第20卷 第6期2007年6月传感技术学报CHINESE JO URNAL OF S ENSO RS AND ACTU ATORSVol.20 No.6JUN.2007Non Contact Optical Automatic Measurement ofFree From Surface Based on Conoscopic Holography*CH EN H ua cheng 1*,WAN G Bo x iong 1,L UO X iu z hi 1,WEN J iang tao 1 2,ZH A N G Ming z hao 11.State K ey L a b of Pre cision M ea su rement Tec hnology and Instrume nts ,De pt.of Pr ecision Instrume nts and M ech anology ,T sing hua Univ ersity ,B eij ing 100084,China;2.Institute of Electr.Eng.Yanshan Univ er sity ,Qinh uangd ao H ebe i 066004,Ch inaAbstract:T o solve the pr oblem s o f the speed and the accuracy in free form surface measurement,an auto m atic measurement system based on co no sco pic holog raphy is proposed.With a 5DOF automatic positio ning system,the system can realize accurate and efficient measurement of free fo rm sur face according to the 3D inform ation of the com ponent s CAD m odel.T he principle of conoscopic holo graphy is intr oduced,and the measurem ent system is described.Inspectio n planning based on CA D m odel and o ptimized method ar e discussed,and measur em ent ex periment is presented.Key words:precision measurement;autom atic inspectio n;co no sco pic holog raphy;free fo rm surface;in spection planning EEACC :7210基于锥光偏振全息测量法的自由曲面零件的光学非接触式自动检测*陈华成1*,王伯雄1,罗秀芝1,温江涛1,2,张明照11.清华大学精密仪器与机械学系,精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084;2.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004基金项目:科技部中德政府间科技合作项目资助(2003DFB00028);863预研项目资助(2005A A 411912)收稿日期:2006 07 23 修改日期:2006 08 16摘 要:为了解决测量复杂自由曲面零件的速度和精度问题,提出一种基于锥光偏振全息测量方法的自动检测系统.该系统在5自由度自动定位系统的支持下,根据零件的三维CAD 模型实现了对自由曲面零件的自动检测.文章介绍了锥光偏振全息测量法的原理,对系统进行了详细描述,讨论了系统基于CA D 模型的检测规划及其优化算法,并介绍了相关的自由曲面叶片零件测量的实验结果.关键词:精密测量;自动检测;锥光偏振全息技术;自由曲面;检测规划中图分类号:TG87TP216文献标识码:A 文章编号:1004 1699(2007)06 1408 04随着航空、航天、汽车及模具工业的迅速发展,自由曲面型零件得到了越来越广泛的应用,对各类曲面尺寸的精密测量也显得越来越重要.对自由曲面的测量的问题主要反映在测量的效率低、精度有待提高、自由曲面几何造型的复杂性等方面.目前对自由曲面的测量主要还是采用坐标测量机的接触式测量[1].虽然目前坐标测量机已经发展得十分成熟,而且其测量精度很高,但是其受到测量速度的制约,传统坐标测量机采用逐点接触式测量方法,1秒钟只能测量1-2个点.因此无法在短时间内测量大量的自由曲面零件表面上的数据点,因此会造成测量效率低,测量成本高等诸多问题.另外,在对自由曲面测量的研究中也有采用基于光切法与结构光投影法原理的[2 6].采用光切法,一次可以得到一条线上的数据点,从而可以大大提高测量的效率,但其测量精度比坐标测量机要略低一些,只能达到十几到20 m 左右.采用结构光投影法,其测量速度更快,但精度比光切法还要低,一般只有40 m 到100 m 左右.因此在测量精度要求较高的情况下,这两种方法的使用就受到了限制.本文提出一种基于三维CAD 模型的自由曲面型零件的自动检测系统,基于锥光偏振全息测量方法,在5自由度精密定位系统以及CAD 模型数据库的支持下,自动生成检测规划,实现了对自由曲面型零件高效高精度的自动测量.1 锥光偏振全息技术原理在传统的全息技术中,需要使用相干光源使来自物体的光束和参考光束发生干涉,产生干涉图案,这种情况下,来自物体的光束与参考光束的传播速度相同,但传播的路径不同.在锥光全息技术中,让一光束穿过偏振器和单轴晶体,从而产生寻常光线与非常光线分量,用这两种分量代替上述两种光束,产生干涉.