光学三角法全视场自扫描测头的设计与研究

　　1　引　　言

　　中、小尺寸零件的快速检测是制造业中一项富有挑战性的研究课题。这些零件具有体积小、生产量大、易于变形等特点。目前广泛应用的三坐标测量机和二维机器视觉检测设备都难以满足快速检测其尺寸误差的要求。而常规基于三角法测量原理的三维视觉测头不具备自扫描功能,只有在外部的运动机构驱动下,才能扫描零件的整个表面,使其应用场合受到一定限制。

　　本文针对中小尺寸零件快速检测的课题,设计了一种通过改变光平面与成像光轴夹角来实现全视场扫描的三维视觉测头。在该测头中布置一个旋转反射镜片将线结构光发生器产生的平面光反射到被测物体上,利用镜片的旋转使线结构光覆盖摄像机的整个视场,从硬件的角度将全视场扫描功能封装在测头内部,给测头的使用带来极大的方便。

　　2　全视场自扫描功能的实现

　　基于三角法测量原理的视觉测头一般由光源发生器和光学成像系统两部分组成。不管是采用点光源的单点式测头,还是采用线光源的多点式测头,测头自身都无法完成对视场内整个零件表面的扫描。当零件的外形尺寸大于测头成像系统的视场时,外部的扫描运动辅助系统是必不可少的。但对中小尺寸零件而言,通过选用不同的镜头,完全可以将零件的整体包容在摄　　像机视场之内,这时,具有全视场自扫描功能的测头就显示出了它的优越性。

　　如图1所示,为覆盖落在摄像机视场区域内被测零件的整个表面,点光源测头需要沿x、y两个方向作扫描运动,线光源测头需要一个沿x方向作扫描运动。

　　根据测头的组成结构可知,测头在物空间的测量范围(固有可测空间)实际上是投影光形(光束或光平面)占据的空间与摄像机的视场空间之间的交集,这样当投影光形与成像系统之间的相对位置固定时,测头的固有可测空间仅仅是摄像机视场空间一个小小的真子集(点光源测头的固有可测空间为一段直线,线结构光测头的固有可测空间为一块平面),在此情况下,摄像机的视场没有得到充分的利用。

　　在线结构光测头中,添加一个旋转镜面反射机构改变光平面的投射方向,使光平面横向扫过摄像机的整个视场区域,就可以实现全视场扫描(图2)。

　　线光源发生器产生的光平面经镜片反射后投射到摄像机视场内,当镜片旋转时,反射光面随之从位置1横扫至位置5,扫过的空间与摄像机视场交叉形成如图所示的可测空间。

　　镜片的旋转运动由精密微分的步进电机驱动,当量步距角可达到6.0×10-5弧度,相当于0.2′。图3是图2的正视投影图。由图3可以得出测头的几个扫描特性参数与其结构参数之间的关系式。