CN104315979B - 一种三维扫描仪及三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描仪及三维扫描方法，三维扫描仪包括相机、用于夹紧被测零件的夹具、用于驱动夹具旋转的第一驱动电机、若干个处于同一水平面且相互平行间隔分布的探针、用于安装各个探针的探针安装平台、用于驱动各探针水平运动并使各探针靠近或远离被测零件的探针水平驱动装置、以及用于驱动探针安装平台上下运动的探针上下驱动装置，每根探针上都带有颜色标记，所述相机用于拍摄各探针颜色标记的图片。本发明采用点云收集呈扫描线状，有利于逆向反求；同时不采用传统的激光或者位置传感器，不受扫描景深的限制，能完成大景深、大体积物体的扫描，另外本发明制作简单、成本低、不需要耗材，易于操作，具有广阔的市场前景。

Description

一种三维扫描仪及三维扫描方法

技术领域

本发明涉及一种三维扫描仪及三维扫描方法。

背景技术

三维扫描仪用来获得被测零件表面的三维坐标，并用计算机来分析被测零件的三维坐标，逆向反求制造零件。三维扫描仪主要分为接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪，其中，非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪（也称拍照式三维扫描仪）和激光扫描仪，而光栅三维扫描仪又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光和面激光的区别。从三维扫描仪的发展历程来看，第一种三维扫描仪采用点测量，代表系统有三坐标测量仪、点激光测量仪、关节臂扫描仪等，它通过每一次的测量点反映物体表面特征，优点是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在测量高精密形位公差要求的物体上有优势；第二种三维扫描仪采用线测量，代表系统有三维台式激光扫描仪、三维手持式激光扫描仪、关节臂+激光扫描仪，它通过一段有效的激光线（一般为几公分，激光线过长会发散）照射物体表面，再通过传感器得到物体表面数据信息，这类三维扫描仪的代表系统是发展比较成熟的，精度较高，其新产品的最高精度已经达到0.01微米，所以，精度上其比肩点扫描，速度上已有极大地提高，在高精度工业设计领域，将有广阔用途，但这类三维扫描仪只适合扫描中小件物体，扫描景深小（一般只有5公分）；第三种三维扫描仪为面扫描，其代表系统有拍照式三维扫描仪、三维摄影测量系统等，它通过一组光栅的位移，再同时经过传感器而采集到物体表面的数据信息。

目前最常用的三维扫描仪是拍照式三维扫描仪和手持激光式扫描仪，其中，拍照式三维扫描仪对大零件的自动拼接不足，手持式激光扫描仪扫描景深小，且价格昂贵。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维扫描仪和三维扫描方法，解决现有三维扫描仪对大零件扫描的自动拼接不足、扫描景深小、价格昂贵的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种三维扫描仪，包括相机、用于夹紧被测零件的夹具、用于驱动夹具旋转的第一驱动电机、若干个处于同一水平面且相互平行间隔分布的探针、用于安装各个探针的探针安装平台、用于驱动各探针水平运动并使各探针靠近或远离被测零件的探针水平驱动装置、以及用于驱动探针安装平台上下运动的探针上下驱动装置，每根探针上都带有颜色标记，所述相机用于拍摄各探针颜色标记的图片并将图片数据输入计算机，计算机用程序分析识别各探针颜色标记在图片中的水平坐标。

优选地，所述探针安装平台上具有若干个水平贯穿的通孔，各探针分别安装在探针安装平台的各个通孔内。

优选地，所述探针水平驱动装置包括设置在探针安装平台上的转子以及用于驱动转子转动的第二驱动电机，所述转子的外圆上具有若干个沿其长度方向延伸的条形槽，每个条形槽内都嵌设有磁条。

优选地，本发明还包括机架，所述机架的两侧设置有竖直导向柱，所述探针上下驱动装置包括第三驱动电机、齿轮和齿条，所述齿轮设置在第三驱动电机的输出轴上，并能够在第三驱动电机的带动下转动；所述齿条套设在其中一根竖直导向柱上并可上下滑动，齿条的外侧与齿轮啮合，所述探针安装平台的一端固定连接在齿条的内侧上。

