角，根據已經得到的R軸旋轉中心點的坐標，計算點到2個平面的距離絕對值之差得到平面間距，與量塊厚度進行對比，計算出平面擬合誤差。

如圖7為等間距激光打點測量所得到的量塊2個平面的數據在Matlab中擬合的結果。擬合計算的誤差在0.02 mm以內，又考慮到激光的測量誤差為0.02 mm，運動平臺機械誤差為0.09 mm，可得到系統的均方根誤差為0.058 mm，滿足要求。

圖7 平面擬合Fig.7 Plane fitting

6 結語

系統以LMZ3D型電流互感器為檢測對象，旨在提供一種工件外形尺寸點激光自動化測量方法，測量精度高，節約勞動成本；提供可視化觸摸屏操作，界面友好；自動化測量，簡單方便；檢測過程三維可視，數據結果易于追溯；檢測結果采用表格直觀顯示，反饋給用戶，并有打印輸出功能。