基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模系统开发

林琪锋

摘要：提出基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模系统，通过安装在Z轴上的激光位移传感器获取曲面上点的坐标，完成待测曲面的测量并形成曲面点云，进而通过曲面重构构造所测量的曲面模型。以？准20mm的标准球上半球面重建为例对系统的可行性和有效性进行了测试。测试结果表明，测量数据最大误差为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 ？准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.

關键词：激光位移传感器;曲面;逆向建模

Key words： laser displacement sensor;curved surface;inverse modeling

中图分类号：TP274                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）20-0140-03

0  引言

作为一种自动化技术，逆向工程广泛应用于新零件设计、现有零件复制、破损零件修复、数字模型检验与精度提高等领域[1]。与传统设计顺序截然不同，逆向工程通过测量现有零件获取模型数据重构零件模型。现有零件的方法主要有接触式测量和非接触式测量两种[2-3]。非接触式测量方法因其具有不破坏目标表面、测量精度高及相对测量范围大等优点，在机械工业中得到广泛应用。单点激光位移传感器的测量方法因其具有测量精度高、数据量小、频率响应好且不受环境光源影响等优点广泛应用于工业检测[4-5]。随着IPC（Industrial Personal Computer，工业个人计算机）和基于Windows的运动控制卡的兴起，桌面型运动控制系统蓬勃兴起并在工业生产中得到大量应用[6]。

因此，研究基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模策略，构建基于激光位移传感器、IPC、运动控制卡的三维曲面逆向建模测量平台，研究Z轴高度自适应调整策略，实现根据曲面起伏情况自适应使目标测量位置位于激光传感器有效测量范围内，具有重要理论与现实意义。

1  系统开发

基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模系统方案如图1所示。系统由IPC、运动控制卡、三轴运动平台、激光位移传感器、采集卡等模块组成。IPC是系统的控制核心，根据三维曲面大小、位置输出运动指令到运动控制卡中，运动控制卡执行运动指令驱动三轴运动平台带动激光位移传感器进行三维空间运动，使激光位移传感器运动到三维曲面各个采集点的采集位置。激光位置传感器到达指定采集位置后，采集卡将激光位移传感器通过测量获得的电压信号转换成数值信号，同时IPC通过读取采集卡转换的数据实现对三维曲面上各采集点坐标的测量。IPC测量完三维曲面各采集点坐标后，根据点云数据进行曲面拟合，实现三维曲面重构，完成逆向建模。

基于上述系统方案，三维曲面逆向建模系统硬件组成及连线如图2所示。系统除IPC外，采用24V开关电源进行供电。IPC通过人机交互形成运动控制指令后，通过100M高速实时以太网接口与IMC运动控制卡进行通信。IMC运动控制卡选用IMC3041E类型，具有4轴运动控制功能，采用RJ45接口通讯，抗干扰性能好。IMC运动控制卡接收到运动执行指令后，将X、Y、Z等3轴的脉冲和放线信号分别发送给3个HBS57步进电机驱动器，进而分别驱动三轴运动平台中X、Y、Z等3个运动轴进行运动，实现所需的三维空间运动。激光位移传感器安装在三轴运动平台的Z轴上，当平台运动到指定测量点时，激光位移传感器则实时将测量值以模拟量的形式输出。USB采集卡则实时将激光位移传感器输出的模拟量转换成数字量并通过USB接口将数据传送到IPC中。基于交互界面获取的测量信息，IPC通过不断输出运动控制指令驱使三轴运动平台带动激光位移传感器运动到各个测量位置，同时通过USB读取相应位置的测量结果，即可获得待测三维曲面的测量数据。在上述硬件组成的基础上，搭建三维曲面逆向建模系统实物图如图3所示。

基于上述硬件平台，构建三维曲面数据采集流程如图4所示。测量初始时，先对平台进行初始化作业，包括建立硬件连接、设定硬件参数和运动轴原点位置、设定X轴范围（Xmin，Xmax）、Y轴运动范围（Ymin，Ymax）、测量过程中移动步长？驻S等，并将当前位置移至（Xmin，Ymin）。接着，令（Xmin，Ymin）为当前XY平面坐标（XC，YC），并将运动平台X轴、Y轴移动至（XC，YC）。进而，移动Z轴使激光位移传感器位于可测量位置，测量当前距离并保存当前点坐标信息。随后，XC=XC+？驻S，若XC

鉴于传感器与陶瓷标准球之间存在距离，激光位移传感器所测量的数据并非标准球实际坐标点，为了能够更好理解三维逆向建模系统的数据特征，本课题定义了三个坐标系：ZM为平台坐标系，ZL为激光传感器坐标系，Z为最终坐标系。测量系统设定的坐标系为平台坐标系，传感器的测量点为传感器坐标系，为了将两者坐标系统一到最终坐标系下，须进行坐标转换得到最终坐标。坐标转换图如图5所示，X轴表示的是平台的坐标，Y轴表示的是XY平面，矩形表示的是激光位移传感器，圆弧表示的是陶瓷标准球，经计算可得转换公式如下：Z=ZM+ZL

公式中，Z为最终坐标，ZM为平台坐标，ZL为激光传感器示数。

2  系统测试

为验证三维曲面逆向建模平台的可行性和有效性，标准球面建模为例，对系统进行测试。标准球面采用直径为？准20mm的陶瓷标准球构建，建模范围选择上表面。为了保证测量系统可以扫描到整个标准球的上表面，通过软件设定X轴和Y轴范围为（-10，10）、测量过程中移动步长？驻S=0.5mm，并将当前位置移至（Xmin，Ymin）。接着，令（Xmin，Ymin）为当前XY平面坐标（XC，YC），移动Z轴使激光位移传感器位于可测量位置，测量当前距离并保存当前点坐标信息。在软件主界面中进入编辑模式，选用多轴联动指令，勾选X轴并输入？驻S，勾选运动相对距离，保存程序。每点击运行此程序一次，XC=XC+？驻S，若XC

系统测得标准球表面点云数据如图7所示。将测量的上述点云数据导入Matlab分析软件中，并与标准球面的数据进行分析对比，得到各测量点误差分布如图8所示。由图中结果可知，测量误差介于[0.005，0.3379]之间，最大误差为0.3379mm。其中，测量误差较大的测量点主要位于标准球边缘附近，究其原因主要是在靠近球边缘附近，由于陶瓷球面的镜面作用，激光被发射偏离了方向，导致激光位移传感器检测误差增大。基于上述测试结果，基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模平台能够有效获取表面点云数据，且测量精度符合工程要求。

3  小结

①提出了基于激光位移传感器的三维曲面逆向建模系统方案，构建了在Z轴上安装激光位移传感器的系统硬件平台。②提出了三维曲面数据采集流程，通过获取曲面上点的坐标完成待测曲面的测量，进而通过测量得到的曲面点云重构构造所测量的曲面模型。③以？准20mm的标准球上半球面重建为例对系统的可行性和有效性进行了测试，测量数据最大误差为0.3379mm，精度符合工程要求。

参考文献：

[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]王澤龙，黄发灯，邱丹敏，傅毅霖，许晓惠.二维轮廓设计与运动控制系统设计与开发[J].价值工程，2017，36（08）：94-95.