基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統開發

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，通過安裝在Z軸上的激光位移傳感器獲取曲面上點的坐標，完成待測曲面的測量并形成曲面點云，進而通過曲面重構構造所測量的曲面模型。以？準20mm的標準球上半球面重建為例對系統的可行性和有效性進行了測試。測試結果表明，測量數據最大誤差為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：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0140-03

0 ?引言

作為一種自動化技術，逆向工程廣泛應用于新零件設計、現有零件復制、破損零件修復、數字模型檢驗與精度提高等領域[1]。與傳統設計順序截然不同，逆向工程通過測量現有零件獲取模型數據重構零件模型。現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表面、測量精度高及相對測量范圍大等優點，在機械工業中得到廣泛應用。單點激光位移傳感器的測量方法因其具有測量精度高、數據量小、頻率響應好且不受環境光源影響等優點廣泛應用于工業檢測[4-5]。隨著IPC（Industrial Personal Computer，工業個人計算機）和基于Windows的運動控制卡的興起，桌面型運動控制系統蓬勃興起并在工業生產中得到大量應用[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，構建基于激光位移傳感器、IPC、運動控制卡的三維曲面逆向建模測量平臺，研究Z軸高度自適應調整策略，實現根據曲面起伏情況自適應使目標測量位置位于激光傳感器有效測量范圍內，具有重要理論與現實意義。

1 ?系統開發

基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統方案如圖1所示。系統由IPC、運動控制卡、三軸運動平臺、激光位移傳感器、采集卡等模塊組成。IPC是系統的控制核心，根據三維曲面大小、位置輸出運動指令到運動控制卡中，運動控制卡執行運動指令驅動三軸運動平臺帶動激光位移傳感器進行三維空間運動，使激光位移傳感器運動到三維曲面各個采集點的采集位置。激光位置傳感器到達指定采集位置后，采集卡將激光位移傳感器通過測量獲得的電壓信號轉換成數值信號，同時IPC通過讀取采集卡轉換的數據實現對三維曲面上各采集點坐標的測量。IPC測量完三維曲面各采集點坐標后，根據點云數據進行曲面擬合，實現三維曲面重構，完成逆向建模。

基于上述系統方案，三維曲面逆向建模系統硬件組成及連線如圖2所示。系統除IPC外，采用24V開關電源進行供電。IPC通過人機交互形成運動控制指令后，通過100M高速實時以太網接口與IMC運動控制卡進行通信。IMC運動控制卡選用IMC3041E類型，具有4軸運動控制功能，采用RJ45接口通訊，抗干擾性能好。IMC運動控制卡接收到運動執行指令后，將X、Y、Z等3軸的脈沖和放線信號分別發送給3個HBS57步進電機驅動器，進而分別驅動三軸運動平臺中X、Y、Z等3個運動軸進行運動，實現所需的三維空間運動。激光位移傳感器安裝在三軸運動平臺的Z軸上，當平臺運動到指定測量點時，激光位移傳感器則實時將測量值以模擬量的形式輸出。USB采集卡則實時將激光位移傳感器輸出的模擬量轉換成數字量并通過USB接口將數據傳送到IPC中。基于交互界面獲取的測量信息，IPC通過不斷輸出運動控制指令驅使三軸運動平臺帶動激光位移傳感器運動到各個測量位置，同時通過USB讀取相應位置的測量結果，即可獲得待測三維曲面的測量數據。在上述硬件組成的基礎上，搭建三維曲面逆向建模系統實物圖如圖3所示。

基于上述硬件平臺，構建三維曲面數據采集流程如圖4所示。測量初始時，先對平臺進行初始化作業，包括建立硬件連接、設定硬件參數和運動軸原點位置、設定X軸范圍（Xmin，Xmax）、Y軸運動范圍（Ymin，Ymax）、測量過程中移動步長？駐S等，并將當前位置移至（Xmin，Ymin）。接著，令（Xmin，Ymin）為當前XY平面坐標（XC，YC），并將運動平臺X軸、Y軸移動至（XC，YC）。進而，移動Z軸使激光位移傳感器位于可測量位置，測量當前距離并保存當前點坐標信息。隨后，XC=XC+？駐S，若XC

