自聚焦激光扫描投影技术研究

论文摘要

激光扫描投影系统被广泛应用于飞行器、船舶和汽车等大尺寸部件的精准制造和装配领域。该系统能够将待加工或装配零部件的轮廓线框较准确地投影于待安装位置处,进而辅助指导工人完成目标零部件的定位、装配和加工。为解决现有激光扫描投影系统投影图形的位置精度较低、投影激光线宽较宽、且无法依据投影距离变化进行精准的动态自动聚焦等问题,研究开发了基于差分探测原理的动态自聚焦激光扫描投影系统。首先,研究了激光扫描投影系统的工作原理,据此对传统激光扫描投影系统进行改进,设计了基于差分探测原理的动态自聚焦激光扫描投影系统,建立了基于高速二维振镜器件的投影系统数学模型,以确定振镜水平偏转角H、竖直偏转角V与被投影目标坐标系下投影点的坐标转换关系;其次,对基于差分探测原理的动态自聚焦激光扫描投影系统的工作原理进行了研究,分别设计了光学杠杆型和反远距型两种动态自聚焦方案,推导出相应的数学模型,并利用ZEMAX光学设计软件进行仿真实验,通过比较得出反远距型动态聚焦系统响应更加灵敏、结构更加合理;再次,研究了基于差分探测原理的反馈光强检测系统,实现了对激光扫描投影系统中扫描光斑的精确汇聚,从而获得了更窄的激光扫描线框线宽,提高了激光扫描投影图形的定位准确度;然后,研究了基于最小二乘法的合作目标中心求解方法,建立了圆心求解模型,并结合系统投影模型推导和仿真了适用于激光扫描投影系统的坐标转换参数求解方法,之后分别上述两求解方法的可行性进行了验证;最后,基于以上研究成果搭建了基于差分探测原理的动态自聚焦激光扫描投影系统,并利用搭建的实验系统进行了差分探测特性验证实验、动态自聚焦系统线宽特性验证实验、合作目标中心检测实验、系统坐标转换参数求解及图形投影验证实验,并对系统投影图形的形状准确度和位置准确度进行了检测。实验结果表明:在4.5m的投影距离上,所研究的基于差分探测原理的动态自聚焦激光扫描投影系统其汇聚光斑直径最优可达0.2mm,可使所研究的系统在进行辅助装配时的定位准确度提高至0.1mm;合作目标圆心定位误差为0.18mm,优于0.2mm,满足实验设计要求;投影图形水平方向形状偏差值为0.04mm,竖直方向形状偏差值为0.04mm,符合实验设计要求;投影图形位置偏差基本满足0.4mm的偏差要求。由此证明,所研制的系统能够实现更窄线宽、动态聚焦、系统校准标定和精准投影功能,未来可应用于飞行器、船舶和汽车等大尺寸部件的精准制造和装配领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文主要研究内容及各章节安排
• 第2章 自聚焦激光扫描投影系统工作原理
•   2.1 自聚焦激光扫描投影系统的工作原理
•   2.2 自聚焦激光扫描投影系统的总体结构设计
•   2.3 自聚焦激光扫描投影系统的投影模型
•   2.4 本章小结
• 第3章 动态自聚焦系统光学结构设计及自动控制系统研究
•   3.1 动态自聚焦系统光学结构设计及ZEMAX模拟仿真
•     3.1.1 光学杠杆型动态自聚焦系统
•     3.1.2 反远距型动态自聚焦系统
•   3.2 动态自聚焦系统光学结构的ZEMAX仿真与比较
•     3.2.1 反远距型动态自聚焦系统的ZEMAX仿真
•     3.2.2 光学杠杆型动态自聚焦系统ZEMAX仿真
•     3.2.3 反远距型与光学杠杆型动态自聚焦系统的比较
•   3.3 动态聚焦系统自动控制系统研究
•     3.3.1 反馈光强信号探测单元
•     3.3.2 精密位移结构控制单元
•   3.4 本章小结
• 第4章 投影系统合作目标检测及坐标转换算法研究
•   4.1 投影系统合作目标中心扫描定位算法研究
•     4.1.1 基于最小二乘法的建模与求解
•     4.1.2 利用MATLAB仿真
•   4.2 投影系统标定算法研究
•     4.2.1 坐标转换矩阵求解
•     4.2.2 利用MATLAB仿真
•   4.3 本章小结
• 第5章 自聚焦激光扫描投影系统搭建及验证实验
•   5.1 自聚焦激光扫描投影系统结构设计
•     5.1.1 激光器
•     5.1.2 准直扩束系统
•     5.1.3 动态自聚焦系统
•     5.1.4 二维振镜扫描系统
•     5.1.5 光强信号检测及自动控制系统
•   5.2 投影实验
•     5.2.1 差分探测特性验证
•     5.2.2 动态自聚焦系统线宽特性验证
•     5.2.3 合作目标圆心检测
•     5.2.4 坐标参数解算及投影图形验证
•     5.2.5 投影准确度验证
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨帆

导师: 侯茂盛

关键词: 激光扫描投影,动态聚焦,反远距,坐标转换,差分探测,定位精度

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 长春理工大学

基金: 国家自然科学基金“基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描方法研究”,吉林省科技厅重点科技攻关项目“工业激光3D投影系统研究”

分类号: TN249

总页数: 64

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