由于寻常光线与非常光线自身的相干性,因此这种方法在不使用相干光源的情况下也可产生全息图,从而实现对被测物的精确测量,这就是锥光偏振全息技术的最主要的优点[7 9].在图1(a)所示的系统中,P (x ,y ,z )为单色非相干点光源.系统由一块单轴晶体和两个偏振器组成,晶体位于两个偏振器之间,其光轴与系统光轴平行.光强信号在接收平面被CCD 传感器接收.图1 锥光全息偏振系统在单轴(双折射)晶体中,寻常光线和非常光线具有不同的传播速度,即在相同的几何路径上具有不同的折射率.寻常折射率n o 为常数;非常折射率n E 是晶体光轴和传播方向之间的夹角 的函数:n E ( )=n o + n sin 2 (1)式中, n =n o -n E .两束光之间的光程差为: !=(2∀/#)(L /cos ) n sin2(2)式中:L 为晶体的长度,#为光波波长,如果#非常小,则! (2∀L /#) n2(3)相对于P 点,在记录平面(z =0)上点R (x ,y ,0)的光强为:I (R ,P)=I (P)![0.5+0.5co s [2∀L n((x -x ∀)2+(y -y ∀)2)/z 2#]](4)式中的距离z 为条纹间隔的一个参数.其中最重要的物理参数为光程差.在相干全息系统中,几何路径长度的变化通过干涉记录下来.而在锥光偏振全息测量系统中,折射率的变化被记录下来,两束光具有相同的传播路径,从而减少了系统对于稳定性和相干性需要的问题,即使在非相干光的条件下也能产生全息图像.系统的输出为全息图,它包含了点P 的所有数据,强度,横向位置,以及纵向坐标.可以通过对条纹周期精确测量来确定被测点的准确位置.图1(b)示出了本系统使用的Conoprobe 1000型锥光偏振全息光学测量探头的原理图,图中示出了该探头的主要功能部件,探头的测量精度可以达到3 m.2 基于C AD 的非接触式自动检测系统系统硬件部分主要包括:一个能实现五自由度运动(沿x,y ,z 轴的平动和绕y ,z 轴的转动)的定位系统以及一个基于锥光偏振全息原理的非接触式光学探头.图2示出了该非接触式自动检测系统的装置图,系统中锥光偏振全息测头和定位系统的经标定后的具体参数在表1中示出.系统的软件部分主要包括:基于三维CAD 模型的检测路径规划模块,零件特征提取与测量数据处理模块,零件模型重构模块以及CAD 数据库管理模块.如图2所示,在测量过程中,自由曲面零件通过一个正方体卡具安装在定位系统上.通过确定正方图2 用来测量叶片的非接触式自动检测系统体的上表面以及上表面上两条相交的棱,即可建立叶片零件的CAD 模型坐标系.从CAD 模型数据库1409第6期陈华成,王伯雄等:基于锥光偏振全息测量法的自由曲面零件的光学非接触式自动检测表1 锥光偏振全息探头和定位系统的技术参数锥光偏振全息探头定位系统测量范围/mm2同轴精度/#0.01最大测量角度/#85旋转重复精度/#0.002精度/ m3平移精度/ m2重复精度/ m0.4测量速度/点!s750导入相应的被测叶片的CAD模型,根据叶片在卡具中的位置和方向,可以确定被测与其CAD模型在相应的零件CAD模型坐标系下的相互位置关系.由于本系统所采用的锥光偏振全息探头采用的是点扫描的方法,因此我们在一次探头移动的过程中只能获得在一个截面内的轮廓信息.为此可以根据零件的几何形貌以及精度的要求将零件分割成若干个截面进行测量.在确定了分割平面的数量及位置之后,检测路径规划模块便可以根据零件的CAD 模型自动生成每一个分割平面内的测量路径.根据此检测路径,在自动定位系统的辅助下,使用锥光偏振全息探头逐个平面地完成测量.将所测得的数据进行B样条曲面拟合,便可以重构出自由曲面零件的实体模型.3 基于CAD模型的检测规划设自由曲面以双参数方程的形式表示,即x= x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v).在实际测量中,将自由曲面零件划分为若干个截面,然后分别对各个截面的曲线轮廓进行测量.对于截面的划分可以采用沿v向均匀划分的方法,即根据精度要求沿v向将自由曲面分成若干截面,精度越高时截面数量越多.然后对单个截面进行如图3所示的检测规划,主要包括以下几个步骤:∃从图中首先在零件截面的曲线上任选一点作为第一段子曲线的起始点.%假设其下一个点为此段曲线的结束点.&选取这两个点之间连线的垂直平分线方向作为检测该段曲线时探头的法线方向.∋判断该段曲线内的所有点是否满足探头的测量范围以及角度范围的要求.如果均满足条件,则跳回第二步,并假设该终点的下一个点为新的终点,继续进行计算;如过有一个条件不满足,则说明曲线范围已经超出锥光偏振全息测头的测量范围,选择前一个点作为该段曲线的终点并将其记录下来.(根据上述终点的位置判断是否已经完成对整条曲线的路径规划.如果未完成的话,则选择原来那段曲线的终点作为新一段曲线的起点,并跳回第二步继续进行计算.完成对曲线的规划后,则将规划结果输出并结束规划的程序.通过上述方法可以得到曲线测量过程中的每一段子曲线的起点和终点,以及在测量过程中探头的法线方向,从而完成了对测量的自动规划.然而,由于第一段起始点的位置是任意选定的,无法保证子曲线段的数目总和是最少的.需要对上述方法进行优化,找出子曲线数目总和最少时的各段曲线起点和终点的位置,即选择任意点作为起点,完成检测规划,找出检测规划中距离最短的区间,然后让起点位置在此区间内循环,并记录不同起点位置时相应的规划结果,最终便可得到段数最少的优化规划结果.图3 对自由曲面零件截面曲线检测规划流程图4 测量实验对图2中所示零件的自由曲面叶片部分进行测量实验,在实验中,希望测量叶片沿z轴方向15mm 到65mm(CAD模型坐标系)的部分.在这段长度区间内,我们沿着z轴将叶片分成等间隔的50段(即每毫米一个截面),并对51个截面进行测量.