一種旋掃式自標定光柵投影3D重建儀的製作方法

2023-06-25 00:58:42

本實用新型涉及一種光柵投影設備，具體涉及一種旋掃式自標定光柵投影3D重建儀。

背景技術：

在機械設計與製造領域，經常需要對製作完成的模型和產品進行三維測量以獲得其數位化3D模型，以便進行數位化設計修改或製造質量評價。目前通常採用機械式三坐標測量機進行3D形狀測量，其測量精度高但測量速度慢。還有一種被稱為光柵投影3D測量技術，利用可見光、雷射形成的結構化投影光柵投射在被測物體上，通過攝像機拍攝被測物體上形成的光投影柵線影像，藉助計算機圖像處理技術從採集的光投影柵線圖像中重建被測物體的三維形狀，這種三維測量方式的速度較快。目前採用光柵投影3D測量技術的測量設備在每次測量時為了保證精度通常需要進行光柵測量標定，其操作過程相對複雜，使用不便。

因此，為了克服目前光柵投影3D測量技術存在的不足，迫切需要一種標定方便、操作簡單的光柵投影3D重建設備。

技術實現要素：

本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種旋掃式自標定光柵投影3D重建儀，具有方便、簡單的自標定功能。

上述目的是通過如下技術方案實現的：

一種旋掃式自標定光柵投影3D重建儀，包括機架、Z軸驅動模組、W軸旋轉電機、旋轉座、光柵掃描頭、拖掛電磁鐵、副Z軸導杆、副Z軸滑塊、託盤挑臂、託盤、承臺、標定稜柱、拖掛塊和電腦；所述Z軸驅動模組由底座、Z軸導杆、Z軸滑塊、絲杆、聯軸器和Z軸電機組成，Z軸電機通過底座固定於機架上，Z軸導杆兩端固定於機架上，絲杆兩端通過軸承轉動連接在機架上，與Z軸導杆平行，且其中一端通過聯軸器與Z軸電機的電機軸轉動連接，Z軸滑塊同時穿套在Z軸導杆和絲杆上，與Z軸導杆呈滑動連接，與絲杆通過螺紋轉動連接；所述光柵掃描頭固定在Z軸滑塊上；所述拖掛電磁鐵與Z軸滑塊連接，並設於光柵掃描頭下方；所述副Z軸導杆為兩個，分別設於Z軸驅動模組兩側，並分別套設有副Z軸滑塊；所述託盤設於機架上，託盤中心位置處固定有W軸旋轉電機，W軸旋轉電機的電機軸上固定有旋轉座，旋轉座上固定有標定稜柱，標定稜柱上固定有承臺；所述託盤上固定有拖掛塊和託盤挑臂，拖掛塊上設有與所述拖掛電磁鐵適配的銷孔，託盤挑臂與副Z軸滑塊固定連接；所述電腦分別與Z軸電機、W軸旋轉電機、拖掛電磁鐵和光柵掃描頭連接。

優選地，所述光柵掃描頭包括掃描頭罩、攝像機、光源、吸光瓦和光柵板，攝像機、光源、吸光瓦和光柵板設於掃描頭罩內；所述攝像機設於中間，兩側分別設有一個光源，光源外側設有吸光瓦，所述吸光瓦呈開口圓柱形，開口處設有光柵板。

優選地，所述吸光瓦採用深色海綿、絨布、無紡布或塑料製成。

優選地，所述標定稜柱的橫截面為多邊形。

優選地，還包括多個緩衝墊，所述緩衝墊固定於託盤的下方。

優選地，所述拖掛塊為鐵磁性物質。

優選地，還包括照明燈，所述照明燈固定於機架上。

本實用新型的有益效果：

本實用新型提供的裝置克服了目前光柵投影3D測量技術存在不足，標定方便、操作簡單，與現有技術相比具有實質性特點和進步。

附圖說明

圖1：本實用新型裝置的立體示意圖；

圖2：光柵掃描頭的結構示意圖；

圖3：本實用新型裝置的側面示意圖；

圖4：電腦與相關部件的連接關係圖；

圖中：1-機架，2-Z軸驅動模組，3-Z軸滑塊，4-W軸旋轉電機，5-旋轉座，6-光柵掃描頭，7-拖掛電磁鐵，8-副Z軸導杆，9-副Z軸滑塊，10-託盤挑臂，11-託盤，12-承臺，13-標定稜柱，14-拖掛塊，15-銷孔，16-緩衝墊，17-照明燈，18-電腦，19-掃描頭罩，20-攝像機，21-光柵板，22-光源，23-吸光瓦，J1-模型。

