迴轉式掃描測量儀的製作方法
2023-10-17 19:20:29 2
專利名稱：迴轉式掃描測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量物體三維形貌的儀器，具體地說是一種迴轉式掃描測量儀，其利用雷射線進行掃描並通過數控迴轉臺的轉動來測量複雜物體全貌的儀器，其屬於光機電一體化
背景技術：
現有技術中，傳統的用於測量物體三維形貌的設備主要有兩種，一種是三坐標測量機。其是以接觸式測量方法。該方法測量精度高，但測量效率很低。這是因為安裝在Z軸上的觸發測頭(接觸式)要與工件接觸，該測頭和工件接觸一次完成對一個點的測量，而這個過程包括與工件接近—碰撞—回退；這三個階段，至少需要1--2秒的時間。對物體三維形貌的測量需要幾萬個點以上，顯而易見，利用接觸測量的效率很低。另一種是光學掃描測量儀。其是以非接觸測量方法。該測量儀主要通過雷射單點測頭，線結構光測頭和光柵投影實現掃描測量。其中，線結構光測頭因具有測量速度快，效率高等特點而被廣泛應用。對結構複雜的物體需要從多個視角進行測量，而線結構光測頭在不同視角下測量所得的數據具有不同的基準，在變換物體的角度時會使物體的位置發生變化，而且這個變化是在測量過程中發生的。這樣不同視角下因物體位置發生了變化而使測量基準發生了變化，測量數據就不能自動拼合到一起。這需要通過手工方法利用專用CAD系統對這些數據進行拼合。這樣既降低了工作效率，又降低了整體測量精度。
發明內容
為了克服現有的光學測量系統不能將多視角測量數據進行坐標統一的不足，本發明的發明目的是要提供一種迴轉式掃描測量儀。該測量儀不僅能從多個視角測量物體上的任意區域，而且能自動將各視角下的測量數據拼合在一起，完整描述一個物體。
本發明所採用的技術方案是研製了一種迴轉式掃描測量儀，其包括三維坐標運動機構和線結構光測頭。在三維坐標運動機構中的X或Y軸機構上安裝一個數控迴轉臺，組成四軸掃描測量系統；其中，該轉臺的安裝相對於該坐標運動機構的Z軸傾斜一個角度；線結構光測頭安裝在該坐標運動機構的Z軸上；在該轉臺上固定有一個標準球，該球是利用來測量確定該轉臺的迴轉軸線在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的位置和方向的；首先，該測量儀以該轉臺的迴轉軸線為Z軸建立起轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2和轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3的，該迴轉坐標系O3X3Y3Z3僅繞初始坐標系O2X2Y2Z2的Z2軸旋轉一個角度；然後建立了從O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的變換關係公式I和從O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的變換關係公式II；在該轉臺上設置相應的固定設施將被測量物體固定在該轉臺上，該掃描測頭通過該轉臺的轉動可直接測量被測物體的四周和頂部，測量直接所得到的是在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的多片數據P1，應用變換公式III，將上述多視角下測量的多片測量數據P1從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1轉換到該轉臺轉動坐標系O3X3Y3Z3中，實現數據自動拼合，構成了描述被測物體全貌的整體數據P3。
所述的變換公式I如下，它是從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1到該轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的變換矩陣T12
T12=cos0sinqxsinsincos-sincosqy-cossinsincoscosqz0001]]>式中，(qx，qy，qz)T表示轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2相對於該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1的平移量，在確定轉臺迴轉軸線時求出；α和β表示O2X2Y2Z2繞O1X1Y1Z1的X1和Y1的旋轉角，它們是根據轉臺迴轉軸線的方向確定的。
所述的變換公式II如下，它是從該轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2到該轉臺轉動坐標系O3X3Y3Z3的旋轉變換矩陣R23R23=cos-sin0sincos0001]]>式中，θ表示轉臺的當前轉動角度。
所述的變換公式III如下，P3=(R23)-1(T12)-1P1,]]>式中，P1表示測量儀直角坐標系中的數據；P3表示轉臺轉動坐標系中的數據，即拼合後的數據；T12是公式I，R23是公式II。
