CN105806242B - 采用激光旋转扫描的面型测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用激光旋转扫描的面型测量装置，由一维滑台系统、激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统组成，所述一维滑台系统由旋转步进电机、电机支撑座、联轴器、前支撑块、滚珠丝杆、光轴、直线滑台、后支撑座和底座组成，所述激光旋转扫描系统由螺杆、螺杆套筒、连杆、激光器套筒、激光器、旋转步进电机、多面体旋转镜、电机支架组成，所述的双目视觉测量系统由底板、相机、支杆、紧定螺钉组成。本发明采用第二旋转步进电机带动多面体旋转镜旋转，激光器发射的激光打在多面体旋转镜的反射镜上，反射镜反射激光点打到被测面上。两台相机同时对打在被测面上的激光点拍摄照片，计算机控制两台相机拍摄过程，并实现拍摄数据的实时采集和分析，以实现计算机控制双目视觉测量的三维坐标点输出。

Description

采用激光旋转扫描的面型测量装置

技术领域

本发明涉及激光扫描系统，具体涉及一种多面体旋转镜和双目视觉测量系统集成的高精度面型测量装置。

背景技术

在先技术（闽江学院，专利号：201510357389）提到一种双目视觉测量方法，可以通过两个相机对被测点进行拍照，对拍得的照片进行特征点提取，使用双目立体视觉测量的相关公式就可以得到特征点的三维坐标，其精度最高可达到微米级别。由于相机安装在激光旋转扫描装置上，拍摄过程中相机会发生抖动，影响所得三维坐标精度。因此，在双目视觉测量系统中，对激光旋转扫描装置的安装要求提出了较高要求。

在先技术（红外与激光工程，2011年第11期，40卷，第2261页，高瑀含《三维面型精密测量技术》）提出利用激光雷达对三维复杂面型进行扫描测量的技术；在先技术（工程图学报，2004年第4期，第104页，吴禄慎《基于相位法的三维面型测量及曲面重建技术》）提出采用相位法对三维面型测量和曲面重建。这些测量方法包括激光三角法、激光测距法、结构光法等。测量装置结构复杂，对装置精密性要求较高。

在先技术（黄亮等专利，专利号200710099770.6）提出高精度非接触三维面型测量装置，通过激光测量传感器，结合X向、Y向和Z向运动单元等对被测面进行高精度快速动态无损伤测量。但该装置结构复杂，装置的基座以及支架等加工精度高，且需要较高的稳定性。

发明内容

本发明为了克服在先技术的不足，提出一种采用激光旋转扫描的面型测量装置，包括一维滑台系统、激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统三部分。一维滑台系统控制激光扫描装置沿直线方向的前进和后退，激光旋转扫描系统对被测面进行逐步扫描，而由双目视觉测量系统对激光扫描过程进行拍摄，再通过图像处理得到精确的扫描点三维坐标，重建出被测面的轮廓。最后比较测量面形和理论轮廓获得面形变化值。该套装置特别适用于断面变形的监测。

本发明提供一种采用激光旋转扫描的面型测量装置，由一维滑台系统、激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统组成，其中：

所述一维滑台系统由第一旋转步进电机1、电机支撑座2、联轴器3、前支撑块4、滚珠丝杆5、第一光轴6、第二光轴7、直线滑台8、后支撑座9和第一底座10组成，第一旋转步进电机1安装在电机支撑座2上，电机支撑座2和后支撑座9通过螺钉分别固定于第一底座10两侧上；第一旋转步进电机1通过联轴器3与滚珠丝杆5连接，第一旋转步进电机1的旋转运动经过联轴器3传递给滚珠丝杆5；前支撑块4通过轴承安装于滚珠丝杆5上，直线滑台8与滚珠丝杆5通过螺纹连接，滚珠丝杆5的旋转运动经过螺纹传递到直线滑台8上，滚珠丝杆5的旋转运动可以带动直线滑台8沿着滚珠丝杆5进行往返运动；第一光轴6、第二光轴7的两端分别固定于前支撑块4和后支撑座9上，第一光轴6、第二光轴7分别穿过直线滑台8，起支撑直线滑台8的作用；

