一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法技术

本发明专利技术公开了一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，包括以下步骤：二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系之间坐标转换关系的解算和标定；搭建加速度传感器阵列，对激光扫描投影系统位置和姿态变动信息进行实时监测；将加速度传感器阵列输入的数字信号进行解算；根据解算出的二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系间的坐标转换关系，驱动二维扫描振镜模块完成各投影坐标位置对应角度的转动，更新二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系间的坐标转换矩阵；根据待投影零部件的CAD模型，将投影图样在被投影物体坐标系下的坐标转换到二维扫描振镜坐标系下，驱动二维扫描振镜模块循环转动，在被投影物体上形成待装配零部件的轮廓图形。件的轮廓图形。件的轮廓图形。

【技术实现步骤摘要】
一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法


[0001]本专利技术属于先进光电测试仪器领域，尤其涉及一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，具体应用于先进制造装配领域的智能辅助装配定位等。

技术介绍

[0002]激光扫描投影仪主要应用于先进智能制造装配领域，该仪器可依据待加工或待装配零部件的三维CAD数模驱动二维扫描振镜进行高精度偏转，使激光器出射的光线被快速转折，从而在三维空间中的目标投影位置处显示出由激光光线快速循环扫描形成的零部件外形轮廓线框。该激光轮廓线框明亮、清晰可见，并能够准确地显示在零部件待安装或加工的空间三维位置上。利用激光三维扫描投影仪器的这一特性，能够解决技术操作人员在制造装配现场难于找出精准参考位置的重要难题，使原本仅标记于CAD数模图纸上的相关制造装配信息更直观、准确、实用地呈现于制造装配现场的目标操作位置，有效地将CAD数模与制造、装配工艺衔接起来，从而实现智能化的辅助加工和装配指导。
[0003]在进行投影操作前，需要建立投影仪器与被投影物体间准确的坐标转换关系，才能将CAD数模中任意点或任意坐标值转换为二维振镜的转角值，进而控制二维振镜完成对应角度的偏转，最后在被投影物体的准确位置上扫描投影出CAD数模中零部件的准确形状。
[0004]现阶段的激光扫描投影装置，大多需要通过键盘、鼠标或遥控器等装置人工手动控制激光光束的偏转，将激光扫描光束引导至被投影物体上的靶点附近，再控制激光扫描投影系统对靶点进行扫描，依次对靶点完成扫描后，方可建立起投影仪器与被投影物体间的坐标转换关系。
[0005]更严重的问题是，在制造装配现场，受到不同形式载荷的影响激光扫描投影系统不可避免的会产生位置和姿态的变动，位置和姿态的变动会导致投影光斑位置出现偏差，也就无法依据激光扫描投影图形实现准确的零部件安装定位等操作。再次对靶点进行上述引导、扫描过程，以重新建立激光扫描投影仪器与被投影物体间的坐标转换关系，才能重新完成准确位置上的激光扫描投影。二次标定的过程不仅操作耗时长、操作复杂而且降低装配效率以及产品质量。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，能够实现对激光扫描投影系统位置和姿态的实时检测，能够自动获取新的位置和姿态信息后重新解算坐标转换关系，从而实现对投影激光光斑的位置偏差进行校正。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系之间坐标转换关系的解算和标定：
[0010]S11.在被投影物体上设置多个背向反射靶点；
[0011]S12.二维扫描振镜模块对被投影物体上设置的多个背向反射靶点进行光学扫描，将各背向反射靶点反射的激光光强信号送入光强反馈探测模块，计算各背向反射靶点圆心相对于二维扫描振镜坐标系的转角；
[0012]S13.定义被投影物体的坐标系为被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0；定义二维扫描振镜模块的坐标系为二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
；确立二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0的坐标转换关系；
[0013]步骤二、搭建加速度传感器阵列，对激光扫描投影系统位置和姿态变动信息进行实时监测；
[0014]步骤三、数据采集处理与控制模块将加速度传感器阵列输入的数字信号进行解算，以三维初始坐标系M
‑
XYZ为参考系解算出第k采样时刻的三维线速度、角速度；
[0015]步骤四、数据采集处理与控制模块根据步骤三解算出的二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系间的坐标转换关系，驱动二维扫描振镜模块完成各投影坐标位置对应角度的转动，更新二维扫描振镜坐标系Q
‑
X
Q
Y
Q
Z
Q
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0间的坐标转换矩阵；
[0016]步骤五、上位机根据待投影零部件的CAD模型，将投影图样在被投影物体坐标系下的坐标转换到二维扫描振镜坐标系下，通过数据采集处理与控制模块驱动二维扫描振镜模块循环转动，在被投影物体上形成待装配零部件的轮廓图形，实现由于激光扫描投影系统位置和姿态变动导致投影光斑位置偏差的实时补偿。
[0017]进一步地，所述步骤S13中确立的二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0之间的坐标转换关系为：
