雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置的製作方法

2023-08-01 13:07:01 1

專利名稱：雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，屬於三維輪廓測量裝置的改造技術。
2、背景技術逆向工程技術已越來越廣泛地應用到各個領域，如模具製造業、玩具業、鞋業、汽車製造業、藝術業、醫學工程及產品造型設計等行業，逆向工程技術是現代製造業發展的趨勢。而逆向工程技術的關鍵設備是三維輪廓測量裝置。三維輪廓測量有機械接觸式和光電非接觸式兩類方法，機械接觸式測量是採用機械探針在待測表面進行接觸式逐點掃描，其對待測表面有很高的要求，且測量速度極慢，設備造價昂貴，故在逆向工程已很少使用。光電非接觸式測量可測各種表面，由於設備造價低，是目前逆向工程技術採用的主要方式。光電非接觸式測量常有以下幾種方法1、雷射單點掃描測量法。該方法採用雷射單點逐點掃描，測量精度高，但測量速度極慢。2、雷射線掃描測量法(簡稱光刀法)。該方法採用線掃描方式，測量精度高，測量速度比雷射單點掃描測量法快，是目前最常用的方法。3、光柵投影全場測量法。該方法測量測量速度最快，但由於光學成像系統的局限和算法的複雜，使得測量較複雜的表面時，測量誤差較大，工程實用化程度低。
由於光電非接觸式測量必須採用攝象光學成像系統，而光學成像系統都存在景深問題，使得可測表面的高度落差必須在光學成像系統固有景深範圍之內，因此限制了表面的可測量高度範圍。另外，由於光電非接觸式測量採用光線投影方式，容易形成測量死角，目前為解決測量死角問題，常採用雙側雙攝像機技術，該技術不僅存在雙圖象的匹配問題，直接影響測量精度，而且設備成本加大。

發明內容本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種增大表面高度的可測量範圍，使表面高度的可測量範圍可調的雙側光刀型三維輪廓測量裝置。本實用新型解決了測量死角問題，而且設備的成本低。
本實用新型的結構示意圖如圖1所示，包括有包括測量頭(1)、二維平移工作檯(2)、信號處理裝置(3)、測量基座(4)，其中測量頭(1)固定在可在二維方向移動的二維平移工作檯(2)上，二維平移工作檯(2)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上，測量頭(1)的輸出端與信號處理裝置(3)的輸入端連接。
上述測量頭(1)包括雷射器(5、6)、攝象裝置(7)和測量頭殼體(8)，其中雷射器(5、6)對稱分布在攝象裝置(7)的兩側，攝象裝置(7)的成像光軸與被測基準表面垂直，雷射器(5、6)和攝象裝置(7)均固定在測量頭殼體(8)內，雷射器(5、6)分別通過電纜線(23、24)與雷射電源(9)相連。
上述二維平移工作檯(2)包括有水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)，水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)分別通過水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)驅動，水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)分別通過電纜線(20)和電纜線(21)與驅動控制器(14)連接。
上述垂直平移電機(13)固定在垂直平移導軌(11)的一端，測量頭殼體(8)固定在垂直平移導軌(11)上；水平平移電機(12)固定在水平平移導軌(10)的一端，垂直平移導軌(11)固定在水平平移導軌(10)上；水平平移導軌(10)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上。
上述信號處理裝置(3)包括有微處理器(16)、圖象採集卡(17)、電機驅動接口卡(18)組成；圖象採集卡(17)通過視頻信號線(19)和攝象裝置(7)相連，電機驅動接口卡(18)分別通過電纜線(15)與驅動控制器(14)相連。
上述微處理器(16)可為微機，也可為單片機。
上述攝象裝置(7)可為數字攝象機，也可為數位照相機。
上述水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)均為步進電機，驅動控制器(14)為步進驅動控制器。
上述雷射器(5、6)可為半導體雷射器，也可為氣體雷射器，或為光纖雷射器。
上述雷射器(5、6)可分別為單個雷射器，也可分別為多個雷射器組成的列陣。
本實用新型由於採用單攝象機和雙光刀組成測量頭，雙光刀對稱安置在攝象裝置的兩側，攝像裝置的光軸與被測基準表面垂直的結構，因此，其解決了測量死角的問題；另外，由於本實用新型中的測量頭安置在垂直平移導軌上，故可通過測量頭在垂直方向的移動來增大可測量的表面高度範圍，並使其測量範圍可調。本實用新型是一種設計巧妙，結構簡單，性能優良，方便實用的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置。