所述激光旋转扫描系统由螺杆11、第一螺母12、螺杆套筒13、第二螺母14、第一连杆15、激光器套筒16、激光器17、第二连杆18、第二旋转步进电机19、法兰20、多面体旋转镜21、电机支架22和第二底座23组成，螺杆11一端通过螺纹连接安装于第二底座23上，配合在螺杆11上的第一螺母12和第二螺母14将螺杆套筒13紧固于螺杆11的任一高度上，通过调节第一螺母12和第二螺母14来调节螺杆套筒13的高度位置；第一连杆15和第二连杆18的一端分别安装于螺杆套筒13的两边，第一连杆15和第二连杆18的另一端分别安装于激光器套筒16的两边，激光器17固定于激光器套筒16内，通过调节第一螺母12和第二螺母14，以调节螺杆套筒13的高度位置；从而改变激光器17的高度；通过调节激光器套筒16改变激光器17的激光出射角度；第二旋转步进电机19固定于电机支座22上，电机支座22固定于第二底座23上，第二旋转步进电机19的旋转轴通过法兰与多面体旋转镜21连接，第二旋转步进电机19的旋转运动传递到多面体旋转镜21上，带动多面体旋转镜21旋转；

所述的双目视觉测量系统由第二底座23、第一相机24、第二相机25、第一支杆26、第一紧定螺钉27、第二支杆28、第三支杆29、第二紧定螺钉30和第四支杆31组成。第一相机24与第一支杆26一端相连，第一支杆26另一端与第二支杆28一端连接，第二支杆28另一端固定于第二底座23上，第一支杆26可以在第二支杆28上实现上下调节和旋转，从而调节第一相机24的位姿，通过第一紧定螺钉27固定第一支杆26；第二相机25与第三支杆29一端相连，第三支杆29另一端与第四支杆31一端连接，第四支杆31另一端固定在第二底座23上，第三支杆29可以在第四支杆31上实现上下调节和旋转，从而调节第二相机25的位姿，通过第二紧定螺钉30固定第三支杆29；所述第一相机和第二相机分别连接计算机；采用第二旋转步进电机带动多面体旋转镜旋转，激光器发射的激光打在多面体旋转镜的反射镜上，反射镜反射激光点打到被测面上。第一相机和第二相机同时对打在被测面上的激光点拍摄照片，计算机控制第一相机和第二相机的拍摄过程，并实现拍摄数据的实时采集和分析，以实现计算机控制双目视觉测量的三维坐标点输出。

本发明采用激光旋转扫描的面型测量装置基本原理是：

1.结合附图2说明一维滑台工作原理：通过控制第一旋转步进电机1的旋转，带动滚珠丝杆5旋转，滚珠丝杆5的旋转运动驱动与其螺纹配合的直线滑台8前进和后退。固定在直线滑台8上的激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统跟随着直线滑台8前进和后退。

2.结合附图3、附图4说明激光旋转扫描系统工作原理：激光器17发射的激光打在多面体旋转镜21的反射面上，多面体旋转镜21的反射面由金属材料制成，激光点被反射后打到被测平面上，可以在被测平面上观察到激光点。控制第二旋转步进电机19旋转，驱动多面体旋转镜21旋转，使得激光器17发射的激光与多面体旋转镜21的角度发生变化，使得激光的反射角度改变，打在被测平面上激光点位置改变。如附图4，根据多面体旋转镜21的每个角为60°可知，多面体旋转镜21旋转一圈反射激光的角度范围为240°。第二旋转步进电机18持续旋转，使得反射激光实现在240°范围内的周期性扫描，达到扫描被测面的目的。

3.结合图5说明双目视觉测量系统工作原理：第一相机24和第二相机25同时对被测面上的扫描点拍摄，并设置拍摄的间隔，不断拍摄。通过双目视觉测量理论可以计算出拍摄到的扫描点三维坐标值。

本发明的优点是：

1.易于得到精准的面型，本发明采用双目视觉测量面型的方法，通过两个相机对激光扫描点拍照，利用双目视觉测量原理，可以精确的得到被测面的三维坐标值，得到面型三维图，精度最高可达到微米级别。

2.易于实现对被测面型的持续扫描。控制第一步进电机旋转，使得激光旋转扫描系统可以在一维滑台上前后移动，从而扫描被测面型的不同位置；控制第二旋转步进电机旋转，驱动多面体旋转镜持续旋转，使得打在多面体旋转镜上的激光反射角度成周期性变化，实现在一定角度范围内对被测面型的周期性扫描。

