專利名稱：多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量儀器，特別涉及一種多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀。
由于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(shè)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(jié)構(gòu)光測量法)1、激光單點測量法由于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采用。2、激光線掃描測量法(簡稱光刀法)由于是單線掃描，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(xiàn)簡便，是目前較成熟的方法。但此方法必須對被測物體進(jìn)行全程掃描測量，需借助三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的運(yùn)動方能實現(xiàn)，測量時需將被測物置于CMM平臺上，這就給其工程運(yùn)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(qū)域的數(shù)據(jù)，效率更高，并能進(jìn)行便攜式改造。但由于受光強(qiáng)及光衍射的限制，光柵柵距不能過小，其分辨率有限，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，但由于要對其測量結(jié)果進(jìn)行去包裹演算等，使其算法太過復(fù)雜，離工程實際應(yīng)用尚有一段距離。
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種新型光電式非接觸準(zhǔn)全場三維輪廓測量儀，它可與三腳架聯(lián)結(jié)組成便攜式三維輪廓測量儀，與機(jī)器人或其手臂相聯(lián)組成機(jī)器人視覺系統(tǒng)，具有測量精度高，測量效率高，工程實現(xiàn)簡便等優(yōu)點。
為達(dá)到上述目的，本實用新型的解決方案是它包括一含有驅(qū)動接口卡和圖像卡的計算機(jī)系統(tǒng)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(xué)測量裝置組成，小位移平臺和光學(xué)測量裝置之間通過螺栓與托板連接。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的描述。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
參見圖1、圖2，本實用新型包括一含有微電腦25驅(qū)動接口卡23和圖像卡24的計算機(jī)系統(tǒng)1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動源2、含有直流電源26和功率調(diào)節(jié)電路27的直流電源3、多光刀三維輪廓測量頭4，計算機(jī)系統(tǒng)1中的驅(qū)動接口卡23通過電纜線22與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動源2連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)5連接；計算機(jī)系統(tǒng)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中的兩只黑白CCD攝像機(jī)14與相連；含有功率調(diào)節(jié)電路的直流電源3通過半導(dǎo)體激光電源線21與多光刀三維輪廓測量頭4中的半導(dǎo)體激光器陣列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(xué)測量裝置組成，小位移平臺和光學(xué)測量裝置之間通過螺栓與托板8連接，小位移平臺包括步進(jìn)電機(jī)5、絲杠6、絲杠螺母7、導(dǎo)軌滑塊9、導(dǎo)軌10、平臺基座11，它們之間的連接關(guān)系是導(dǎo)軌10通過螺栓固定在平臺基座11的縱身方向，步進(jìn)電機(jī)5通過螺栓固定在平臺基座11的端頭外側(cè)，絲杠6通過兩個軸承連接固定于平臺基座11兩端，步進(jìn)電機(jī)5與絲杠6通過軸連接器連接，光學(xué)測量裝置包括空間位置調(diào)節(jié)器12、半導(dǎo)體激光器陣列13、兩只黑白CCD攝像機(jī)14、測量頭殼體16、多光刀發(fā)生器18，它們之間的連接關(guān)系是兩只黑白CCD攝像機(jī)14通過螺栓對稱布置在測量頭殼體16內(nèi)的兩側(cè)，測量頭殼體16中間部分的上部為空間位置調(diào)節(jié)器12，空間位置調(diào)節(jié)器12通過螺栓固定于殼體16上，半導(dǎo)體激光器陣列13通過螺栓固定于空間位置調(diào)節(jié)器12上，半導(dǎo)體激光器陣列13的前端配置的多光刀發(fā)生光學(xué)系統(tǒng)18也通過螺栓固定于殼體16上，被測物20應(yīng)牢固地粘接在載物平臺17上。
本實用新型采用的三維輪廓測量方法為三角測量法中的結(jié)構(gòu)光測量原理，即將平行排列的光刀陣列19所組成的結(jié)構(gòu)光照射在被測物體20上，CCD攝像機(jī)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(diào)節(jié)電路3使各光刀輸出光強(qiáng)保持一致。
由于結(jié)構(gòu)光測量法為一非線性測量方法，系統(tǒng)中CCD軸心與光刀的夾角等參數(shù)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(jié)果，需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行精確標(biāo)定，即建立測量空間物理坐標(biāo)與CCD靶面坐標(biāo)之間的點--點映射關(guān)系，求得其映射函數(shù)，這樣便可以得到CCD靶面上任一點所對應(yīng)的空間物理坐標(biāo)值。系統(tǒng)調(diào)整固定好后，經(jīng)一次標(biāo)定便可長期使用。