圖1為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
實施例本實用新型的結構示意圖如圖1所示，包括有包括測量頭(1)、二維平移工作檯(2)、信號處理裝置(3)、測量基座(4)，其中測量頭(1)固定在可在二維方向移動的二維平移工作檯(2)上，二維平移工作檯(2)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上，測量頭(1)的輸出端與信號處理裝置(3)的輸入端連接。
上述測量頭(1)包括雷射器(5、6)、攝象裝置(7)和測量頭殼體(8)，其中雷射器(5、6)對稱分布在攝象裝置(7)的兩側，攝象裝置(7)的成像光軸與被測基準表面垂直，雷射器(5、6)和攝象裝置(7)均固定在測量頭殼體(8)內，雷射器(5、6)分別通過電纜線(23、24)與雷射電源(9)相連。上述攝象裝置(7)可為數字攝象機，也可為數位照相機。本實施例中，攝象裝置(7)為數字攝象機。
上述雷射器(5、6)可為半導體雷射器，也可為氣體雷射器，或為光纖雷射器。本實施例中，雷射器(5、6)採用半導體雷射器。
上述雷射器(5、6)可分別為單個雷射器，也可分別為多個雷射器組成的列陣。本實施例中，雷射器(5、6)分別採用單個雷射器。
上述二維平移工作檯(2)包括有水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)，水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)分別通過水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)驅動，水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)分別通過電纜線(20)和電纜線(21)與驅動控制器(14)連接。
上述垂直平移電機(13)固定在垂直平移導軌(11)的一端，測量頭殼體(8)固定在鉛直平移導軌(11)上；水平平移電機(12)固定在水平平移導軌(10)的一端，垂直平移導軌(11)固定在水平平移導軌(10)上；水平平移導軌(10)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上。本實施例中，水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)均為步進電機，相應驅動控制器(14)為步進驅動控制器。
上述信號處理裝置(3)包括有微處理器(16)、圖象採集卡(17)、電機驅動接口卡(18)組成；圖象採集卡(17)通過視頻信號線(19)和攝象裝置(7)相連，電機驅動接口卡(18)分別通過電纜線(15)與驅動控制器(14)相連。上述微處理器(16)可為微機，也可為單片機。本實施例中，微處理器(16)可為微機。
本實用新型的三維輪廓測量方法採用三角測量法。本實用新型工作時，如圖1所示，雷射器(5、6)產生的光刀照射在被測物體表面，攝象裝置(7)的成像光軸和光刀保持一定的夾角。攝像裝置(7)拍攝光刀在被測物體表面的光刀線圖像，可獲得被測物體表面光刀線處的輪廓信息。通過測量頭(1)在水平方向上的平移，使光刀在整個被測表面掃描，通過攝像裝置(7)攝取圖像，可獲得整個被測物體表面的三維輪廓信息。
為了獲得表示表面三維輪廓的高度數據，需要對測量系統進行精確定標，即建立測量空間物體坐標與攝像裝置(7)成象靶面像素點之間的坐標映射關係。攝像裝置(7)攝取的整個被測物體表面的光刀線圖像，通過圖象採集卡(17)存入微處理器(16)中，再通過相應的算法，可獲得被測物體表面被測點的空間物體坐標值，從而可獲得表示表面三維輪廓的高度數據，根據這些高度數據，微處理器(16)通過相應算法可重構被測物體表面。
本實用新型採用雙側光刀方式，其目的是減小測量死角，並且由於一次拍攝，可獲取兩條光刀線，測量速度也增加了一倍。同時，雙側光刀方式，只需一個攝像機，可減小設備成本，避免雙攝像機技術存在的雙圖象匹配問題，提高測量精度。
本實用新型採用測量頭沿垂直方向平移的方式，其目的是要增大表面可測量高度的範圍。預先根據攝像裝置(7)的固有景深、光刀線寬發散程度和測量精度要求，設定一可測量的高度範圍H0，對這一設定H0，攝象機拍攝得到與之對應的光刀線相對基準面的設定偏離值D0，存入微處理器(16)中。測量時，攝像機拍攝光刀線圖像，可得到被測表面各處的光刀線相對基準面的偏離值D。當測量高度落差超過設定值H0時，D大於D0，微處理器(16)可自動識別，並發出指令，通過一驅動垂直平移步進電機(13)，使測量頭(1)沿垂直平移導軌(11)移動一可知值Hg，使超出可測量範圍的表面區域調整到預先設定的可測H0範圍內，進行第二次掃描測量。通過計算機算法，使兩次掃描測量滿足要求的表面區域合併在一起，這樣使可測的高度範圍加長至H0+Hg。當測量高度落差再超過設定值H0時，可依次再移動測量頭(1)，使可測的高度範圍加長至H0+2Hg、H0+3Hg、---。採用雙側光刀單攝像機，使這種可測量高度範圍增長方法，工程實現比單光刀雙攝像機方式更容易。
