激光扫描系统误差修正(翻译).doc

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1、三维激光扫描测量设备的系统误差修正作者：A.Isheil,J.-P.Gonnet,D.Joannic,J.-F.Fontaine文献信息：文献历史：2009年10月21日收到初稿2010年9月7日收到修订稿2010年9月7日审核通过译者：时间：2012年1月19日关键字：激光扫描不确定度误差修正三维检查摘要：基于激光扫描的非接触测量技术具有快速获取大量位点信息的优点。然而，众所周知，这种技术与接触式测量系统相比，具有较低的精确度。本文的主要工作在于通过一个误差修正程序来改善这种技术的精确度，这个修正程序是以一

2、个关于机械零件的实验性过程为依据。文中研究了三个参量、相对位置的规定以及传感器与目标表面的夹角对实验结果的影响。这一过程提出了常用的实验性的球形误差模型并将其运用到一个由平面和曲面构成的典型零件。尽管随机误差有了轻微的增加，但是与参考值相比，系统误差减少了一半。形成这一现象的原因在于没有考虑激光传感器的区域响应。将传感器的区域响应考虑在内的第二个模型也已经开发出来。将其运用于一个检查机械零件的实例展示出对测量结果修正的改善。1、引言如今，机器零件的测量手段，大多是采用具有动态接触传感器的坐标测量仪（CMM）基

3、于使用最先从传感器传回的数据。从那以后，这种仪器在测量学科上的表现一直未得到显著改善。虽然这些测量技术在适用于工业应用要求时，可以提供令人满意的结果。但是，位点测量的低速性造成了使用的不便，究其原因有以下几点：l这种测量手段没有提供精度分级值。尽管保证结果的质量很有必要，但也增加了得到结果的时间；l当测量表面是歪曲的时候，点的密度增加了测量时间；l当工件的刚性较低时，传感器的接触将会使其局部变形。与此相反，非接触传感器（基于光学技术）能够迅速获得大量位点信息（大约10,000点/秒）[1]。然而，目前市场上的

4、激光传感器还不能达到传统的动态接触式传感器的精度。通常，这些设备的制造商所提供的精确度是需要与接触式传感器相比的十个因素之一。例如，在本实验中所选用的METRISLC50型传感器，将一个具有15mm直径的球体的测量的不确定度扩大到了50μm±3σ。并且，这种精确度依赖于不同的参数，诸如材料质地、表面纹理、工件颜色等。因此，为了将此项技术应用于机械零件检查领域，有必要控制好它们的最佳测量特性。这篇文章的目的在于阐明，激光平面扫描仪的测量结果的精确度在测量位置和测量方向两个参量方面的评估。依据实验测量误差的测定，

5、一个系统误差模型得以建立。这一模型用来修正每一个数字化位点。获得的结果将会与通过传统的接触式测量技术获得的参考值相比较。1、测量设备这种被考虑选取的测量设备主要由激光传感器LC50（Metris）构成，基准距离为100mm，场景深度为50mm，扫描宽度为50mm（参见图1）。这是一种基于活动三角法测量原理的激光传感器。它被安装在位于CMM（雷诺自动化公司）的垂直轴的一个机械头PH10（雷尼绍公司）上。它共有5个自由度，3个平动自由度（即X、Y和Z轴）和2个旋转自由度（分别是关于Y轴和Z轴的旋转）。2.1测量过

6、程如图1所示，这个三维激光传感器数字化过程是由扫描平面（XZ）跟随正交的引导线（Y）运动而实现的。视场位于距传感器一定距离（基准距离）的位置，而且受视场的深度和宽度限制。激光出射平面在零件的表面发生反射，从而在扫描光平面与被扫描零件表面的交线处形成光亮线。只有视场中亮线部分（大约由750个数字化位点组成）能够被测量系统有效记录。传感器沿着Y轴运动，从而能够获得与所测表面相对应的点云数据（一系列扫描线的集合）。2.2测量的不确定度为了提高测量结果的质量，更加接近通过机械接触式传感器所获得的结果，有必要评估关于测

7、量过程的不确定度并修正系统误差。这些不确定度来源于传感器本身、整个的测量顺序或者是被测量的零件[2]。传感器所导致的不确定度既可以来自于内部，也可以来源于外部。内部不确定度是由传感器的相位校准（一个最初是由制造商设置的步骤）所决定，并可以通过对此调节得到修正。几年以来，许多研究者都对决定光学活动传感器的限制因素感到好奇。在这期间，Dorschetal[3]已经表明位点重心位置的不确定度取决于激光光柱的张角。这表明如果不增加测量噪声，空间分辨率将不会下降。虽然衍射极限使得光束能量在X轴和Y轴上的正交分解受到限制

8、，但是干涉的破坏性影响限制了位点传感器在Z轴范围内的能量分量。Beraldin和Gaiani[4]指出那些所谓的“弥散斑”致使位置的精度只能达到2-5μm。因此，与传感器自身相关的不确定度的减少受到物理上的制约。外部的不确定度实质上一方面来源于传感器与扫描表面的相对位置和方向，另一方面来源于其他的不确定度（那些与CMM的偏移，扫描零件的材料特性，扫描表面的粗糙程度以及计算机的数据处理过程有关）。与定