专利名称：多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量仪器，特别涉及一种多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪。
由于快速反求工程概念的提出，使得光电非接触三维轮廓测量设备的研究成为焦点。目前主要有以下几种方法(前三种均为结构光测量法)1、激光单点测量法由于此法一次测量只能得到一个点信息，效率极低，因此在物体三维轮廓测量中已不常采用。2、激光线扫描测量法(简称光刀法)由于是单线扫描，因此效率较高(比单点法提高上百倍)，而且测量精度较高，工程实现简便，是目前较成熟的方法。但此方法必须对被测物体进行全程扫描测量，需借助三坐标测量机(CMM)的运动方能实现，测量时需将被测物置于CMM平台上，这就给其工程运用带来不便。3、光栅编码全场测量法全场测量意味着每次测量得到的是一个区域的数据，效率更高，并能进行便携式改造。但由于受光强及光衍射的限制，光栅栅距不能过小，其分辨率有限，测量精度不高。4、莫尔条纹法此法精度高，又是全场测量，是一种较理想的三维轮廓测量方法，但由于要对其测量结果进行去包裹演算等，使其算法太过复杂，离工程实际应用尚有一段距离。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种新型光电式非接触准全场三维轮廓测量仪，它可与三脚架联结组成便携式三维轮廓测量仪，与机器人或其手臂相联组成机器人视觉系统，具有测量精度高，测量效率高，工程实现简便等优点。
为达到上述目的，本实用新型的解决方案是它包括一含有驱动接口卡和图像卡的计算机系统和多光刀三维轮廓测量头，多光刀三维轮廓测量头由小位移平台和光学测量装置组成，小位移平台和光学测量装置之间通过螺栓与托板连接。
以下结合附图对本实用新型做进一步的描述。
图1是本实用新型的结构框图；图2是本实用新型的结构示意图。
参见图1、图2，本实用新型包括一含有微电脑25驱动接口卡23和图像卡24的计算机系统1、步进电机驱动源2、含有直流电源26和功率调节电路27的直流电源3、多光刀三维轮廓测量头4，计算机系统1中的驱动接口卡23通过电缆线22与步进电机驱动源2连接，步进电机驱动源2的输出端通过电缆与多光刀三维轮廓测量头4中的步进电机5连接；计算机系统1中的图像卡24通过视频信号电缆15与多光刀三维轮廓测量头4中的两只黑白CCD摄像机14与相连；含有功率调节电路的直流电源3通过半导体激光电源线21与多光刀三维轮廓测量头4中的半导体激光器阵列13相连。
参见图2，多光刀三维轮廓测量头4由小位移平台和光学测量装置组成，小位移平台和光学测量装置之间通过螺栓与托板8连接，小位移平台包括步进电机5、丝杠6、丝杠螺母7、导轨滑块9、导轨10、平台基座11，它们之间的连接关系是导轨10通过螺栓固定在平台基座11的纵身方向，步进电机5通过螺栓固定在平台基座11的端头外侧，丝杠6通过两个轴承连接固定于平台基座11两端，步进电机5与丝杠6通过轴连接器连接，光学测量装置包括空间位置调节器12、半导体激光器阵列13、两只黑白CCD摄像机14、测量头壳体16、多光刀发生器18，它们之间的连接关系是两只黑白CCD摄像机14通过螺栓对称布置在测量头壳体16内的两侧，测量头壳体16中间部分的上部为空间位置调节器12，空间位置调节器12通过螺栓固定于壳体16上，半导体激光器阵列13通过螺栓固定于空间位置调节器12上，半导体激光器阵列13的前端配置的多光刀发生光学系统18也通过螺栓固定于壳体16上，被测物20应牢固地粘接在载物平台17上。
本实用新型采用的三维轮廓测量方法为三角测量法中的结构光测量原理，即将平行排列的光刀阵列19所组成的结构光照射在被测物体20上，CCD摄像机14与光刀19需形成一定的夹角，方能摄取图像以获取三维轮廓信息。测量时为一次成像，因此需通过功率调节电路3使各光刀输出光强保持一致。
由于结构光测量法为一非线性测量方法，系统中CCD轴心与光刀的夹角等参数根本无法精确得到，因此不能通过直接计算的方式求得测量结果，需要对测量系统进行精确标定，即建立测量空间物理坐标与CCD靶面坐标之间的点--点映射关系，求得其映射函数，这样便可以得到CCD靶面上任一点所对应的空间物理坐标值。系统调整固定好后，经一次标定便可长期使用。
