CN106524915A - 一种螺旋式三维扫描装置及其工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋式三维扫描装置，包括计算单元和扫描单元，所述计算单元和扫描单元之间通过电缆连接，扫描单元包括非接触式位移传感器、旋转机构和直线运动机构，计算单元包括计算机，直线运动机构位于最下端并且直线运动机构上设置有载物台，直线运动机构的两侧设置有第一电机和位移量传感器，旋转机构通过固定支架固定在直线运动机构的上方并且旋转机构的底端安装有非接触式位移传感器，非接触式位移传感器与计算单元电连接，旋转机构包括旋转台、轴套、皮带、旋转信息编码器、滑环和第二电机。本发明还公布了该扫描装置的工作流程。该装置生产成本低，扫描范围大，扫描精度高，可以满足人们的使用需求。

Description

一种螺旋式三维扫描装置及其工作流程

技术领域

本发明涉及一种扫描装置，具体是一种螺旋式三维扫描装置。

背景技术

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。现有的采用非接触式位移传感器进行物体三维扫描的技术，普遍是采用直线运动机构驱动线激光位移传感器进行扫描，或者采用两轴平面运动机构驱动点激光位移传感器进行扫描的方式来实现三维扫描。

用直线运动机构驱动线激光位移传感器的扫描方式的主要问题在于，当直线运动机构的行进方向定义为X轴方向，位移传感器高度测量方向定义为Z轴方向，和这两轴同时垂直的方向为Y方向时，Y方向的测量精度为测量范围除以线激光位移传感器的分辨率的值，因此，范围和精度之间存在不可同时提高的矛盾。同时，线激光位移传感器相比于点激光位移传感器，造价高昂。采用两轴平面运动机构驱动点激光位移传感器的扫描方式的主要问题在于，两轴平面运动机构结构比直线运动机构更复杂，位置控制要求更高；同时，因扫描时采用直线往复运动，扫描时间效率较低，且需要对机构进行加减速控制，机构磨损较严重，这都为人们的使用带来了不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋式三维扫描装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种螺旋式三维扫描装置，包括计算单元和扫描单元，所述计算单元和扫描单元之间通过电缆连接，扫描单元包括非接触式位移传感器、旋转机构和直线运动机构，计算单元包括计算机，直线运动机构位于最下端并且直线运动机构上设置有载物台，直线运动机构的两侧设置有第一电机和位移量传感器，旋转机构通过固定支架固定在直线运动机构的上方并且旋转机构的底端安装有非接触式位移传感器，非接触式位移传感器与计算单元电连接，旋转机构包括旋转台、轴套、皮带、旋转信息编码器、滑环和第二电机，非接触式位移传感器安装在旋转台的底端并且旋转台上设置有旋转信息编码器，两个轴套分别安装在固定支架的两端并且轴套之间通过皮带相连，一个轴套与旋转台相连并且此轴套上端安装有滑环，另一个轴套上端安装有第二电机。

作为本发明进一步的方案：旋转台的底端安装有安装位置调节板。

作为本发明进一步的方案：直线运动机构采用皮带、线性导轨或者磁悬浮进行运动，非接触式位移传感器的数量为一个以上，非接触式位移传感器均匀的分布在旋转台的底端。

作为本发明进一步的方案：非接触式位移传感器为点激光测距仪、红外测距仪或者超声测距仪的一种。

所述螺旋式三维扫描装置的工作流程，具体步骤如下：

步骤一，设备开启后进行速度设定，旋转机构和直线运动机构同时开始运动，运动速度到达指定速度后，将被扫描对象放置到直线运动机构的载物台平面上；

步骤二，计算单元开始在每一个时间点，高速同步获取非接触式位移传感器的输出结果，旋转机构的旋转角度输出结果，以及直线运动机构的位置输出结果，三个数据经过计算得出被测量点的三次元坐标X(t)，Y(t)，Z(t)，作为一个空间点的坐标信息进行保存；

步骤三，当被扫描对象移出旋转机构下方的扫描区域后，此次扫描结束，计算单元输出全部扫描空间点结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置设计合理，结构简单，故障率低，使用安全性和运行稳定性好；该装置生产成本低，扫描范围大，扫描精度高，可以满足人们的使用需求，使用效果好。

附图说明

图1为螺旋式三维扫描装置的结构示意图。

图2为螺旋式三维扫描装置中扫描单元的结构示意图。

图3为螺旋式三维扫描装置中旋转机构的结构示意图.

