[發明專利]基于對稱離焦雙探測器的自聚焦激光掃描投影方法

有效

• 申請號: 201710991794.6
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107765425B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發明（設計）人: 侯茂盛;李麗娟;朱運東;林雪竹;郭麗麗;劉濤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;G02B27/40;G03B21/14;G02B7/04
• 代理公司: 22210 長春菁華專利商標代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 陶尊新<國際申請>=<國際公布>=<進入

基于對稱離焦雙探測器的自聚焦激光掃描投影方法屬于先進加工制造技術領域。現有技術定焦準確度低，光強自動搜索掃描的橫向分辨力低。本發明其特征在于，根據兩個光電探測器各自探測的光強電信號分別建立標定反射光?ΔZ離焦軸向光強響應曲線和+ΔZ離焦軸向光強響應曲線；由測量控制模塊將?ΔZ離焦軸向光強響應曲線和+ΔZ離焦軸向光強響應曲線的光強信號逐點相減，獲得差分軸向光強響應曲線，以差分軸向光強響應曲線為控制信號動態反饋控制掃描激光的聚焦；由測量控制模塊將?ΔZ離焦軸向光強響應曲線和+ΔZ離焦軸向光強響應曲線的光強信號逐點相加，獲得加和軸向光強響應曲線；建立雙軸掃描振鏡的投影坐標系與待投影工件三維CAD數模的數模坐標系的坐標轉換矩陣；完成激光掃描投影。

技術領域

本發明涉及一種基于對稱離焦雙探測器的自聚焦激光掃描投影方法，在智能制造和裝配過程中，采用該方法實現各種零部件的激光輔助加工(如復合材料鋪疊、蒙皮鉆鉚、焊接等)和指示定位裝配，由掃描振鏡實現激光循環掃描投影，將由三維CAD數模驅動的零部件三維外形輪廓激光線框準確投影顯示在目標加工和裝配區域，屬于先進加工制造技術領域。

背景技術

激光掃描投影方法能夠將待加工或者待裝配的零部件，也就是待投影工件的三維外形輪廓以激光光線循環掃描投影的方式轉換為激光線框并顯示在目標加工和裝配區域，該區域又稱投影承接區域，從而實現各種零部件加工和裝配輔助指示。

現有激光掃描投影方法包括以下各步驟，如圖1、圖2所示。

首先是掃描投影激光光斑的聚焦調整。激光器1出射的掃描投影激光先后通過聚焦模塊2、分光棱鏡3和雙軸掃描振鏡4向投影承接區域10投影，操作人員通過鍵盤或者遙控器等手動輸入設備向測量控制模塊6發送上下左右移動指令，由測量控制模塊6向雙軸掃描振鏡4中的兩個精密轉角機構9發送轉角控制信號，驅動雙軸掃描振鏡4中的垂直掃描鏡12和水平掃描鏡13偏轉，將掃描投影激光投射到投影承接區域10中。之后操作人員手動控制掃描激光的聚焦，由操作人員人眼觀察并判斷投影承接區域10中的激光光斑的聚焦情況，通過所述手動輸入設備向測量控制模塊6發送前后移動指令，由測量控制模塊6向聚焦模塊2中的精密位移機構8發送位移控制信號，驅動精密位移機構8前后移動，人眼觀察判斷光斑是否最小；當判斷激光光斑達到最小時，則完成掃描投影激光光斑的聚焦調整。該步驟在一定程度上保證沿光軸方向的定焦準確度。

不過，現有方法該步驟未能利用掃描投影激光的標定反射光的光路分布來自動反饋控制掃描投影激光光斑的聚焦調整，人工操作難以最大程度提高定焦準確度。另外，現有方法是將掃描投影激光光斑匯聚于1～10米處，所述聚焦模塊2須采用反遠距型鏡組，這種鏡組的工作距離和像方焦距都在數米量級上，鏡組的數值孔徑(N.A.＝n×D/2f)勢必極低，通常為10^-3，根據下式：

式中：Δx+和Δx-分別為前焦深和后焦深，f為鏡組的像方焦距，D為鏡組的通光孔徑，a為像方焦點前后呈清晰像的彌散圓半徑，可知鏡組的焦深長達百毫米量級，人工進行聚焦調整難以得到最小的激光光斑。

其次是解算出雙軸掃描振鏡4的投影坐標系(P-X^PY^PZ^P)與待投影工件三維CAD數模的數模坐標系(O-X^OY^OZ^O)間的轉換關系。

由于雙軸掃描振鏡4是精密轉角器件，無法得知投影承接區域10的位置，無法確定反映待投影零部件三維外形輪廓特征的激光線框16應被掃描投影在哪里。這就需要確定投影承接區域10的位置，以及建立待投影工件三維CAD數模上任意點的三維坐標值與雙軸掃描振鏡4中的垂直掃描鏡12和水平掃描鏡13掃描角度值的對應關系，也就是建立雙軸掃描振鏡4的投影坐標系(P-X^PY^PZ^P)與待投影工件三維CAD數模的數模坐標系(O-X^OY^OZ^O)間的轉換關系。