优选地，所述夹具包括一个固定夹板和一个可上下滑动的活动夹板，所述固定夹板连接在第一驱动电机的输出轴上，并能够在第一驱动电机的带动下转动。

优选地，所述探针安装平台的两侧设置有挡板，两挡板的间距大于探针的长度与被测零件的厚度之和。

一种三维扫描方法，包括如下步骤：

1）夹紧被测零件，移动探针，使各探针顶在被测零件上，然后用相机拍摄各探针颜色标记的图片，并将图片数据输入计算机，计算机根据程序分析识别各探针颜色标记点在图片中的X、Y坐标，并将该坐标写入文本文件“零件三维坐标1”；

2）对被测零件上相邻两根探针之间的间隙部分进行测量，测量时首先移动探针，使各探针远离被测零件，然后将夹具旋转一个角度，重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第一个间隙点的X、Y坐标；再次移动探针，使各探针远离被测零件，再将夹具旋转一个角度，重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第二个间隙点的X、Y坐标；如此循环，完成对被测零件上相邻两根探针之间间隙部分的测量；

3）将夹具相对于步骤1）的状态旋转180°，重复步骤1）和步骤2），此时获得被测零件一周的X、Y坐标；

4）使探针安装平台朝上移动Z距离，将Z坐标值写入文本文件“零件三维坐标1”，重复步骤1）、步骤2）和步骤3），获得被测零件下一周的X、Y坐标；

5）反复重复步骤4），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标1”；

6）将被测零件取下，并将被测零件翻转一个角度后对被测零件的被夹持部分进行测量，测量时重复步骤1）、步骤2）、步骤3）、步骤4）、步骤5），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标2”。

优选地，所述步骤2）中，夹具每次旋转的角度不超过1°。

本发明的显著效果在于：

1、本发明采用探针接触测量，照相后，用计算机程序分析图片，得到被测零件的X、Y坐标，再通过机械传动获得Z坐标，优点是点云收集呈扫描线状，有利于逆向反求；同时不采用传统的激光或者位置传感器，不受扫描景深的限制，能完成大景深、大体积物体的扫描。

2、本发明制作简单、成本低、不需要耗材，易于操作，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明三维扫描仪的结构示意图；

图2为本发明三维扫描仪探针移动顶在被测零件上的结构示意图；

图3为本发明三维扫描仪被测零件翻转90°的结构示意图；

图4为本发明三维扫描仪中转子的结构示意图；

图5为本发明三维扫描仪中探针安装平台的结构示意图。

图中，1—机架，2—挡板，3—竖直导向柱，4—被测零件，5—夹具，6—第三驱动电机，7—齿条，8—齿轮，9—探针，10—转子，11—第二驱动电机，12—相机，13—探针安装平台，14—第一驱动电机，15—固定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见附图，一种三维扫描仪，包括相机12、用于夹紧被测零件4的夹具5、用于驱动夹具旋转的第一驱动电机14、若干个处于同一水平面且相互平行间隔分布的铁质探针9、用于安装各个探针的探针安装平台13、用于驱动各探针水平运动并使各探针靠近或远离被测零件的探针水平驱动装置、以及用于驱动探针安装平台上下运动的探针上下驱动装置，每根探针9的远端都设置有红色球头，相机12用于拍摄各探针红色标记的图片并将图片数据输入计算机，计算机用程序分析识别各探针红色标记在图片中的水平坐标。当然，被测零件4应该在探针9的探测范围内，被测零件4的宽度应该小于位于最左侧与位于最右侧的探针之间的间距。

作为上述技术方案的一种优选实施方式，探针安装平台13呈矩形，探针安装平台13上具有一个矩形孔13a，矩形孔13a的侧面具有若干个水平贯穿的通孔13b，各探针9分别安装在探针安装平台13的各个通孔13b内；探针水平驱动装置包括设置在探针安装平台13上的转子10以及用于驱动转子10转动的第二驱动电机11，转子10呈圆柱形，转子10的外圆上具有若干个沿其长度方向延伸的条形槽，每个条形槽内都嵌设有磁条，磁条位于矩形孔13a内，当转子10顺时针旋转时，磁条与铁质探针9的位置改变，磁力大小改变，铁质探针9的磁力的驱动下靠近被测零件4；当转子10逆时针旋转时，铁质探针9远离被测零件4。

