基于关节臂的线结构光扫描系统关键技术研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1引言1.1.1基于正交系的三坐标测量1956年，英国的Ferranti推出世界上第一台以光栅作为长度基准并数字显示的现代意义上的三坐标测量机(CMM)；1969年，该公司又推出具有计算机图形辅助与计算机控制功能的三坐标测量机，自此宣告三坐标测量时代的到来。1975年，英国的Renishow公司推出三维触发式测头，标志着接触式测量技术进入黄金期。随着制造工业的发展，坐标测量机的需求变得越来越大，三坐标测量在机械设计、数字信号采集与处理、运动控制、误差补偿等技术上也已经发展到很高的水平，并且形成独立的知识体系[1]。到二十世纪九十

2、年代，制造加工和计量测试技术理论空前发展，促使三坐标测量系统与精密机床、数控中心等大型精密仪器构成集制造、加工及检测于一体的系统，在敏捷制造加工、虚拟设计制造、并行工程以及逆向工程等领域都取得了重大突破[2,6]。目前，固定桥式、龙门式和移动桥式是最常见的正交式结[2]。到二十一世纪，三坐标测量机已经发展成为集光学、机械、电子学以及计算机科学为一体的高精度、高效率的自动化检测设备，但基于正交坐标系的传统的三坐标测量机体积大，并且各轴只能在导轨上使用，不利于便携，在室外测量、现场测量、狭小空间测量、大尺寸测量等场合的使用上受到了极大的限制，传统的三坐标测

3、量技术已经无法满足各个场合下的检测需要[3]。1.1.2基于非正交系的三坐标测量非正交坐标测量系统是随着工业检测需求的不断增长而正交坐标系统已经无法满足的情况下逐渐发展起来的，其硬件的主要部件是角度编码器和回转轴承，制造成本方面远低于传统三坐标测量机器，并且在使用时，由于不受导轨运动限制，测量空间范围有了质的突破[4]。正交式测量机采用的是基于长度基准的测量，而非正交测量机则采用的是角度基准，在精度方面会比正交式稍差[4,5]。在结构设计方面，非正交测量系统设计轻巧，可拆卸、便于携带，不仅能完成工件外围尺寸的测量，还能伸缩至工件内空间测量，测量方式灵活

4、多样，对测量环1第一章绪论境要求不高，素有“现场测量王者”的美誉，是对高精度基站式的正交测量系统的补充，并且成为近年来三坐标测量技术主流研究发展方向[5]。基于非正交坐标测量系统的代表性的仪器设备有：激光跟踪仪、经纬仪、全站仪、关节臂测量机。本文的研究课题是基于关节臂的线结构光扫描系统，下面先介绍一下关节臂测量机的发展[7,8,9]。基于非正交坐标系统的关节臂具有重量轻、体积小、操作方便、便于携带、测量范围大、价格适宜等特点[4]。关节臂的功能、工作效率、精度和测头密切相关[5]。关节臂测量机是基于仿生学原理，主要针对超大、超重、不便于移动的工件的测量

5、[6]。1986年日本小阪研究所研制了两关节的关节臂测量机；1996年德国科学家Wlotze设计了具有扫描功能的ScanMax型双关节测量机[4]。目前，国外在这一领域的技术已经发展的很成熟，美国Cimcore公司、FARO公司以及法国的ROMER公司是这一领域的领导者，Cimcore和ROMER都是海克斯康集团旗下的子品牌。常见的关节臂一般是六自由度式，如下图1-1所示，a为ROMER绝对式关节臂，b为Cimcore公司的StringerIIi关节臂。该三家公司的产品根据测量半径等级分为不同的精度等级，值得一提的是，国际上对关节坐标的精度还没有一个统

6、一的评定标准。从上世纪九十年代开始，国内以天津大学为首的也对三坐标测量和关节臂展开了研究，经过近二十年的努力，目前已经取得了很大进步，理论算法方面都已经比较成熟，并且也有了国产独立自主品牌，但由于结构工艺和基本元器件性能上的差异，目前以如洋为代表的关节臂只面向中低端市场，总体水平上还与国外产品有一定差距，如图1-1.c。总之，国内关节臂测量市场仍然为国外产品垄断，国产品牌要完全改变这种状况仍有很长的路要走。cab图1-1ROMER绝对臂、StringerIIi关节臂与如洋关节臂2第一章绪论1.2课题研究的背景与意义三维视觉测量中，结构光法以其测量速度快

7、、获取物体表面信息量大等优点，在近年来非接触式测量方法中得到广泛的应用[10]。关节臂的测头可以看做是一种传感器，但它比一般的传感器的结构要复杂，按照结构原理可分为机械式、光学式和电气式三种，按照测量方法可分为接触式和非接触式两种[4-6]。接触式测头又可分为机械测头，触发测头和扫描测头，机械测头为早期测头，使用较多的是触发测头[2]。非接触式测头也叫光学测头分为激光测头和光学视频测头,与接触式测头相比，非接触式测头具有诸多突出优点[2,3]：（1）没有测量力，便于测量柔软和易变形的物体；（2）能进行扫描测量，测量速度快，便于流水批量操作；（3）测量信

8、息丰富，CCD摄像机还可以探测物体表面的二维信息[5]。视觉测量分激光三角法、结构光法和工业C