虽然锥光偏振全息探头的角度测量范围是0~85#,纵向测量范围是0~2mm,但是考虑到CAD模型的加工误差和定位误差等因素,在制定检测规划的过程中必须考虑出足够的余量,因此在实验中将探头的角度测量范围和纵向测量范围的参数适当降低,选择角度测量范围是0~60#,纵向测量范围是0~1.8mm.图4示出了位于z=15,30,50,65mm处截面曲线的最佳检测规划,包括每一个子曲线段的起点、终点位置以及该段的定位方向.可以看出在测量这几个截面的过程中,均需要将曲线分成5段才能完成,但各段的起点、终点位置以及相应的定位方向是不同的.图5(a)示出了根据检测规划所获得的零件表面(z=15-65mm范围)的点云数据;图5(b)示出1410传 感 技 术 学 报2007年图4 位于z =15,30,50,65mm 处截面的路径规划了使用B 样条曲面拟合方法将零件拟合成双三次B 样条曲面所得的实体模型.将新生成的实体模型与原始的CAD 模型比较,计算新模型上的点到原始模型表面的距离,从而进行误差分析.图6分别示出了z =15,30,50,65mm 处的误差曲线.图5自由曲面的检测结果图6 位于z =15,30,50,65处截面曲线的误差曲线图6中,横坐标为截面曲线周向的百分比,纵坐标为误差的大小,当新模型表面的点在原始模型外部时误差为正,反之为负.从图中可以看出,四个位置的误差曲线较为相似,都是在u =50%附近即零件的端部附近达到峰值,而在零件较为平滑的部分误差较小.零件重构出的实体模型与原始CAD 模型之间的平均误差为14.2 m,最大误差为24.7 m.5 结 论本文提出一种自由曲面型零件的自动检测系统,基于锥光偏振全息测量方法,在5自由度精密定位系统以及CAD 模型数据库的支持下,自动生成检测规划,实现了对自由曲面型零件高效高精度的自动测量.该系统对于自由曲面型零件的测量与质量控制有着非常广泛的应用前景.6 致谢本文研究工作得到科技部中德政府间科技合作项目)基于自动检测规划和多传感器测量方法的集成质量保证系统的研究∗(ProSens:Integrated Pro duction Control by Automated Inspection Planning and Efficient M ultisenso r Metrolog y)与863预研项目)基于SM L 的协同产品制造规划与测量集成系统∗的支持,感谢中国科技部和德国教研部(BMBF)的资助.同时感谢项目合作方德国亚琛工业大学机床研究所(Werkzeug maschinenlabor,RWT HAachen,Ger many )以及德国夫琅和费生产技术研究所(Fraunhofer Institute of Production Technology ,Germany)给予我们的合作和帮助.参考文献:[1] 张国雄.[M ]三坐标测量机.天津:天津大学出版社,1999.[2] Carbone V,Carocci M ,S avio E,et b ination of a Vision System and a Coordinate M easu ring M achin e for the Re vers e En gineering of Freeform Sur faces[J].International Journal of Advanced M anufacturing Technology,2001,17:263 271.[3] Glaser U,Li Z,Bich man n S,et al."ProSens"Integrated Production Control by Au tom ated Insp ection Plan ning and Effi cient M ultisen sor M etrology[C ]+Proceedings of SPIE,Opti cal M easuremen t Sys tems for Indus trial Inspection III,in M u nich,Germ any,2003,5144:65 75.[4] 高立志,林志航,方勇.基于视觉、CAD 和CM M 的自由曲面的逆向工程[J].西安交通大学学报,1998,20(7):68 71.[5] Chang M and Lin P P.On Line free form Su rface M eas uremen t Via a Fuz zy L ogic Controlled Scanning Probe[J ].Inter national Journal of Ad vanced M anufactu ring Techn ology,1999,39:537 552.[6] 张宏伟,张国雄,秦鹏,等.双目视觉检测技术在自由曲面测量中的应用[J].机械工程学报,2004,40(7):110 113.[7] M ugnier L M .Conoscopic H olography:Tow ard 3 Dim ensional Recons tructions of Opaque Objects.[J ]Applied Optics ,1995,34:1363 1371.[8] M ugnier L M ,Sirat G Y and Ch arlot D.Conoscopic H olography:Tw o Dim ension al Numerical Recon structions [J].Optics Letters,1993,18:66 68.[9] 陈华成,王伯雄,罗秀芝等.集成多测量技术的自动检测系统[J].机械科学与技术,2005,24(5):578 580.陈华成(1978 )男,汉族,福建泉州,清华大学精密仪器与机械学系博士研究生,研究方向为精密仪器及机械,chc01@mails.t sing 1411第6期陈华成,王伯雄等:基于锥光偏振全息测量法的自由曲面零件的光学非接触式自动检测。