作为上述技术方案的一种优选实施方式，本发明还包括机架1，机架1的两侧设置有竖直导向柱3，探针上下驱动装置包括第三驱动电机6、齿轮8和齿条7，齿轮8设置在第三驱动电机6的输出轴上，并能够在第三驱动电机6的带动下转动；齿条7套设在其中一根竖直导向柱3上并可上下滑动，齿条7的外侧与齿轮8啮合，探针安装平台13一端的上下两侧各设置有一块L型的固定板15，固定板15的水平面固定在探针安装平台13上，固定板15的垂直面通过螺栓固定在齿条7的内侧面上，当然，固定板15也可以与探针安装平台13为一体结构。当然，本发明的齿轮8也可以采用摩擦轮来代替，摩擦轮与齿条7之间产生摩擦力，来带动齿条7上下滑动。

作为上述技术方案的一种优选实施方式，夹具5包括上、下两个机座、一个固定夹板和一个活动夹板，下机座安装在第一驱动电机14的输出轴上，并能够在第一驱动电机14的带动下转动，固定夹板安装在下机座上并能够随下机座同步转动，活动夹板安装在上机座上，并且活动夹板可上下滑动，在夹持被测零件4时，将被测零件4安装在固定夹板和活动夹板之间，然后向下滑动活动夹板，将被测零件夹紧即可。

作为上述技术方案的一种优选实施方式，探针安装平台13的两侧设置有挡板2，两挡板2的间距大于探针9的长度与被测零件4的厚度之和，挡板2用于防止探针9从探针安装平台13上滑脱。

一种采用上述三维扫描仪进行三维扫描的扫描方法，步骤如下：

1）夹紧被测零件4，第二驱动电机11驱动转子10顺时针旋转，利用磁力使各个探针9移动并顶在被测零件4（被测零件可以是任何其它三维物体，本实施例用减速器外壳），然后用相机12拍摄各探针红色端点的图片，并将图片数据输入计算机，计算机根据程序分析识别各探针红色端点在图片中的X、Y坐标，并将该坐标写入文本文件“零件三维坐标1”。数字相机12拍摄的带红色端点的图片是光栅图，或称位图，或称点阵图，是由行和列组成的，称作像素的不同颜色的点构成的图像，常用位图文件格式有BMP、JPG等，将图像输入计算机，用程序分析识别此种颜色在图片中的X、Y坐标，并将该坐标写入一个文本文件“零件三维坐标1”，具体方法是：用Visual Basic.NET计算机语言，对整个光栅图进行X、Y方向扫描，用循环语句改变X、Y的值，按一定的步长均匀赋值，定义一个位图对象mybitmap，其实施例为pictureBox1中图形，用myBitmap.GetPixel(X，Y)方法获取该点像素的颜色值，检查图中每个像素的颜色数值，检查到图片的颜色值为红色，即是探针端点，此时的X、Y值则是探针端点的平面坐标。

2）由于相邻的两根探针之间存在间隙，因此需要对被测零件上相邻两根探针之间的间隙部分进行测量，测量时第二驱动电机11驱动转子10逆时针旋转，使各探针远离被测零件，碰到挡板2停止，此时第一驱动电机14驱动夹具5旋转一个角度（为了能够满足三维扫描仪的规定精度要求，夹具每次旋转的角度最好是不超过1°），重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第一个间隙点的X、Y坐标；再次移动探针，使各探针远离被测零件，再将夹具旋转一个角度，重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第二个间隙点的X、Y坐标；如此循环，直至完成对被测零件上相邻两根探针之间间隙部分的测量，若相邻两根探针之间的间距为0.3mm，夹具每次旋转一个角度，被测零件上测量点的位置移动0.01mm，则步骤2）的过程需要循环29次。

3）将夹具相对于步骤1）的状态旋转180°，重复步骤1）和步骤2），获得被测零件背面的X、Y坐标，再结合步骤1）、步骤2），获得被测零件一周的X、Y坐标。

4）第三驱动电机6旋转，用齿轮8带动齿条7向上滑动，由于探针安装平台13的一端连接在齿条7的内侧面上，因此探针安装平台13沿着竖直导向柱3向上移动一个Z距离，在文本文件“零件三维坐标1”中，将Z坐标值写入，重复步骤1）、步骤2）和步骤3），获得被测零件下一周的X、Y坐标；