具體實施方式

下面結合附圖具體介紹本實用新型的技術方案。

如圖1-4所示，一種旋掃式自標定光柵投影3D重建儀包括機架1、Z軸驅動模組2、W軸旋轉電機4、旋轉座5、光柵掃描頭6、拖掛電磁鐵7、副Z軸導杆8、副Z軸滑塊9、託盤挑臂10、託盤11、承臺12、標定稜柱13、拖掛塊14和電腦18；所述Z軸驅動模組2由底座、Z軸導杆、Z軸滑塊3、絲杆、聯軸器和Z軸電機組成，Z軸電機通過底座固定於機架1上，Z軸導杆兩端固定於機架1上，絲杆兩端通過軸承轉動連接在機架1上，與Z軸導杆平行，且其中一端通過聯軸器與Z軸電機的電機軸轉動連接，Z軸滑塊3同時穿套在Z軸導杆和絲杆上，與Z軸導杆呈滑動連接，與絲杆通過螺紋轉動連接；所述光柵掃描頭6固定在Z軸滑塊3上；所述拖掛電磁鐵7與Z軸滑塊3連接，並設於光柵掃描頭6下方；所述副Z軸導杆8為兩個，分別設於Z軸驅動模組2兩側，並分別套設有副Z軸滑塊9；所述託盤11設於機架1上，託盤11中心位置處固定有W軸旋轉電機4，W軸旋轉電機4的電機軸上固定有旋轉座5，旋轉座5上固定有標定稜柱13，標定稜柱13上固定有承臺12；所述託盤11上固定有拖掛塊14和託盤挑臂10，拖掛塊14上設有與所述拖掛電磁鐵7適配的銷孔15，託盤挑臂10與副Z軸滑塊9固定連接；所述電腦18分別與Z軸電機、W軸旋轉電機4、拖掛電磁鐵7和光柵掃描頭6連接。所述光柵掃描頭6包括掃描頭罩19、攝像機20、光源22、吸光瓦23和光柵板21，攝像機20、光源22、吸光瓦23和光柵板21設於掃描頭罩19內；所述攝像機20設於中間，兩側分別設有一個光源22，光源22外側設有吸光瓦23，所述吸光瓦23呈開口圓柱形，開口處設有光柵板21。所述吸光瓦23採用深色海綿、絨布、無紡布或塑料製成，所述標定稜柱13的橫截面為多邊形，還包括多個緩衝墊16，所述緩衝墊16固定於託盤11的下方，還包括照明燈17，照明燈17固定於機架1上。拖掛塊14為鐵磁性物質。

工作原理：

開始工作後的初始狀態如下：光柵掃描頭、拖掛電磁鐵下行到最低位置，託盤也處於最低位置，W軸旋轉電機反向旋轉到歸零位置，拖掛電磁鐵的鐵芯伸出並插入到拖掛塊的銷孔中將託盤鎖定。

在對實物模型進行3D測量重建之前需要對裝置在承臺在360度旋轉範圍內沿Z軸全行程的三維測量進行標定才能保證以後的測量精度，裝置的標定過程如下：電腦的控制系統發出控制信號將拖掛電磁鐵的鐵芯伸出並插入到拖掛塊的銷孔中將託盤鎖定。此後，控制系統通過Z軸驅動模組、拖掛電磁鐵、副Z軸導杆、副Z軸滑塊、託盤挑臂帶動託盤及旋轉座、標定稜柱、光柵掃描頭沿Z軸運動，同時W軸旋轉電機驅動旋轉座及標定稜柱作360度旋轉以完成標定掃描運動。標定掃描過程中，在標定稜柱所處的每個位置上，光源發出的光透射過光柵板形成光柵投影在標定稜柱上，電腦通過攝像機採集標定稜柱上的投影柵線影像，通過軟體計算出標定稜柱的三維形狀並與標定稜柱的已知形狀進行比較，從而對裝置在標定稜柱整個旋轉及垂直運動範圍內的三維測量進行標定，而將來放置在承臺上的待測實物的測量標定可通過標定數據在Z軸方向的平移得到。標定完成後，裝置重新回到初始狀態。

標定完成以後就可以進行實物的三維測量，其操作過程如下：操作者將待測的實物模型J1擺放在承臺的中央，啟動裝置進入測量掃描狀態，其運行過程如下：電腦控制系統發出控制信號將拖掛電磁鐵的鐵芯縮回以解除對託盤的鎖定。此後，控制系統通過Z軸驅動模組帶動光柵掃描頭沿Z軸運動，同時W軸旋轉電機驅動旋轉座及承臺、實物模型J1作360度旋轉以完成測量掃描運動。測量掃描過程中，在實物模型J1所處的每個位置上，光源發出的光透射過光柵板形成光柵投影在實物模型J1上，電腦通過攝像機採集實物模型J1上的投影柵線影像，通過軟體據此前的測量標定計算出實物模型J1的三維形狀。

具體產品中，Z軸驅動模組、W軸旋轉電機、拖掛電磁鐵、照明燈、攝像機、光柵板和電腦可採用現有成熟產品，光源可採用LED或其他光源，吸光瓦採用深色海綿、絨布或無紡布、塑料製造，其他零部件採用金屬製造。

上述實施例的作用僅在於說明本實用新型的實質性內容，但並不以此限定本實用新型的保護範圍。本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的實質和保護範圍。