一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置製造方法
2023-05-09 06:41:01 1
一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，包括一底座，底座上設有一豎直升降器，豎直升降器上設有一載物臺並能實現載物臺的升降，所述底座上還設有用於使載物臺上的待測錐體形成光切平面的線雷射器，所述底座上還設有一相機導軌，所述相機導軌上設置一能沿相機導軌滑動的黑白相機，使待測錐體的頂點沿黑白相機拍攝方向能投影在待測錐體底面上，通過本裝置採集多個平行光切平面上待測錐體的截面輪廓形狀和大小。該採集裝置結構簡單，成本低，掃描速度快，精度高，對測試物體和環境要求低。
【專利說明】一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種基於線結構光掃描的非接觸式信息採集裝置，應用於複雜表 面錐體的非接觸式測量。
【背景技術】
[0002] 三維體積測量技術在許多領域都有著不可忽略的作用，在工業生產、科研等部門， 經常會有類似圓錐或稜錐的複雜表面錐體要求快速且準確地測量其體積和重構出三維圖。 傳統手段的體積測量有排水法、三坐標測量法等。
[0003] 傳統體積測量中應用最為廣泛的為排水法，它利用阿基米德原 理，浸於液體中的物體所受到的浮力等於該物體排開的液體的重量，即 & = Pit· f · %。測量體積時除了需要測量物體所受到的浮力外，還需要知道當前環境氣 壓、溫度、緯度等才可以確定液體密度、重力加速度。利用排水法測量物體體積對物體具有 一定的要求，例如：物體密度需要大於水的密度，物體與水不存在物化反應，物體不吸水等。 這就使得排水法測量體積具有很大的局限性。
[0004] 三坐標測量技術利用笛卡爾坐標系對物體表面進行三坐標測量，獲得的物體表面 三維信息，從而獲得物體體積。此方法精度高，但是該測量技術存在測量力、測量速度慢、測 頭半徑的補償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因此很難滿足快速且準確地測量複雜 表面物體體積的要求。
[0005] 在現代測量技術中，目前非接觸式測量技術主要基於超聲波、雷射三角測距、磁核 共振、工業CT等手段，而且這些技術大多採用海量"點雲"數據進行複雜表面錐體的三維 還原，再對其進行體積計算。這些方式雖然沒有了一些接觸測量的局限性，但是存在數據量 巨大、環境光照影響大、對環境溫溼度要求高、算法複雜、裝置成本高等缺點。
【發明內容】
[0006] 鑑於目前體積測量技術存在的缺點，本實用新型的目的在於克服現有技術的不 足，依據線結構光光切原理，提供一種信息採集裝置，無需求出物體的三維坐標，採集錐體 形狀信息，以利工作人員應用智能計算系統計算出該錐體的體積和重構出三維模型。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型的技術方案在於：一種非接觸式複雜表面椎體信息 採集裝置，包括一底座，底座上設有一堅直升降器，堅直升降器上設有一載物臺並能實現載 物臺的升降；底座上還設有用於使載物臺上待測錐體形成光切平面的線雷射器；底座上還 設有一相機導軌，相機導軌一端連接底座，另一端連接堅直升降器頂部，所述相機導軌上設 置一能沿相機導軌滑動的黑白相機，使待測錐體頂點沿黑白相機拍攝方向能投影在待測錐 體底面。
[0008] 在本實用新型實施例中，所述線雷射器具有三個，位於載物臺周圍，呈一三角狀排 列。
[0009] 在本實用新型實施例中，每個線雷射器位於一雷射器支撐柱上。
[0010] 在本實用新型實施例中，所述雷射器支撐柱是高度可調式支撐柱。
[0011] 在本實用新型實施例中，所述堅直升降器包含一堅直絲杆和一步進電機，所述步 進電機通過所述堅直絲杆控制所述載物臺的升降速度和高度。
[0012] 在本實用新型實施例中，所述步進電機具有用於與一計算機連接的串口。
[0013] 在本實用新型實施例中，所述相機導軌為弧形導軌。
[0014] 在本實用新型實施例中，所述黑白相機具有用於與一計算機連接的串口。