所述的數控迴轉臺，其迴轉軸線相對於三維坐標運動機構Z軸的傾斜角為20——30度；所述的三維坐標運動機構的坐標軸是採用步進電機驅動絲槓螺母，採用直線導軌作為運動導向機構。
所述的數控迴轉臺，其由蝸輪蝸杆機構組成。
所述的數控迴轉臺，其轉臺上設有安裝固定設施的螺孔，該螺孔中安裝有夾持重量較大物體的專用夾具；或直接採用膠粘劑將重量較輕的物體粘固在該轉檯面上。
所述的標準球固定在球座上，該球座的底部設有螺紋且固定在該轉檯面上的螺孔中。
所述的數控迴轉臺，其以60度為間隔，旋轉六個角度；在每個位置下由線結構光測頭對固定在轉臺上的標準球進行掃描測量，依據在六個位置下測量得到的六片數據分別擬合球得到六個球心坐標；再由這六個球心坐標擬合圓得到空間的一個圓，則過該圓圓心且與該圓平面垂直的直線即為該轉臺的迴轉軸線，圓心坐標是轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的坐標原點。
本發明的有益效果是在測量物體全貌的同時，該測量儀能自動將各個視角下測量的多片數據自動拼合到一起，實現對一個物體的完整描述。該測量儀是在建立從O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的變換關係公式I和從O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的變換關係公式II的基礎上，利用公式III把所有數據轉換到O3X3Y3Z3中實現自動拼合。
為了確定公式I和公式II首先要確定轉臺迴轉軸線的在測量儀直角坐標系中的方向。本測量儀通過測量固定在轉臺上的標準球來確定轉臺迴轉軸線的方向，由於以該轉臺角度為零的位置做為初始位置，在這個位置下標準球離測量儀的Z軸最近。因線結構光測頭的方向不變，對標準球的掃描測量只能沿一個方向進行，掃描過程是通過測量儀X軸的移動來完成。然後該轉臺轉動60度，根據標準球相對於該轉臺臺面的高度，以及到轉臺軸心的距離可計算出測量每個位置的球時測量儀三個軸的移動位置，從而實現對標準球的自動測量。
根據測量球所得到的點利用擬合球的算法可擬合球得到球心位置。所得到的6個球心位置在空間內，因它們是繞該轉臺的迴轉軸線旋轉得到的，根據這6個球心位置，運用擬合圓的算法可得到空間的一個圓。因球的旋轉是繞轉臺的迴轉軸線進行的，而球心分布在擬合所得到的圓上，所以該轉臺的迴轉軸線過圓心且垂直於該圓平面。
在轉臺的迴轉軸線的方向確定後，本發明的迴轉式掃描測量儀是首先確定從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1到以數控迴轉臺的迴轉軸線為Z軸的坐標系，即轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的變換關係，以及從轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2到轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3的變換關係。然後根據這兩個關係就將測量得到的數據轉換到轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3中，實現多片數據的自動拼合。這兩個變換關係的確定方法如下轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2相對於該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1既有平移，又有旋轉。平移量就是上面6個球心位置擬合圓得到的圓心位置；旋轉量應該包括三個角度，但由於在建立坐標系O2X2Y2Z2時只要求Z2軸與轉臺的迴轉軸線一致，對其它兩個軸的方向無要求，這樣只繞O1X1Y1Z1的X1和Y1軸旋轉兩個角度並加上平移量就可得到O2X2Y2Z2，設所求出的轉臺迴轉軸線的方向矢量為(lzmznz)T，兩個坐標系的通用旋轉變換矩陣為coscos-cossinsinsinsincos+cossin-sinsinsin+coscos-sincos-cossincos+sinsincossinsin+sincoscoscos]]>上式中第三列對應的是Z方向的矢量，在本測量儀中是轉臺迴轉軸線的方向矢量，因此有sin=lZ-sincos=mZcoscos=nZ]]>根據上式可解出O2X2Y2Z2繞O1X1Y1Z1的兩個旋轉角α和β，這樣就確立了從O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的變換關係，即公式I；轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3隻繞轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的Z2軸發生旋轉，旋轉角度是轉臺的當前角度，從O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的變換關係是公式II；本發明的迴轉式掃描測量儀的核心在於建立了這兩個變換關係，以及求解其中的未知參數。根據這兩個變換關係即公式I和公式II可建立從從測量儀直角坐標繫到O1X1Y1Z1到轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3的變換關係，即公式III；利用該公式III就能將多個視角下測量的數據自動拼合到一起，形成的數據整體能完整描述一個物體。