權利要求1.一種雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於包括有測量頭(1)、二維平移工作檯(2)、信號處理裝置(3)、測量基座(4)，其中測量頭(1)固定在可在二維方向移動的二維平移工作檯(2)上，二維平移工作檯(2)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上，測量頭(1)的輸出端與信號處理裝置(3)的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述測量頭(1)包括雷射器(5、6)、攝象裝置(7)和測量頭殼體(8)，其中雷射器(5、6)對稱分布在攝象裝置(7)的兩側，攝象裝置(7)的成像光軸與被測基準表面垂直，雷射器(5、6)和攝象裝置(7)均固定在測量頭殼體(8)內，雷射器(5、6)分別通過電纜線(23、24)與雷射電源(9)相連。
3.根據權利要求2所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述雷射器(5、6)可為半導體雷射器，也可為氣體雷射器，或為光纖雷射器。
4.根據權利要求1所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述二維平移工作檯(2)包括有水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)，水平平移導軌(10)及垂直平移導軌(11)分別通過水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)驅動，水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)分別通過電纜線(20)和電纜線(21)與驅動控制器(14)連接。
5.根據權利要求4所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述垂直平移電機(13)固定在垂直平移導軌(11)的一端，測量頭殼體(8)固定在垂直平移導軌(11)上；水平平移電機(12)固定在水平平移導軌(10)的一端，垂直平移導軌(11)固定在水平平移導軌(10)上；水平平移導軌(10)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上。
6.根據權利要求1所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述信號處理裝置(3)包括有微處理器(16)、圖象採集卡(17)、電機驅動接口卡(18)組成；圖象採集卡(17)通過視頻信號線(19)和攝象裝置(7)相連，電機驅動接口卡(18)通過電纜線(15)與驅動控制器(14)相連。
7.根據權利要求6所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述微處理器(16)可為微機，也可為單片機。
8.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述攝象裝置(7)可為數字攝象機，也可為數位照相機。
9.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述水平平移電機(12)及垂直平移電機(13)均為步進電機，驅動控制器(14)為步進驅動控制器。
10.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置，其特徵在於上述雷射器(5、6)可分別為單個雷射器，也可分別為多個雷射器組成的列陣。
專利摘要本實用新型是一種雙側光刀型高度測量範圍可調的三維輪廓測量裝置。包括有測量頭(1)、二維平移工作檯(2)、信號處理裝置(3)、測量基座(4)，其中測量頭(1)固定在可在二維方向移動的二維平移工作檯(2)上，二維平移工作檯(2)通過支撐架(22)固定在測量基座(4)上，測量頭(1)的輸出端與信號處理裝置(3)的輸入端連接。上述測量頭(1)包括雷射器(5、6)、攝象裝置(7)，本實用新型由於採用單攝象裝置和雙側光刀組成測量頭，雙側光刀對稱安置在攝象裝置的兩側，攝像裝置的光軸與被測基準表面垂直的結構，因此，其解決了測量死角的問題；另外，其可通過測量頭在垂直方向的移動來增大可測量的表面高度範圍，並使其測量範圍可調。
文檔編號G01C11/00GK2676151SQ20032011974
公開日2005年2月2日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者鍾金剛 申請人:暨南大學