5）反复重复步骤4），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标1”；

6）将被测零件取下，并将被测零件翻转一个角度后对被测零件的被夹持部分进行测量（本实施例的被测零件是减速器外壳，夹具夹持在减速器外壳两侧，因此将减速器外壳翻转90°即可），测量时重复步骤1）、步骤2）、步骤3）、步骤4）、步骤5），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标2”，最后根据三维坐标文件“零件三维坐标1”和“零件三维坐标2”逆向反求被测零件。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种三维扫描仪，其特征在于，包括相机、用于夹紧被测零件的夹具、用于驱动夹具旋转的第一驱动电机、若干个处于同一水平面且相互平行间隔分布的探针、用于安装各个探针的探针安装平台、用于驱动各探针水平运动并使各探针靠近或远离被测零件的探针水平驱动装置、以及用于驱动探针安装平台上下运动的探针上下驱动装置，每根探针上都带有颜色标记，所述相机用于拍摄各探针颜色标记的图片并将图片数据输入计算机，计算机用程序分析识别各探针颜色标记在图片中的水平坐标；

所述探针安装平台上具有若干个水平贯穿的通孔，各探针分别安装在探针安装平台的各个通孔内；

还包括机架，所述机架的两侧设置有竖直导向柱，所述探针上下驱动装置包括第三驱动电机、齿轮和齿条，所述齿轮设置在第三驱动电机的输出轴上，并能够在第三驱动电机的带动下转动；所述齿条套设在其中一根竖直导向柱上并可上下滑动，齿条的外侧与齿轮啮合，所述探针安装平台的一端固定连接在齿条的内侧上。

2.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于，所述探针水平驱动装置包括设置在探针安装平台上的转子以及用于驱动转子转动的第二驱动电机，所述转子的外圆上具有若干个沿其长度方向延伸的条形槽，每个条形槽内都嵌设有磁条。

3.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于，所述夹具包括一个固定夹板和一个可上下滑动的活动夹板，所述固定夹板连接在第一驱动电机的输出轴上，并能够在第一驱动电机的带动下转动。

4.根据权利要求1所述的三维扫描仪，其特征在于，所述探针安装平台的两侧设置有挡板，两挡板的间距大于探针的长度与被测零件的厚度之和。

5.一种采用权利要求1-4中任一项所述的三维扫描仪进行三维扫描的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）夹紧被测零件，移动探针，使各探针顶在被测零件上，然后用相机拍摄各探针颜色标记的图片，并将图片数据输入计算机，计算机根据程序分析识别各探针颜色标记点在图片中的X、Y坐标，并将该坐标写入文本文件“零件三维坐标1”；

2）对被测零件上相邻两根探针之间的间隙部分进行测量，测量时首先移动探针，使各探针远离被测零件，然后将夹具旋转一个角度，重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第一个间隙点的X、Y坐标；再次移动探针，使各探针远离被测零件，再将夹具旋转一个角度，重复步骤1），获得被测零件上相邻两根探针之间第二个间隙点的X、Y坐标；如此循环，完成对被测零件上相邻两根探针之间间隙部分的测量；

3）将夹具相对于步骤1）的状态旋转180°，重复步骤1）和步骤2），此时获得被测零件一周的X、Y坐标；

4）使探针安装平台朝上移动Z距离，将Z坐标值写入文本文件“零件三维坐标1”，重复步骤1）、步骤2）和步骤3），获得被测零件下一周的X、Y坐标；

5）反复重复步骤4），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标1”；

6）将被测零件取下，并将被测零件翻转一个角度后对被测零件的被夹持部分进行测量，测量时重复步骤1）、步骤2）、步骤3）、步骤4）、步骤5），获得被测零件的三维坐标文件“零件三维坐标2”。

6.根据权利要求5所述的三维扫描方法，其特征在于，所述步骤2）中，夹具每次旋转的角度不超过1°。