及其
具體實施例方式
本發明的實施例結合附圖進一步說明如下圖1本迴轉式掃描測量儀系統結構示意圖；圖2本迴轉式掃描測量儀的該轉臺上固定一個標準球的裝置示意圖；圖3本迴轉式掃描測量儀的該轉臺上固定一物體的裝置示意圖；圖4本迴轉式掃描測量儀的兩個坐標變換關係示意圖；圖5——圖8為對某一玩具在轉臺迴轉角度分別為0°，90°，180 °，270°時實施測量的四片數據所示圖象；圖9為利用公式III拼合後的數據所示圖象；圖10——圖14是相應圖5——圖9中的數據渲染後的效果圖。
參見圖1——4製成的迴轉式掃描測量儀，其包括三維坐標運動機構2和線結構光測頭1。在三維坐標運動機構2中的X或Y軸機構上安裝一個數控迴轉臺3，組成四軸掃描測量系統；其中，該轉臺3的安裝相對於該坐標運動機構2的Z軸傾斜一個角度；線結構光測頭1安裝在該坐標運動機構2的Z軸上；在該轉臺3上固定有一個標準球5，該球5是利用來測量確定該轉臺3的迴轉軸線在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的位置和方向的；首先，以該轉臺的迴轉軸線為Z軸建立起轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2和轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3，該迴轉坐標系O3X3Y3Z3僅繞初始坐標系O2X2Y2Z2的Z2軸旋轉一個角度；然後建立了從O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的變換關係公式I和從O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的變換關係公式II；在該轉臺3上設置相應的固定設施6將被測量物體4固定在該轉臺3上，該測頭1通過該轉臺3的轉動可直接測量被測物體4的四周和頂部，測量直接所得到的是在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的多片數據P1，應用變換公式III，將上述多視角下測量的多片測量數據P1從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1轉換到該轉臺3轉動坐標系O3X3Y3Z3中，實現數據自動拼合，構成了描述被測物體4全貌的整體數據P3。
在圖1中，線結構光測頭1安裝在運動機構2的Z軸上，可沿Z軸做上下運動，數控迴轉臺3安裝在運動機構2的X軸上，可沿X軸左右移動，該轉臺的迴轉軸線相對與運動機構2的Z軸傾斜28°。被測物體4放在該轉臺3上，通過該轉臺3的轉動可使它上面的任一部位和線結構光測頭1形成合適的測量視角。在一個視角下的掃描過程是由運動機構2的Z軸的上下運動，X軸左右移動以及Y軸的前後運動共同完成的。
在圖2中將一個標準球5固定的數控迴轉臺3上，並對該標準球5進行掃描測量，利用測量所得到的數據擬合球得到一個球心位置，然後以60°為步長使數控迴轉臺3轉動5個角度，在每個角度下測量標準球並擬合球心。利用所得到的6個球心的空間位置擬合圓，則過圓心且與該圓平面垂直的直線即為該轉臺3的迴轉軸線，圓心坐標是轉臺3初始坐標系O2X2Y2Z2的坐標原點。。
所述的數控迴轉臺3，其轉臺3上設有安裝固定設施的螺孔8，該螺孔8中安裝有夾持重量較大物體4的專用夾具6；或直接採用膠粘劑將重量較輕的物體粘固在該轉臺3面上。
所述的標準球5固定在球座7上，該球座7的底部設有螺紋且固定在該轉臺3面上的螺孔8中。
在圖3中線結構光測頭1測量直接得到的數據是在測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1下，而多視角測量數據應圍繞該轉臺3的迴轉軸線分布，因此，首先要將這些數據轉換到以迴轉軸線為Z軸的直角坐標系O2X2Y2Z2下，該坐標系是該轉臺3的初始坐標系，它所對應的轉臺3迴轉角度為零，相對於O1X1Y1Z1既有平移，又有旋轉。當轉臺發生旋轉後(轉臺角度不為零)坐標系O2X2Y2Z2變成O3X3Y3Z3，O3X3Y3Z3是轉臺3的迴轉坐標系，它相對於O2X2Y2Z2隻發生旋轉，旋轉角度是轉臺3的角度。當多視角測量數據通過以上這兩個步驟變換到轉臺轉動坐標系O3X3Y3Z3後就能自動拼合在了一起。