[0015] 本實用新型的信息採集原理為：
[0016] 錐體截面輪廓標記：提供至少三個不同角度的線雷射器，位於待測錐體周圍，構成 光切平面，光切平面法線與水平面夾角為0，使待測錐體頂點沿光切平面法線方向能投影 在待測錐體底面上，在待測錐體表面形成一個明亮的閉合輪廓光帶；
[0017] 掃描：提供一載物臺、堅直絲杆和步進電機，所述步進電機通過堅直絲杆帶動載物 臺上的待測錐體沿堅直方向以勻速I，下降，即光切平面相對於待測錐體由底端至頂端勻速 移動，相當於每隔一固定時間^光切平面掃過一臺體，匕為採集間隔時間，通過調節採集 間隔時間h將待測錐體"切"為許多等高薄臺體；
[0018] 信息採集：提供一黑白相機，拍攝方向與光切平面法線方向相同，光切平面相對待 測錐體勻速移動同時，所述黑白相機每間隔I時間採集一次圖像，即記錄待測錐體不同光 切平面處的截面輪廓大小及形狀，並將採集到的圖像、採集間隔時間h以及圖像張數P數 據儲存，以備傳送至一計算機進行體積計算和三維重構。
[0019] 相較於現有技術，本實用新型具有以下有益效果：
[0020] (1)實用新型結構簡單，成本低；
[0021] (2)由於黑白相機對殼暗敏感，故可以通過減小光圈、周圍背景塗黑既可以減小環 境光對採集裝置的影響，相對於光柵投影法等方式環境要求低；
[0022] (3)應用採集的信息進行圖像處理和體積計算過程簡單，無需通過計算海量的三 坐標進行體積計算；
[0023] (4)複雜表面錐體體積計算方法源自微積分思想，以臺體形式分層"切片"，計算簡 單，且擬合程度高；
[0024] (5)思路簡單，易於推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本實用新型一具體實施例的裝置結構圖，其中1為雷射器支撐柱，可以調 節三個線雷射器2的高度及角度；3為載物臺，通過堅直絲杆4和步進電機5可以實現載物 臺3的升降；黑白相機6安裝於弧形導軌7上，通過調節相機兩端的螺絲鬆緊可實現黑白相 機6在導軌上滑動和固定，並且相機可通過USB 2. 0接口或其他數據傳輸接口連接至計算 機進行數據傳輸。
[0026] 圖2是錐體截面輪廓標記系統示意圖，三個線雷射器2構成一個360°的光切平 面照射待測錐體8,在待測錐體8表面即可形成一個明亮光帶9。
[0027] 圖3是應用計算機對本實用新型採集的信息進行處理流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體實施例，對本實用新型的技術方案進行具體說明。
[0029] 為使普通技術人員更清楚地理解本實用新型的結構及運用該結構帶來的效果，下 面結合採集信息之後運用智能計算系統進行數據處理及體積計算過程作具體說明，所應理 解的是，本實用新型只是要求保護本實用新型硬體結構，對軟體實現的信息處理部分並不 做保護要求。
[0030] 本實用新型實施例提供一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，如圖1所示， 包括一底座，底座上設有一堅直升降器，堅直升降器上設有一載物臺3並能實現載物臺3的 升降；底座上還設有用於使載物臺3上待測錐體8形成光切平面的線雷射器2 ;底座上還設 有一相機導軌7,相機導軌7-端連接底座，另一端連接堅直升降器頂部，所述相機導軌7上 設置一黑白相機6,所述黑白相機6能沿相機導軌7滑動。
[0031] 在本實用新型具體實施例中，所述黑白相機6能通過相機兩端的調節螺絲鬆緊實 現黑白相機6在導軌7上滑動和固定，以確定拍攝角度，使待測錐體頂點沿黑白相機拍攝方 向能投影在待測錐體底面，這樣做是為了使拍攝的每個待測錐體截面輪廓線都閉合。所述 線雷射器2具有三個，位於載物臺3周圍，呈一三角狀排列。每個線雷射器2位於一雷射器 支撐柱1上。所述雷射器支撐柱1有一圓柱杆，上面設有雷射器固定環，圓柱杆嵌套在空心 圓柱內且可旋轉和上下活動，空心圓柱上設有一旋緊螺絲，用於鎖定圓柱杆的高度。所述堅 直升降器包含一堅直絲杆4和一步進電機5。控制步進電機5的運轉，帶動堅直絲杆4轉 動，實現載物臺3的堅直升降，從而間接控制載物臺3上待測錐體8的升降速度和高度。所 述相機導軌7為弧形導軌。所述黑白相機6具有用於與一計算機連接的串口，可通過計算 機來控制拍攝過程。所述黑白相機6還具有用於與一計算機進行數據傳輸的接口。所述步 進電機具有用於與一計算機連接的串口。
