多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀的製作方法
2023-05-26 20:59:16
專利名稱：多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量儀器，特別涉及一種多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀。
由於快速反求工程概念的提出，使得光電非接觸三維輪廓測量設備的研究成為焦點。目前主要有以下幾種方法(前三種均為結構光測量法)1、雷射單點測量法由於此法一次測量只能得到一個點信息，效率極低，因此在物體三維輪廓測量中已不常採用。2、雷射線掃描測量法(簡稱光刀法)由於是單線掃描，因此效率較高(比單點法提高上百倍)，而且測量精度較高，工程實現簡便，是目前較成熟的方法。但此方法必須對被測物體進行全程掃描測量，需藉助三坐標測量機(CMM)的運動方能實現，測量時需將被測物置於CMM平臺上，這就給其工程運用帶來不便。3、光柵編碼全場測量法全場測量意味著每次測量得到的是一個區域的數據，效率更高，並能進行可攜式改造。但由於受光強及光衍射的限制，光柵柵距不能過小，其解析度有限，測量精度不高。4、莫爾條紋法此法精度高，又是全場測量，是一種較理想的三維輪廓測量方法，但由於要對其測量結果進行去包裹演算等，使其算法太過複雜，離工程實際應用尚有一段距離。
本實用新型的目的在於克服上述現有技術的缺點，提出一種新型光電式非接觸準全場三維輪廓測量儀，它可與三腳架聯結組成可攜式三維輪廓測量儀，與機器人或其手臂相聯組成機器人視覺系統，具有測量精度高，測量效率高，工程實現簡便等優點。
為達到上述目的，本實用新型的解決方案是它包括一含有驅動接口卡和圖像卡的計算機系統和多光刀三維輪廓測量頭，多光刀三維輪廓測量頭由小位移平臺和光學測量裝置組成，小位移平臺和光學測量裝置之間通過螺栓與託板連接。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的描述。
圖1是本實用新型的結構框圖；圖2是本實用新型的結構示意圖。
參見圖1、圖2，本實用新型包括一含有微電腦25驅動接口卡23和圖像卡24的計算機系統1、步進電機驅動源2、含有直流電源26和功率調節電路27的直流電源3、多光刀三維輪廓測量頭4，計算機系統1中的驅動接口卡23通過電纜線22與步進電機驅動源2連接，步進電機驅動源2的輸出端通過電纜與多光刀三維輪廓測量頭4中的步進電機5連接；計算機系統1中的圖像卡24通過視頻信號電纜15與多光刀三維輪廓測量頭4中的兩隻黑白CCD攝像機14與相連；含有功率調節電路的直流電源3通過半導體雷射電源線21與多光刀三維輪廓測量頭4中的半導體雷射器陣列13相連。
參見圖2，多光刀三維輪廓測量頭4由小位移平臺和光學測量裝置組成，小位移平臺和光學測量裝置之間通過螺栓與託板8連接，小位移平臺包括步進電機5、絲槓6、絲槓螺母7、導軌滑塊9、導軌10、平臺基座11，它們之間的連接關係是導軌10通過螺栓固定在平臺基座11的縱身方向，步進電機5通過螺栓固定在平臺基座11的端頭外側，絲槓6通過兩個軸承連接固定於平臺基座11兩端，步進電機5與絲槓6通過軸連接器連接，光學測量裝置包括空間位置調節器12、半導體雷射器陣列13、兩隻黑白CCD攝像機14、測量頭殼體16、多光刀發生器18，它們之間的連接關係是兩隻黑白CCD攝像機14通過螺栓對稱布置在測量頭殼體16內的兩側，測量頭殼體16中間部分的上部為空間位置調節器12，空間位置調節器12通過螺栓固定於殼體16上，半導體雷射器陣列13通過螺栓固定於空間位置調節器12上，半導體雷射器陣列13的前端配置的多光刀發生光學系統18也通過螺栓固定於殼體16上，被測物20應牢固地粘接在載物平臺17上。
本實用新型採用的三維輪廓測量方法為三角測量法中的結構光測量原理，即將平行排列的光刀陣列19所組成的結構光照射在被測物體20上，CCD攝像機14與光刀19需形成一定的夾角，方能攝取圖像以獲取三維輪廓信息。測量時為一次成像，因此需通過功率調節電路3使各光刀輸出光強保持一致。