本發明的變換公式I——III應用實施例如下本發明的迴轉式掃描測量儀的數控迴轉臺的安裝相對於本測量儀的Z軸傾斜角度為28度，當該轉臺的安裝位置固定後公式I中的參數α和β不再發生變化，即α和β的值只與轉臺的安裝位置有關；通過測量標準球所得到的轉臺迴轉軸線的方向矢量為(lzmznz)T＝(0.0288497 0.4729089 0.8806388)T，利用公式sin=lZ-sincos=mZcoscos=nZ]]>求出a＝28.2361°，β＝1.6532°；而公式I中的qx，qy，qz既與轉臺的位置有關，又與測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1的初始位置有關；當轉臺位置固定後qx，qy，qz只與O1X1Y1Z1的初始位置有關；在O1X1Y1Z1的五個不同初始位置下公式I的值如下T12=0.99958300.02884923.05670.0136480.8881005-0.472908637.3652-0.0254150.47310590.880638-66.03520001]]>
T12=0.99958300.0288496.05450.0136480.8881005-0.47290869.3765-0.0254150.47310590.88063853.74210001]]>T12=0.99958300.0288497.63280.0136480.8881005-0.4729086-41.8634-0.0254150.47310590.8806385.073890001]]>T12=0.99958300.028849-62.85360.0136480.8881005-0.472908616.0854-0.0254150.47310590.8806388.79740001]]>T12=0.99958300.028849-10.96350.0136480.8881005-0.472908654.0975-0.0254150.47310590.880638-4.54310001]]>公式II只與轉臺的迴轉角度有關係，當轉臺角度為0°，90°，180，°270°，56.356°時公式II的值如下R23=100010001,]]>R23=0-10100001,]]>R23=-1000-10001,]]>R23=010-100001]]>R23=0.55403-0.8324900.832490.554030001]]>公式III中利用了公式I和公式II將測量數據從O1X1Y1Z1變換到O3X3Y3Z3實現自動拼合。
本發明的測量儀對某一玩具在轉臺迴轉角度分別為0°，90°，180°，270°時實施測量所得到的四片數據如圖5——圖8所示，利用公式III拼合後的數據如圖9所示。圖10——圖14是相應圖5——圖9中的數據渲染後的效果圖。
因在測量過程中轉臺的安裝位置固定，O1X1Y1Z1的初始位置也沒有發生變化，公式I不發生變化，具體值為T12=0.99958300.02884923.05670.0136480.8881005-0.472908637.3652-0.0254150.47310590.880638-66.03520001]]>在測量過程中轉臺發生了三次旋轉，共對應四個角度，公式II發生了變化；轉臺角度為0°時公式II的值為R23=100010001,]]>對應的測量數據為圖5，圖10；
轉臺角度為90°時公式II的值為R23=0-10100001,]]>對應的測量數據為圖6，圖11轉臺角度為180°時公式II的值為R23=-1000-10001,]]>對應的測量數據為圖7，圖12；轉臺角度為270°時公式II的值為R23=010-100001,]]>對應的測量數據為8，圖13；綜上所述，本發明通過轉臺3的迴轉實現了利用線結構光測頭1測量物體4全貌並將不同視角下的測量自動拼合到了一起，既提高了工作效率又提高了數據整體拼合的精度，很好地解決了對複雜形體的完整測量問題。
本領域的普通技術人員都會理解，在本發明的保護範圍內，對於上述實施例進行修改，添加和替換都是可能的，其都沒有超出本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種迴轉式掃描測量儀，其包括三維坐標運動機構和線結構光掃描測頭，其特徵在於在該三維坐標運動機構中的X或Y軸機構上安裝一個數控迴轉臺，組成四軸掃描測量系統；其中，該轉臺的安裝相對於三維坐標運動機構的Z軸傾斜一個角度；線結構光掃描測頭安裝在該運動機構的Z軸上；在該轉臺上固定有一個標準球，該球是利用來測量確定該轉臺的迴轉軸線在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的位置和方向的；首先，該測量儀以該轉臺的迴轉軸線為Z軸建立起轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2和轉臺迴轉坐標系O3X3Y3Z3的，該迴