采用光学测棒的三目视觉坐标测量系统的理论研究

1 引言

    随着下业技术的发展，对芝维坐标测量的实时性、智能化、在线动态测量提出了更高的要求。

    本文提出的测量方法，结合了传统的三坐标测量机与视觉攻挪侧量的特点，实现了接触式测量和非接触式测量的结合。系统采用测棒作为成像目标，通过用摄象机摄取测棒上的发光特征点的像来取代以往的用摄象机摄取被测表面的像，改变了传统的视觉坐标测量方法局限于直接对被测件表蒯言息的获取和处理，使系统对被侧体表面的依赖性小，提高了测量的精度。同时测棒结构无导轨约束，测量灵活，可以探测到各种表面的点，亦可伸入深孔、内表面实现对隐藏点的测量。而测棒上的发光点暴露于光电器件可以探测到的区域，从而有效地扩大了侧量范围。这种设计不仅可以用于小型构件的三维表面测试，在大空间、大尺寸测量上也具有优势。

2 测量系统总体设计

    测量系统如图1所示、它由角度测量系统(集于一个系统的3套参数完全相同的数字线阵CCD及其相应的光学系统)、图像采集系统(软件)、排布有发光特征点的光学测棒系统，以及一台工业PC机组成。如图I所示，角度测量系统安置于可调节的支架上，3套CCD摄相机根据交汇成像原理进行测量。特征点的光信息，经过角度系统的接收与定位，滤波消除杂散光的干扰后，后续电路将其上记录的光信号转变为电信号，并完成AID转换，动态测量数据经高速采集卡输入PC机，软件系统根据3套角度测量系统之间以及测棒上各点光源之间的位置关系，可得到测量头位置的三维坐标。在实际测量中，当测棒的测量头接触到待测点时，待测点的三维坐标便可自动、实时的得以显示。

3 光学系统设计

    系统设计采用线阵CCD，如果用普通的薄透镜，会使空间多数点无法在像素上成像，而成像在线阵CCD以外的空间，所以系统选用柱面镜作为光学成像的透镜。

    柱面镜成像示意图如图2所示。其成像特点为只在一个方向上对光线有会聚作用，在与光轴垂直的母线方向上对光线不进行会聚，因此利用柱面镜可以方便实现对角度的测量。在柱面镜的焦平面上放置了一个光敏面与柱面镜母线相垂直的光电检测器件。光点通过柱面镜在焦平面上成像为一帐条垂直于光电检测器件光敏面的直线。当光点沿X轴运动时，它的像在光电器件卜沿相反的方向移动。当光点沿Y轴运动时，它的像在光电器件上保持位置不变。由此，可以利用光点像的位置变化来计算光点沿x方向运动时投射角的大小。柱面镜的几何尺寸也会对成像产生影响，所以选取时要根据测量视场大小，测量分辨力的要求进行选择。此外，选用滤光片放在ccD相机镜头前面，滤去杂散光干扰，使图像在亮度、清晰度方面达到很好的效果。