[0032] 在本實用新型具體實施例中，還提供一計算機，通過串口與步進電機5連接，對步 進電機5發出指令從而控制步進電機5的運轉，所述計算機還通過串口與黑白相機6連接， 從而控制黑白相機6的拍攝過程。所述計算機接收採集的數據後進行處理，得到待測錐體 的體積和三維重構。
[0033] 本實用新型實施例中，應用於體積測量及三維重構的原理為：
[0034] 錐體截面輪廓標記：如圖2所示，提供三個不同角度的線雷射器2,位於待測錐體8 周圍，構成光切平面，光切平面法線與水平面夾角為0，使待測錐體頂點沿光切平面法線方 向能投影在待測錐體底面上，在待測錐體表面形成一個明亮的閉合輪廓光帶9 ;
[0035] 掃描：提供一載物臺3、堅直絲杆4和步進電機5,所述步進電機5通過堅直絲杆4 帶動載物臺3上的待測錐體8沿堅直方向以勻速P下降，即光切平面相對於待測錐體由底端 至頂端勻速移動，相當於每隔一固定時間h光切平面掃過一臺體，h為採集間隔時間，通 過調節採集間隔時間^將待測錐體"切"為許多等高薄臺體；
[0036] 信息採集：提供一黑白相機6,拍攝方向與光切平面法線方向相同，光切平面相對 待測錐體勻速移動同時，所述黑白相機每間隔、時間採集一次圖像，即記錄待測錐體不同 光切平面處的截面輪廓大小及形狀，並將採集到的圖像、採集間隔時間ti以及圖像張數P 數據儲存，以備傳送至一計算機進行體積計算和三維重構。
[0037] 提供一計算機，所述計算機接收所述數據後，包括以下處理步驟：
[0038] 讀取圖像張數P，將每張圖像進行二值化處理，濾波後，進行骨架提取，從而得出不 同光切平面處截面的閉合輪廓線，對所述閉合輪廓線進行像素填充，得到填充截面所需的 像素點數，運用系統定標得到的比例係數Μ求得對應的第i個光切平面處截面的實際面積：
【權利要求】
1. 一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：包括一底座，底座上設有 一堅直升降器，堅直升降器上設有一載物臺並能實現載物臺的升降； 所述底座上還設有用於使載物臺上的待測錐體形成光切平面的線雷射器； 所述底座上還設有一相機導軌，所述相機導軌上設置一能沿相機導軌滑動的黑白相 機，使待測錐體的頂點沿黑白相機拍攝方向能投影在待測錐體底面上。
2. 根據權利要求1所述的一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：所 述線雷射器具有三個，位於載物臺周圍，呈一三角狀排列。
3. 根據權利要求1所述的一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：每 個線雷射器位於一雷射器支撐柱上。
4. 根據權利要求3所述的雷射器支撐柱，其特徵在於：所述雷射器支撐柱是高度可調 式支撐柱。
5. 根據權利要求1所述的一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：所 述堅直升降器包含一堅直絲杆和一步進電機，所述步進電機通過所述堅直絲杆控制所述載 物臺的升降速度和高度。
6. 根據權利要求5所述的步進電機，其特徵在於：所述步進電機具有用於與一計算機 連接的串口。
7. 根據權利要求1所述的一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：所 述相機導軌為弧形導軌，所述相機導軌一端連接底座，另一端連接堅直升降器頂部。
8. 根據權利要求1所述的一種非接觸式複雜表面錐體信息採集裝置，其特徵在於：所 述黑白相機具有用於與一計算機連接的串口。
【文檔編號】G01B11/00GK204064241SQ201420507266
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】張先增, 盧智全, 吳劍峰, 連淵坡 申請人:福建師範大學