轉坐標系O3X3Y3Z3僅繞初始坐標系O2X2Y2Z2的Z2軸旋轉一個角度；然後建立了從O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的變換關係公式I和從O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的變換關係公式II；在該轉臺上設置相應的固定設施將被測量物體固定在該轉臺上，該掃描測頭通過該轉臺的轉動可直接測量被測物體的四周和頂部，測量直接所得到的是在該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1中的多片數據P1，應用變換公式III，將上述多視角下測量的多片測量數據P1從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1轉換到該轉臺轉動坐標系O3X3Y3Z3中，實現數據自動拼合，構成了描述被測物體全貌的整體數據P3。
2.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的變換公式I如下，它是從該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1到該轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的變換矩陣T12T12=cos0sinqxsinsincos-sincosqy-cossinsincoscosqz0001]]>式中，(qx，qy，qz)T表示轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2相對於該測量儀直角坐標系O1X1Y1Z1的平移量，在確定轉臺迴轉軸線時求出；α和β表示O2X2Y2Z2繞O1X1Y1Z1的X1和Y1的旋轉角，它們是根據轉臺迴轉軸線的方向確定的。
3.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的變換公式II如下，它是從該轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2到該轉臺轉動坐標系O3X3Y3Z3的旋轉變換矩陣R23R23=cos-sin0sincos0001]]>式中，θ表示轉臺的當前轉動角度。
4.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的變換公式III如下，P3=(R23)-1(T12)-1P1,]]>式中，P1表示測量儀直角坐標系中的數據；P3表示轉臺轉動坐標系中的數據，即拼合後的數據；T12是公式I，R23是公式II。
5.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的數控迴轉臺，其相對於三維坐標運動機構Z軸的傾斜角為20-30度；所述的三維坐標運動機構的坐標軸是採用步進電機驅動絲槓螺母，採用直線導軌作為運動導向機構。
6.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的數控迴轉臺，其由蝸輪蝸杆機構組成。
7.根據權利要求1-5中的任一所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的數控迴轉臺，其轉臺上設有安裝固定設施的螺孔，該螺孔中安裝有夾持重量較大物體的專用夾具；或直接採用膠粘劑將重量較輕的物體粘固在該轉檯面上。
8.根據權利要求1所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的標準球固定在球座上，該球座的底部設有螺紋且固定在該轉檯面上的螺孔中。
9.根據權利要求1-5中的任一所述迴轉式掃描測量儀，其特徵在於所述的數控迴轉臺，其以60度為間隔，旋轉六個角度；在每個位置下由線結構光測頭對固定在轉臺上的標準球進行掃描測量，依據在六個位置下測量所得到的六片數據分別擬合球得到六個球心坐標；再由這六個球心坐標擬合圓得到空間的一個圓，則過該圓圓心且與該圓平面垂直的直線即為該轉臺的迴轉軸線，圓心坐標是轉臺初始坐標系O2X2Y2Z2的原點坐標。
全文摘要
本發明是迴轉式掃描測量儀其包括三維坐標運動機構，線結構光測頭和數控迴轉臺；該轉臺安裝在該坐標運動機構中的X或Y軸上，並相對於該坐標運動機構的Z軸傾斜一角度；該光測頭安裝在該Z軸上；在該轉臺上固定有一標準球，通過測量該球確定該轉臺的迴轉軸線的方向；該測量儀建立了變換關係公式I和II並求出公式I和II的參數；該光測頭所測量得到的多片數據P
文檔編號G01B11/03GK1657872SQ20051004249
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月25日 優先權日2005年2月25日
發明者解則曉, 王建國, 周麗芹 申請人:中國海洋大學