振镜激光扫描测量系统误差分析与补偿 
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Error Analysis and Compensation of Galvanometer Laser Scanning Measurement System
西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
图 & 表
图 1. 振镜激光扫描测量系统的工作原理示意图
Fig. 1. Working principle diagram of galvanometer laser scanning measurement system
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图 2. 振镜激光扫描测量系统的结构示意图
Fig. 2. Structure diagram of galvanometer laser scanning measurement system
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图 3. 联轴器与振镜镜片的连接示意图。(a)轴侧图;(b)主视图
Fig. 3. Connection diagram of coupling and galvanometer lens. (a) Isometric view; (b) front view
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图 4. 标定装置的结构示意图。(a)侧视图;(b)轴侧图
Fig. 4. Schematic of calibration device. (a) Side view; (b) isometric view
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图 5. 上、下两标定板上的世界坐标系
Fig. 5. World coordinate system on upper and bottom calibration plates
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图 6. 系统标定示意图
Fig. 6. Schematic of system calibration
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图 7. 振镜扫描测量系统的模型示意图
Fig. 7. Schematic of model of galvanometer scanning measurement system
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图 8. 不同方向下Δφ的误差传递函数曲线。(a)X轴方向;(b)Z轴方向
Fig. 8. Error transfer function curves of Δφ in different directions. (a) X axis direction; (b) Z axis direction
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图 9. 不同方向下Δp的误差传递函数。(a)X轴方向;(b)Z轴方向
Fig. 9. Error transfer function curves of Δp in different directions. (a) X axis direction; (b) Z axis direction
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图 10. 表面特性对Δp值的影响。(a)激光倾斜照射物体示意图;(b)灰度质心与几何中心之间的偏移曲线
Fig. 10. Effect of surface properties on Δp value. (a) Schematic of obliquely irradiated object with laser; (b) offset curves between gray centroid and geometric center
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图 11. 系统安装误差示意图。(a)光平面与转轴相交;(b)光平面与转轴平行
Fig. 11. Schematic of system installation error. (a) Light plane intersects axis of rotation; (b) light plane is parallel to axis of rotation
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图 12. 双棋盘格的标定装置
Fig. 12. Calibration device for double checkerboard
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图 13. 相机坐标系下光平面的拟合结果及其局部放大图
Fig. 13. Fitting results of light plane in camera coordinate system and its partial enlarged view
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图 14. 相邻光平面的夹角误差曲线
Fig. 14. Angle error curves of adjacent light planes
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图 15. 光平面转动误差的标定曲线
Fig. 15. Calibration curves of optical plane rotation error
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图 16. 棋盘格平板的三维点云。(a)原始图像;(b)误差补偿后
Fig. 16. Three-dimensional point cloud of checkerboard flat panel. (a) Original image; (b) after error compensation
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图 17. 陶瓷标准球。(a)实物图;(b)三维点云
Fig. 17. Ceramic standard ball. (a) Physical image; (b) 3D point cloud
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图 18. 不同情况下的误差曲线。(a)标准球直径;(b)球心距
Fig. 18. Error curves under different conditions. (a) Standard ball diameter; (b) ball center distance
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图 19. 3D打印模型和石膏模型的测量结果。(a)模型实物;(b)三维点云;(c)主视图;(d)侧视图
Fig. 19. Measurement results of 3D printed models and plaster models. (a) Real models; (b) 3D point clouds; (c) front views; (d) side views
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表 1误差补偿前标准球的测量结果
Table1. Measurement results of standard ball before error compensation
| Ball position | Diameter of A10 /mm | Diameter of B10 /mm | Center distance /mm | Diameter error of A10 /mm | Diameter error of B10 /mm | Center distance error /mm |
|---|
| 1 | 29.780 | 29.659 | 59.044 | -0.226 | -0.347 | -0.911 | | 2 | 29.627 | 29.748 | 58.976 | -0.379 | -0.258 | -0.979 | | 3 | 29.428 | 29.448 | 59.277 | -0.578 | -0.558 | -0.678 | | 4 | 29.269 | 29.259 | 59.418 | -0.736 | -0.746 | -0.537 | | 5 | 29.550 | 29.264 | 59.617 | -0.456 | -0.741 | -0.338 | | 6 | 29.497 | 29.682 | 59.307 | -0.508 | -0.324 | -0.648 | | 7 | 29.312 | 29.796 | 59.447 | -0.694 | -0.210 | -0.508 | | 8 | 29.405 | 29.488 | 59.110 | -0.601 | -0.517 | -0.845 | | 9 | 29.747 | 29.686 | 59.292 | -0.259 | -0.320 | -0.663 | | 10 | 29.335 | 29.552 | 59.013 | -0.671 | -0.454 | -0.942 |
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表 2误差补偿后标准球的测量结果
Table2. Measurement results of standard ball after error compensation
| Ball position | Diameter of A10 /mm | Diameter of B10 /mm | Center distance /mm | Diameter error of A10 /mm | Diameter error of B10 /mm | Center distance error /mm |
|---|
| 1 | 30.121 | 30.063 | 60.069 | 0.116 | 0.070 | 0.114 | | 2 | 29.963 | 30.042 | 60.049 | -0.043 | 0.049 | 0.094 | | 3 | 30.091 | 30.099 | 60.019 | 0.086 | 0.106 | 0.064 | | 4 | 30.008 | 30.057 | 59.956 | 0.002 | 0.064 | 0.001 | | 5 | 30.091 | 29.988 | 59.932 | 0.085 | -0.005 | -0.023 | | 6 | 30.061 | 30.099 | 59.909 | 0.055 | 0.106 | -0.046 | | 7 | 30.041 | 30.021 | 59.934 | 0.035 | 0.028 | -0.021 | | 8 | 29.979 | 29.943 | 59.971 | -0.026 | -0.051 | 0.016 | | 9 | 30.117 | 30.078 | 59.893 | 0.111 | 0.085 | -0.062 | | 10 | 30.119 | 30.112 | 59.893 | 0.114 | 0.119 | -0.062 |
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表 3误差补偿对RSME和标准差的影响
Table3. Influence of error compensation on RSME and standard deviation
| Items | Before error compensation | After error compensation | Decreased percentage |
|---|
| A10 /mm | B10 /mm | Center distance /mm | A10 /mm | B10 /mm | Center distance /mm | A10 /% | B10 /% | Center distance /% |
|---|
| RSME | 0.538 | 0.483 | 0.733 | 0.078 | 0.077 | 0.061 | 85.50 | 84.06 | 91.68 | | Standard deviation | 0.170 | 0.181 | 0.200 | 0.056 | 0.051 | 0.060 | 67.06 | 71.82 | 70.00 |
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王腾, 杨树明, 李述胜, 袁野, 胡鹏宇, 刘涛, 贾书海. 振镜激光扫描测量系统误差分析与补偿[J]. 光学学报, 2020, 40(23): 2315001. Teng Wang, Shuming Yang, Shusheng Li, Ye Yuan, Pengyu Hu, Tao Liu, Shuhai Jia. Error Analysis and Compensation of Galvanometer Laser Scanning Measurement System[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(23): 2315001.
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