半導(dǎo)體激光器13由一低壓直流電源3驅(qū)動，其內(nèi)部的功率調(diào)節(jié)電路27是使各激光器輸出光功率保持一致，激光器經(jīng)過多光刀發(fā)生器18產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，通過調(diào)節(jié)與激光器連接的空間位置調(diào)節(jié)器12，使各光刀保持空間平行。黑白CCD攝像機(jī)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?yōu)橛嬎銠C(jī)可處理的數(shù)字信號。激光器13及位置調(diào)節(jié)器12、雙CCD攝像機(jī)14需置于同一移動平臺上(5-11)，當(dāng)需測量高密度云狀數(shù)據(jù)時，計算機(jī)1通過電機(jī)驅(qū)動源2以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)5，實現(xiàn)小位移掃描測量。測量時將被測物體20應(yīng)位于測量區(qū)域內(nèi)，此時CCD攝取的是經(jīng)被測物體20表面形貌調(diào)制的多光刀圖像信息，此信息經(jīng)圖像卡24進(jìn)入計算機(jī)后，再通過相應(yīng)算法對各光刀中心進(jìn)行提取及坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換，便得到了三維輪廓表面被測點的物理坐標(biāo)值。在專用CAD軟件內(nèi)可重構(gòu)被測的三維自由曲面，并提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式輸出。快速成型系統(tǒng)或CNC系統(tǒng)等可依據(jù)測得的數(shù)據(jù)加工出自由曲面的實體。
本測量儀采用對稱于光刀布置的雙CCD結(jié)構(gòu)，其目的是減小測量死角，擴(kuò)大測量范圍。高密度云狀數(shù)據(jù)的采樣可通過直線移動平臺的小位移掃描實現(xiàn)。位移量取決于各光刀的間距。
另外，本測量儀除可進(jìn)行全場測量外，也可將測頭置于三坐標(biāo)測量機(jī)上，實現(xiàn)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(quán)利要求1.一種多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀，它包括一含有驅(qū)動接口卡(23)和圖像卡(24)的計算機(jī)系統(tǒng)(1)和由其控制的多光刀三維輪廓測量頭4，其特征在于，所述的多光刀三維輪廓測量頭(4)由小位移平臺和光學(xué)測量裝置組成，小位移平臺和光學(xué)測量裝置之間通過托板(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀，其特征在于，所述的小位移平臺包括一導(dǎo)軌(10)，導(dǎo)軌(10)固定在平臺基座(11)的縱身方向，步進(jìn)電機(jī)(5)固定在平臺基座(11)的端頭外側(cè)，絲杠(6)通過兩個軸承連接固定于平臺基座(11)兩端，步進(jìn)電機(jī)(5)與絲杠(6)通過軸連接器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀，其特征在于，所述的光學(xué)測量裝置包括一測量頭殼體(16)，測量頭殼體(16)內(nèi)的兩側(cè)對稱布置兩只黑白CCD攝像機(jī)(14)，測量頭殼體(16)中間部分的上部為空間位置調(diào)節(jié)器(12)，空間位置調(diào)節(jié)器(12)固定于殼體(16)上，半導(dǎo)體激光器陣列(13)固定于空間位置調(diào)節(jié)器(12)上，半導(dǎo)體激光器陣列(13)的前端配置的多光刀發(fā)生光學(xué)系統(tǒng)(18)也固定于殼體(16)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光刀準(zhǔn)全場非接觸三維輪廓測量儀，其特征在于，所述的計算機(jī)系統(tǒng)(1)中的驅(qū)動接口卡(23)通過電纜線(22)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動源(2)連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)(5)連接；計算機(jī)系統(tǒng)(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)中的兩只黑白CCD攝像機(jī)(14)與相連；含有功率調(diào)節(jié)電路(27)的直流電源(3)通過半導(dǎo)體激光電源線(21)與多光刀三維輪廓測量頭(4)中的半導(dǎo)體激光器陣列(13)相連。
專利摘要一種多光刀準(zhǔn)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(xué)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(xué)測量裝置之間通過螺栓與托板連接,測量頭中的攝像機(jī)與半導(dǎo)體體激光陣列分別與計算機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)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(xiàn)簡便等優(yōu)點,也可實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2001年1月19日
發(fā)明者蔣莊德, 李兵, 田世杰, 隋連升, 韓濤, 景蔚萱 申請人:西安交通大學(xué)