3.控制方便。该装置采用独立控制方式，可以分别控制第一旋转步进电机1、第二旋转步进电机19、第一相机24和第二相机25。对于第一旋转步进电机1和第二旋转步进电机19，只需控制第一旋转步进电机和第二旋转步进电机的转速和转动方向即可，同时采用开环控制模式，控制方便；对于第一相机和第二相机，只需使用PC机控制第一相机和第二相机同时拍摄照片，并设置相同的拍摄时间间隔，控制过程简单，易于实现。

4.属于非接触测量面型方法，不需要直接接触面型，保证了在不破坏面型，能精确得到所测量的面型。

5.本发明与直接采用双目立体视觉测量相比较而言，易于识别，得到的三维坐标精度更高。若直接采用双目立体视觉测量，需要对左右两幅图像进行特征点提取，并且粗略匹配特征点对，像匹配过程比较复杂，并且不容易控制，误差较大。而采用基于激光旋转扫描面型测量装置，则只需识别激光点中心在图像平面上的坐标，红外激光点易于识别，得到的激光点三维坐标精度更高。

附图说明

图1是本发明所属的基于激光旋转扫描面型测量装置总示意图。由三部分构成，分别为一维滑台系统、激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统。

图2是一维滑台系统示意图。

图3是激光旋转扫描系统示意图。

图4是计算激光旋转扫描角度范围示意图。其中：(ａ)为激光反射120°示意图，(ｂ)为激光反射0°示意图，(ｃ)为激光反射-120°示意图。

图5是双目视觉测量系统示意图。

图中标号：1-10属于一维滑台系统。部件11-23属于激光旋转扫描系统。部件24-31属于双目视觉测量系统。1-第一旋转步进电机；2-电机支撑座；3-联轴器；4-前支撑块；5-滚珠丝杆；6-第一光轴；7-第二光轴；8-直线滑台；9-后支撑座；10-第一底座；11-螺杆；12-第一螺母；13-螺杆套筒；14-第二螺母；15-第一连杆；16-激光器套筒；17-激光器；18-第二连杆；19-第二旋转步进电机；20-法兰；21-多面体旋转镜；22-电机支架；23-第二底座；24-第一相机；25-第二相机；26-第一支杆；27-第一紧定螺钉；28-第二支杆；29-第三支杆；30-第二紧定螺钉；31-第四支杆；32-一维滑台系统；33-双目视觉测量系统；34-激光旋转扫描系统；35-被测面。

具体实施方式

下面通过各附图对本发明基于激光旋转扫描面型测量装置的组成及实现面型测量过程作进一步的详述，但本发明专利保护范围不限于此。

图1所示的为基于激光旋转扫描面型测量装置的总示意图，包括三个部分，分别为一维滑台系统32（如图2所示）、双目视觉测量系统33（如图5所示）、激光旋转扫描系统34（如图3所示）和被测面35。

所述一维滑台系统（如图2所示）由第一旋转步进电机1、电机支撑座2、联轴器3、前支撑块4、滚珠丝杆5、第一光轴6、第二光轴7、直线滑台8、后支撑座9和第一底座10组成，第一旋转步进电机1安装在电机支撑座2上，电机支撑座2和后支撑座9通过螺钉分别固定于第一底座10两侧上；第一旋转步进电机1通过联轴器3与滚珠丝杆5连接，第一旋转步进电机1的旋转运动经过联轴器3传递给滚珠丝杆5；前支撑块4通过轴承安装于滚珠丝杆5上，直线滑台8与滚珠丝杆5通过螺纹连接，滚珠丝杆5的旋转运动经过螺纹传递到直线滑台8上，滚珠丝杆5的旋转运动可以带动直线滑台8沿着滚珠丝杆5进行往返运动；第一光轴6和第二光轴7的两端分别固定于前支撑块4和后支撑座9上，第一光轴6和第二光轴7分半穿过直线滑台8，起支撑直线滑台8的作用；

图4为激光旋转扫描原理，控制第二旋转步进电机19旋转，驱动多面体旋转镜21旋转，使得激光的反射角度θ改变，打在被测平面上激光点位置改变，通过图4计算可知，多面体旋转镜21旋转一周，激光旋转扫描角度范围为θ∈(﹣120°~120°)，达到周期性扫描被测面的目的。