鑒于傳感器與陶瓷標準球之間存在距離，激光位移傳感器所測量的數據并非標準球實際坐標點，為了能夠更好理解三維逆向建模系統的數據特征，本課題定義了三個坐標系：ZM為平臺坐標系，ZL為激光傳感器坐標系，Z為最終坐標系。測量系統設定的坐標系為平臺坐標系，傳感器的測量點為傳感器坐標系，為了將兩者坐標系統一到最終坐標系下，須進行坐標轉換得到最終坐標。坐標轉換圖如圖5所示，X軸表示的是平臺的坐標，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準球，經計算可得轉換公式如下：Z=ZM+ZL

公式中，Z為最終坐標，ZM為平臺坐標，ZL為激光傳感器示數。

2 ?系統測試

為驗證三維曲面逆向建模平臺的可行性和有效性，標準球面建模為例，對系統進行測試。標準球面采用直徑為？準20mm的陶瓷標準球構建，建模范圍選擇上表面。為了保證測量系統可以掃描到整個標準球的上表面，通過軟件設定X軸和Y軸范圍為（-10，10）、測量過程中移動步長？駐S=0.5mm，并將當前位置移至（Xmin，Ymin）。接著，令（Xmin，Ymin）為當前XY平面坐標（XC，YC），移動Z軸使激光位移傳感器位于可測量位置，測量當前距離并保存當前點坐標信息。在軟件主界面中進入編輯模式，選用多軸聯動指令，勾選X軸并輸入？駐S，勾選運動相對距離，保存程序。每點擊運行此程序一次，XC=XC+？駐S，若XC

系統測得標準球表面點云數據如圖7所示。將測量的上述點云數據導入Matlab分析軟件中，并與標準球面的數據進行分析對比，得到各測量點誤差分布如圖8所示。由圖中結果可知，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主要位于標準球邊緣附近，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，激光被發射偏離了方向，導致激光位移傳感器檢測誤差增大。基于上述測試結果，基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模平臺能夠有效獲取表面點云數據，且測量精度符合工程要求。

3 ?小結

①提出了基于激光位移傳感器的三維曲面逆向建模系統方案，構建了在Z軸上安裝激光位移傳感器的系統硬件平臺。②提出了三維曲面數據采集流程，通過獲取曲面上點的坐標完成待測曲面的測量，進而通過測量得到的曲面點云重構構造所測量的曲面模型。③以？準20mm的標準球上半球面重建為例對系統的可行性和有效性進行了測試，測量數據最大誤差為0.3379mm，精度符合工程要求。

參考文獻：

[1]Nabil Anwer， Luc Mathieu. From reverse engineering to shape engineering in mechanical design[J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology， 2016， 65：165-168.

[2]Yunzhi Wang， Fang Xie， Sen Ma， et al. Review of surface profile measurement techniques based on optical interferometry[J]. Optics and Lasers in Engineering， 2017， 93：164-170.

[3]Zhenzhou Wang. A one-shot-projection method for measurement of specular surfaces[J]. Optics Express， 2015， 23（3）：1912-1929.

[4]Shinozaki R， Sasaki O， Suzuki T. Fast scanning method for one-dimensional surface profile measurement by detecting angular deflection of a laser beam[J]. Applied Optics， 2004， 43（21）：4157-63.

[5]Giri Paritosh， Kharkovsky Sergey. Detection of Surface Crack in Concrete Using Measurement Technique With Laser Displacement Sensor[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement， 2016， 65（8）：1951-1953.

[6]王澤龍，黃發燈，邱丹敏，傅毅霖，許曉惠.二維輪廓設計與運動控制系統設計與開發[J].價值工程，2017，36（08）：94-95.