由於結構光測量法為一非線性測量方法，系統中CCD軸心與光刀的夾角等參數根本無法精確得到，因此不能通過直接計算的方式求得測量結果，需要對測量系統進行精確標定，即建立測量空間物理坐標與CCD靶面坐標之間的點--點映射關係，求得其映射函數，這樣便可以得到CCD靶面上任一點所對應的空間物理坐標值。系統調整固定好後，經一次標定便可長期使用。
半導體雷射器13由一低壓直流電源3驅動，其內部的功率調節電路27是使各雷射器輸出光功率保持一致，雷射器經過多光刀發生器18產生結構光，通過調節與雷射器連接的空間位置調節器12，使各光刀保持空間平行。黑白CCD攝像機14輸出的是視頻模擬信號，需通過圖像處理卡24將模擬信號變為計算機可處理的數位訊號。雷射器13及位置調節器12、雙CCD攝像機14需置於同一移動平臺上(5-11)，當需測量高密度雲狀數據時，計算機1通過電機驅動源2以驅動步進電機5，實現小位移掃描測量。測量時將被測物體20應位於測量區域內，此時CCD攝取的是經被測物體20表面形貌調製的多光刀圖像信息，此信息經圖像卡24進入計算機後，再通過相應算法對各光刀中心進行提取及坐標系統間的轉換，便得到了三維輪廓表面被測點的物理坐標值。在專用CAD軟體內可重構被測的三維自由曲面，並提供標準數據格式輸出。快速成型系統或CNC系統等可依據測得的數據加工出自由曲面的實體。
本測量儀採用對稱於光刀布置的雙CCD結構，其目的是減小測量死角，擴大測量範圍。高密度雲狀數據的採樣可通過直線移動平臺的小位移掃描實現。位移量取決於各光刀的間距。
另外，本測量儀除可進行全場測量外，也可將測頭置於三坐標測量機上，實現與單光刀類似的全程掃描測量，而此時的測量精度則更高。
權利要求1.一種多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀，它包括一含有驅動接口卡(23)和圖像卡(24)的計算機系統(1)和由其控制的多光刀三維輪廓測量頭4，其特徵在於，所述的多光刀三維輪廓測量頭(4)由小位移平臺和光學測量裝置組成，小位移平臺和光學測量裝置之間通過託板(8)連接。
2.根據權利要求1所述的多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀，其特徵在於，所述的小位移平臺包括一導軌(10)，導軌(10)固定在平臺基座(11)的縱身方向，步進電機(5)固定在平臺基座(11)的端頭外側，絲槓(6)通過兩個軸承連接固定於平臺基座(11)兩端，步進電機(5)與絲槓(6)通過軸連接器連接。
3.根據權利要求1所述的多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀，其特徵在於，所述的光學測量裝置包括一測量頭殼體(16)，測量頭殼體(16)內的兩側對稱布置兩隻黑白CCD攝像機(14)，測量頭殼體(16)中間部分的上部為空間位置調節器(12)，空間位置調節器(12)固定於殼體(16)上，半導體雷射器陣列(13)固定於空間位置調節器(12)上，半導體雷射器陣列(13)的前端配置的多光刀發生光學系統(18)也固定於殼體(16)上。
4.根據權利要求1所述的多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀，其特徵在於，所述的計算機系統(1)中的驅動接口卡(23)通過電纜線(22)與步進電機驅動源(2)連接，步進電機驅動源(2)的輸出端通過電纜與多光刀三維輪廓測量頭(4)中的步進電機(5)連接；計算機系統(1)中的圖像卡(24)通過視頻信號電纜(15)與多光刀三維輪廓測量頭(4)中的兩隻黑白CCD攝像機(14)與相連；含有功率調節電路(27)的直流電源(3)通過半導體雷射電源線(21)與多光刀三維輪廓測量頭(4)中的半導體雷射器陣列(13)相連。
專利摘要一種多光刀準全場非接觸三維輪廓測量儀,它包括一由小位移平臺和光學測量裝置組成的多光刀三維輪廓測量頭,小位移平臺和光學測量裝置之間通過螺栓與託板連接,測量頭中的攝像機與半導體體雷射陣列分別與計算機系統、步進驅動電源、直流電源相連,具有測量精度高,測量效率高,工程實現簡便等優點,也可實現與單光刀類似的全程掃描測量,而此時的測量精度更高。
文檔編號G01B11/24GK2463784SQ0121295
公開日2001年12月5日 申請日期2001年1月19日 優先權日2001年1月19日
發明者蔣莊德, 李兵, 田世傑, 隋連升, 韓濤, 景蔚萱 申請人:西安交通大學