所述的激光旋转扫描系统（如图3所示）由螺杆11、第一螺母12、螺杆套筒13、第二螺母14、第一连杆15、激光器套筒16、激光器17、第二连杆18、第二旋转步进电机19、法兰20、多面体旋转镜21、电机支架22、第二底座23组成，螺杆11一端通过螺纹连接安装于第二底座23上，配合在螺杆11上的第一螺母12和第二螺母14将螺杆套筒13紧固于螺杆11的任一高度上，通过调节第一螺母12和第二螺母14来调节螺杆套筒13的高度位置；第一连杆15和第二连杆18的一端分别安装于螺杆套筒13的两边，第一连杆15和第二连杆18的另一端安装于激光器套筒16的两边，激光器17固定于激光器套筒16内，通过调节第一螺母12和第二螺母14，以调节螺杆套筒13的高度位置；从而改变激光器17的高度；通过激光器套筒16改变激光器17的激光出射角度；第二旋转步进电机19固定于电机支座22上，电机支座22固定于第二底座23上，第二旋转步进电机19的旋转轴通过法兰与多面体旋转镜21连接，第二旋转步进电机19的旋转运动传递到多面体旋转镜21上，带动多面体旋转镜旋转；所述的双目视觉测量系统（如图5所示）由第二底座23、第一相机24、第二相机25、第一支杆26、第一紧定螺钉27、第二支杆28、第三支杆29、第二紧定螺钉30和第四支杆31组成。第一相机24与第一支杆26一端相连，第一支杆26另一端与第二支杆28一端连接，第二支杆28另一端固定于第二底座23上，第一支杆26可以在第二支杆28上实现上下调节和旋转，从而调节第一相机24的位姿，通过第一紧定螺钉27固定第一支杆26；第二相机25与第三支杆29一端相连，第三支杆29另一端与第四支杆31一端连接，第四支杆31另一端固定在第二底座23上，第三支杆29可以在第四支杆31上实现上下调节和旋转，从而调节第二相机25的位姿，通过第二紧定螺钉30固定第三支杆29。

采用激光旋转扫描的面型测量装置的工作原理如下：

结合图1、图2、图3、图4、图5，激光器17发射的激光打在多面体旋转镜21的反射面上，控制第二旋转步进电机19旋转，驱动多面体旋转镜21旋转，使得激光的反射角度θ改变，打在被测平面上激光点位置改变，并且扫描角度范围为θ∈(﹣120°~120°)，达到周期性扫描被测面的目的。控制第一旋转步进电机1旋转，驱动直线滑台8前进和后退，带动固定在直线滑台8上的激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统跟随着直线滑台8前进和后退，实现扫描被测面的目的。在扫描的过程中，控制第一相机24和第二相机25同时对被测面上的扫描点拍摄，并设置相同的拍摄间隔。通过双目视觉测量理论可以计算出拍摄到的扫描点三维坐标值。得到被测面的面型。

根据下列步骤完成面型测量过程：

1.根据需要扫描的面型，确定激光旋转扫描装置的位置，保证能扫描被测面的所有位置根据基于激光扫描面型测量装置的位置确定一维滑台系统的运动方向、多面体旋转镜21的旋转速度以及旋转方向以及第一相机24和第二相机25的拍摄间隔。将此信息传输给计算机中的第一旋转步进电机控制器、第二旋转步进电机控制器以及相机控制软件。

2.第一旋转步进电机1以及第二旋转步进电机19根据其对应的电机控制器发出的信号进行动作，使得一维滑台系统能沿直线方向前进或后退以及多面体旋转镜21旋转，实现激光旋转扫描被测面。同时，相机根据相机控制软件发出的拍摄命令进行一定间隔的拍照。

3.根据拍摄得到的照片，由双目视觉测量原理可知：当同一时刻第一相机和第二相机拍摄了激光打在被测面上的照片时，可计算出此激光点的三维坐标信息，实现被测面的面型测量目的。

这种采用激光旋转扫描的面型测量装置可以满足非接触的高精度测量要求的同时，可以通过调节相机焦距，改变被测面的视场大小。

以上所述仅为本发明在扫描中应用的一个实例，对于本技术领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用激光旋转扫描的面型测量装置，由一维滑台系统、激光旋转扫描系统和双目视觉测量系统组成，其特征在于：