半导体激光器13由一低压直流电源3驱动，其内部的功率调节电路27是使各激光器输出光功率保持一致，激光器经过多光刀发生器18产生结构光，通过调节与激光器连接的空间位置调节器12，使各光刀保持空间平行。黑白CCD摄像机14输出的是视频模拟信号，需通过图像处理卡24将模拟信号变为计算机可处理的数字信号。激光器13及位置调节器12、双CCD摄像机14需置于同一移动平台上(5-11)，当需测量高密度云状数据时，计算机1通过电机驱动源2以驱动步进电机5，实现小位移扫描测量。测量时将被测物体20应位于测量区域内，此时CCD摄取的是经被测物体20表面形貌调制的多光刀图像信息，此信息经图像卡24进入计算机后，再通过相应算法对各光刀中心进行提取及坐标系统间的转换，便得到了三维轮廓表面被测点的物理坐标值。在专用CAD软件内可重构被测的三维自由曲面，并提供标准数据格式输出。快速成型系统或CNC系统等可依据测得的数据加工出自由曲面的实体。
本测量仪采用对称于光刀布置的双CCD结构，其目的是减小测量死角，扩大测量范围。高密度云状数据的采样可通过直线移动平台的小位移扫描实现。位移量取决于各光刀的间距。
另外，本测量仪除可进行全场测量外，也可将测头置于三坐标测量机上，实现与单光刀类似的全程扫描测量，而此时的测量精度则更高。
权利要求1.一种多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪，它包括一含有驱动接口卡(23)和图像卡(24)的计算机系统(1)和由其控制的多光刀三维轮廓测量头4，其特征在于，所述的多光刀三维轮廓测量头(4)由小位移平台和光学测量装置组成，小位移平台和光学测量装置之间通过托板(8)连接。
2.根据权利要求1所述的多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪，其特征在于，所述的小位移平台包括一导轨(10)，导轨(10)固定在平台基座(11)的纵身方向，步进电机(5)固定在平台基座(11)的端头外侧，丝杠(6)通过两个轴承连接固定于平台基座(11)两端，步进电机(5)与丝杠(6)通过轴连接器连接。
3.根据权利要求1所述的多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪，其特征在于，所述的光学测量装置包括一测量头壳体(16)，测量头壳体(16)内的两侧对称布置两只黑白CCD摄像机(14)，测量头壳体(16)中间部分的上部为空间位置调节器(12)，空间位置调节器(12)固定于壳体(16)上，半导体激光器阵列(13)固定于空间位置调节器(12)上，半导体激光器阵列(13)的前端配置的多光刀发生光学系统(18)也固定于壳体(16)上。
4.根据权利要求1所述的多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪，其特征在于，所述的计算机系统(1)中的驱动接口卡(23)通过电缆线(22)与步进电机驱动源(2)连接，步进电机驱动源(2)的输出端通过电缆与多光刀三维轮廓测量头(4)中的步进电机(5)连接；计算机系统(1)中的图像卡(24)通过视频信号电缆(15)与多光刀三维轮廓测量头(4)中的两只黑白CCD摄像机(14)与相连；含有功率调节电路(27)的直流电源(3)通过半导体激光电源线(21)与多光刀三维轮廓测量头(4)中的半导体激光器阵列(13)相连。
专利摘要一种多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪,它包括一由小位移平台和光学测量装置组成的多光刀三维轮廓测量头,小位移平台和光学测量装置之间通过螺栓与托板连接,测量头中的摄像机与半导体体激光阵列分别与计算机系统、步进驱动电源、直流电源相连,具有测量精度高,测量效率高,工程实现简便等优点,也可实现与单光刀类似的全程扫描测量,而此时的测量精度更高。
文档编号G01B11/24GK2463784SQ0121295
公开日2001年12月5日 申请日期2001年1月19日 优先权日2001年1月19日
发明者蒋庄德, 李兵, 田世杰, 隋连升, 韩涛, 景蔚萱 申请人:西安交通大学