[0018][0019]其中，(x1，y1，z1)为二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
下各背向反射靶点的三维坐标值，(X1，Y1，Z1)为被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0下背向反射靶点的三维坐标值，R1和T1分别为二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
到被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0的旋转矩阵和平移矩阵。
[0020]进一步地，所述步骤二中对激光扫描投影系统位置和姿态变动信息进行实时监测包括：
[0021]某时刻激光扫描投影系统相对于三维初始坐标系M
‑
XYZ的沿三坐标轴方向的线加速度由下式得出：
[0022][0023]其中，为沿三个坐标轴的线加速度；
[0024]某时刻激光扫描投影系统相对于三维初始坐标系M
‑
XYZ的沿三坐标轴方向的角加速度和角速度乘积由下式得出：
[0025]。
[0026]进一步地，所述步骤四中更新后的二维扫描振镜坐标系Q
‑
X
Q
Y
Q
Z
Q
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0之间的坐标转换关系为：
[0027][0028]其中，(x
Q
，y
Q
，z
Q
)为更新后的二维扫描振镜坐标系Q
‑
X
Q
Y
Q
Z
Q
下激光扫描投影图形的三维坐标值，(X1，Y1，Z1)为被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0下激光扫描投影图形的三维坐标值，R2和T2分别为更新后的二维扫描振镜坐标系Q
‑
X
Q
Y
Q
Z
Q
到被投影物体坐标系O
‑
X0Y0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系之间坐标转换关系的解算和标定：S11.在被投影物体上设置多个背向反射靶点；S12.二维扫描振镜模块对被投影物体上设置的多个背向反射靶点进行光学扫描，将各背向反射靶点反射的激光光强信号送入光强反馈探测模块，计算各背向反射靶点圆心相对于二维扫描振镜坐标系的转角；S13.定义被投影物体的坐标系为被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0；定义二维扫描振镜模块的坐标系为二维扫描振镜坐标系P
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X
P
Y
P
Z
P
；确立二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0的坐标转换关系；步骤二、搭建加速度传感器阵列，对激光扫描投影系统位置和姿态变动信息进行实时监测；步骤三、数据采集处理与控制模块将加速度传感器阵列输入的数字信号进行解算，以三维初始坐标系M
‑
XYZ为参考系解算出第k采样时刻的三维线速度、角速度；步骤四、数据采集处理与控制模块根据步骤三解算出的二维扫描振镜坐标系与被投影物体坐标系间的坐标转换关系，驱动二维扫描振镜模块完成各投影坐标位置对应角度的转动，更新二维扫描振镜坐标系Q
‑
X
Q
Y
Q
Z
Q
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0间的坐标转换矩阵；步骤五、上位机根据待投影零部件的CAD模型，将投影图样在被投影物体坐标系下的坐标转换到二维扫描振镜坐标系下，通过数据采集处理与控制模块驱动二维扫描振镜模块循环转动，在被投影物体上形成待装配零部件的轮廓图形，实现由于激光扫描投影系统位置和姿态变动导致投影光斑位置偏差的实时补偿。2.如权利要求1所述的一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤S13中确立的二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
与被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0之间的坐标转换关系为：其中，(x1，y1，z1)为二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
下各背向反射靶点的三维坐标值，(X1，Y1，Z1)为被投影物体坐标系O
‑
X0Y0Z0下背向反射靶点的三维坐标值，R1和T1分别为二维扫描振镜坐标系P
‑
X
P
Y
P
Z
P
到被投影物体坐标系O
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X0Y0Z0的旋转矩阵和平移矩阵。3.如权利要求1所述的一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤二中对激光扫描投影系统位置和姿态变动信息进行实时监测包括：某时刻激光扫描投影系统相对于三维初始坐标系M
‑
XYZ的沿三坐标轴方向的线加速度由下式得出：其中，为沿三个坐标轴的线加速度；某时刻激光扫描投影系统相对于三维初始坐标系M
‑
XYZ的沿三坐标轴方向的角加速度
和角速度乘积由下式得出：。4.如权利要求1所述的一种可进行光斑位置补偿的激光扫描投影方法，其特征在于，所述步骤四中更新后的二维扫描振镜坐标系Q
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，侯茂盛，姜雄，段杰，李丽娟，盖竹秋，王劲松，杨成禹，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：