所述一维滑台系统由第一旋转步进电机(1)、电机支撑座(2)、联轴器(3)、前支撑块(4)、滚珠丝杆(5)、第一光轴(6)、第二光轴(7)、直线滑台(8)、后支撑座(9)和第一底座(10)组成，第一旋转步进电机(1)安装在电机支撑座(2)上，电机支撑座(2)和后支撑座(9)通过螺钉分别固定于第一底座(10)两侧上；第一旋转步进电机(1)通过联轴器(3)与滚珠丝杆(5)连接，第一旋转步进电机(1)的旋转运动经过联轴器(3)传递给滚珠丝杆(5)；前支撑块(4)通过轴承安装于滚珠丝杆(5)上，直线滑台(8)与滚珠丝杆(5)通过螺纹连接，滚珠丝杆(5)的旋转运动经过螺纹传递到直线滑台(8)上，滚珠丝杆(5)的旋转运动可以带动直线滑台(8)沿着滚珠丝杆(5)进行往返运动；第一光轴(6)和第二光轴(7)的两端分别固定于前支撑块(4)和后支撑座(9)上，第一光轴(6)和第二光轴(7)分别穿过直线滑台(8)，起支撑直线滑台(8)的作用；

所述激光旋转扫描系统由螺杆(11)、第一螺母(12)、螺杆套筒(13)、第二螺母(14)、第一连杆(15)、激光器套筒(16)、激光器(17)、第二连杆(18)、第二旋转步进电机(19)、法兰(20)、多面体旋转镜(21)、电机支架(22)和第二底座(23)组成，螺杆(11)一端通过螺纹连接安装于第二底座(23)上，配合在螺杆(11)上的第一螺母(12)和第二螺母(14)将螺杆套筒(13)紧固于螺杆(11)的任一高度上，通过调节第一螺母(12)和第二螺母(14)来调节螺杆套筒(13)的高度位置；第一连杆(15)和第二连杆(18)的一端分别安装于螺杆套筒(13)的两边，第一连杆(15)和第二连杆(18)的另一端分别安装于激光器套筒(16)的两边，激光器(17)固定于激光器套筒(16)内，通过调节第一螺母(12)和第二螺母(14)，以调节螺杆套筒(13)的高度位置；从而改变激光器(17)的高度；通过调节激光器套筒(16)改变激光器(17)的激光出射角度；第二旋转步进电机(19)固定于电机支座(22)上，电机支座(22)固定于第二底座(23)上，第二旋转步进电机(19)的旋转轴通过法兰与多面体旋转镜(21)连接，第二旋转步进电机(19)的旋转运动传递到多面体旋转镜(21)上，带动多面体旋转镜(21)旋转；

所述的双目视觉测量系统由第二底座(23)、第一相机(24)、第二相机(25)、第一支杆(26)、第一紧定螺钉(27)、第二支杆(28)、第三支杆(29)、第二紧定螺钉(30)和第四支杆(31)组成;第一相机(24)与第一支杆(26)一端相连，第一支杆(26)另一端与第二支杆(28)一端连接，第二支杆(28)另一端固定于第二底座(23)上，第一支杆(26)可以在第二支杆(28)上实现上下调节和旋转，从而调节第一相机(24)的位姿，通过第一紧定螺钉(27)固定第一支杆(26)；第二相机(25)与第三支杆(29)一端相连，第三支杆(29)另一端与第四支杆(31)一端连接，第四支杆(31)另一端固定在第二底座(23)上，第三支杆(29)可以在第四支杆(31)上实现上下调节和旋转，从而调节第二相机(25)的位姿，通过第二紧定螺钉(30)固定第三支杆(29)；所述第一相机和第二相机分别连接计算机；采用第二旋转步进电机带动多面体旋转镜旋转，激光器发射的激光打在多面体旋转镜的反射镜上，反射镜反射激光点打到被测面上,第一相机和第二相机同时对打在被测面上的激光点拍摄照片，计算机控制第一相机和第二相机的拍摄过程，并实现拍摄数据的实时采集和分析，以实现计算机控制双目视觉测量的三维坐标点输出。