图4为螺旋式三维扫描装置中旋转台的仰视图。

图5为螺旋式三维扫描装置中XY平面上形成的扫描路径示意图。

图6为螺旋式三维扫描装置中获取的三维点云示意图。

其中：1-计算单元，2-扫描单元，3-被扫描对象，4-非接触式位移传感器，5-直线运动机构，6-第一电机，7-位移量传感器，8-固定支架，11-旋转台，12-轴套，13-皮带，14-旋转信息编码器，15-滑环，16-第二电机，19-安装位置调节板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-6，一种螺旋式三维扫描装置，包括计算单元1和扫描单元2，所述计算单元1和扫描单元2之间通过电缆连接，扫描单元2包括非接触式位移传感器4、旋转机构和直线运动机构5，计算单元1包括计算机，直线运动机构5位于最下端并且直线运动机构5上设置有载物台，直线运动机构5的两侧设置有第一电机6和位移量传感器7，旋转机构通过固定支架8固定在直线运动机构5的上方并且旋转机构的底端安装有非接触式位移传感器4，非接触式位移传感器4与计算单元1电连接，旋转机构包括旋转台11、轴套12、皮带13、旋转信息编码器14、滑环15和第二电机16，非接触式位移传感器4安装在旋转台11的底端并且旋转台11上设置有旋转信息编码器14，两个轴套12分别安装在固定支架8的两端并且轴套12之间通过皮带13相连，一个轴套12与旋转台11相连并且此轴套12上端安装有滑环15，另一个轴套12上端安装有第二电机16。旋转台11的底端安装有安装位置调节板19，可以改变旋非接触式位移传感器4在旋转台11上的安装位置。直线运动机构5采用皮带、线性导轨或者磁悬浮进行运动，非接触式位移传感器4的数量为一个以上，非接触式位移传感器4均匀的分布在旋转台11的底端。非接触式位移传感器4为点激光测距仪、红外测距仪或者超声测距仪的一种，但不仅仅限于这三种装置。

所述螺旋式三维扫描装置的工作流程，具体步骤如下：

步骤一，设备开启后进行速度设定，旋转机构和直线运动机构同时开始运动，运动速度到达指定速度后，将被扫描对象放置到直线运动机构的载物台平面上；

步骤二，计算单元开始在每一个时间点，高速同步获取非接触式位移传感器的输出结果，旋转机构的旋转角度输出结果，以及直线运动机构的位置输出结果，三个数据经过计算得出被测量点的三次元坐标X(t)，Y(t)，Z(t)，作为一个空间点的坐标信息进行保存；通过非接触式位移传感器在旋转台半径方向上的固定位置r以及当前旋转台的旋转速度ω，直线运动单元的水平运动速度为V(t)，计算出当前被扫描点的空间位置如下：

x(t)＝r·Sin(ωt)+v(t)；y(t)＝r·Cos(ωt)；

步骤三，当被扫描对象移出旋转机构下方的扫描区域后，此次扫描结束，计算单元输出全部扫描空间点结果。

旋转台11可以采用空心结构也可以采用实心结构。计算单元1和扫描单元2通过电缆连接，旋转机构带动非接触式位移传感器4旋转，直线运动机构5带动被扫描对象3通过旋转台11下方，将旋转机构的角度信号、直线运动机构5的位置信号和非接触式位移传感器4的输出信号传输到计算单元1，计算单元1读取非接触式位移传感器4的输出结果、旋转机构的旋转角度输出结果以及直线运动机构5的位置输出结果，通过计算从而生成被扫描物体3的三维信息，进行三维建模处理。X轴方向的测量分辨率主要取决于直线运动机构5的行进速度，Y轴方向的测量分辨率主要取决于旋转台11的旋转速度以及非接触式位移传感器4在旋转台11半径方向上的安装位置，Z轴方向的分辨率主要取决于非接触式位移传感器4自身的测量精度。通过本装置构造，可有效解决现有的线激光位移传感器和直线运机机构组合实现方案中存在的分辨率和测量范围的矛盾。另外，本旋转机构和两轴平面运动机构相比，结构简单且扫描效率高，不存在往复运动中加减速对设备本身的磨损影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种螺旋式三维扫描装置，其特征在于，包括计算单元和扫描单元，所述计算单元和扫描单元之间通过电缆连接，扫描单元包括非接触式位移传感器、旋转机构和直线运动机构，计算单元包括计算机，直线运动机构位于最下端并且直线运动机构上设置有载物台，直线运动机构的两侧设置有第一电机和位移量传感器，旋转机构通过固定支架固定在直线运动机构的上方并且旋转机构的底端安装有非接触式位移传感器，非接触式位移传感器与计算单元电连接，旋转机构包括旋转台、轴套、皮带、旋转信息编码器、滑环和第二电机，非接触式位移传感器安装在旋转台的底端并且旋转台上设置有旋转信息编码器，两个轴套分别安装在固定支架的两端并且轴套之间通过皮带相连，一个轴套与旋转台相连并且此轴套上端安装有滑环，另一个轴套上端安装有第二电机。

2.根据权利要求1所述的螺旋式三维扫描装置，其特征在于，所述旋转台的底端安装有安装位置调节板。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋式三维扫描装置，其特征在于，所述直线运动机构采用皮带、线性导轨或者磁悬浮进行运动，非接触式位移传感器的数量为一个以上，非接触式位移传感器均匀的分布在旋转台的底端。

4.根据权利要求1所述的螺旋式三维扫描装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器为点激光测距仪、红外测距仪或者超声测距仪的一种。

5.一种如权利要求1-4任一所述的螺旋式三维扫描装置的工作流程，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，设备开启后进行速度设定，旋转机构和直线运动机构同时开始运动，运动速度到达指定速度后，将被扫描对象放置到直线运动机构的载物台平面上；

步骤二，计算单元开始在每一个时间点，高速同步获取非接触式位移传感器的输出结果，旋转机构的旋转角度输出结果，以及直线运动机构的位置输出结果，三个数据经过计算得出被测量点的三次元坐标X(t)，Y(t)，Z(t)，作为一个空间点的坐标信息进行保存；

步骤三，当被扫描对象移出旋转机构下方的扫描区域后，此次扫描结束，计算单元输出全部扫描空间点结果。