CN106767514A - 一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置，其特征在于，包括转动平动装置、待测物体、一字线激光器、工业相机，所述待测物体为圆柱形，所述待测物体的一端设置于所述转动平动装置上，所述待测物体的另一端以一定角速度ω转动且沿轴向以速度v移动，所述一字线激光器固定设置于所述待测物体的上方，所述一字线激光器投影的激光与所述轴向平行，所述工业相机固定设置于待测物体的上方，所述工业相机与所述一字线激光器投影的激光平面呈一定角度。本发明中待测物体只需要简单的转动和平动，利用待测物体与激光器之间的相对运动就可以实现对柱状物体的无缝扫描，本发明还可以用于产品外形缺陷的检测。

Description

一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置及方法，属于三维轮廓测量技术领域。
背景技术
目前，在众多的工业应用领域，比如航空航天、仿形加工、机器视觉等，都需要获得物体的三维轮廓信息。三维轮廓测量技术一般可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量一般是利用探针进行测量，由于其精度会受到探针尺寸的限制，而且探针易磨损、探针对测量物体也会造成损伤，所以在工业应用中越来越倾向于利用非接触式轮廓测量方法。利用光电检测实现物体三维轮廓的非接触式测量方法又可分为莫尔条纹法、飞行时间法、激光三角法等。
传统的线激光三角法三维轮廓测量装置一般包含一个线激光器、相机和带动物体运动的电机导轨等，激光器与相机成固定角度，投射到物体表面的线激光经反射或散射后在相机成像面上成像，根据与基准面成像的偏差，得到物体的深度信息。但是在实际应用中，很多情况下物体并不能自由运动，或者利用电机等带动物体运动也会带来机械误差，影响测量精度与效率，增加不稳定性，限制了其应用范围。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种灵活、结构简单、精度高、速度快、效率高、无盲区的适用于工业生产线上的线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置及方法。
本发明采用如下技术方案：一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置，其特征在于，包括转动平动装置、待测物体、一字线激光器、工业相机，所述待测物体为圆柱形，所述待测物体的一端设置于所述转动平动装置上，所述待测物体的另一端以一定角速度ω转动且沿轴向以速度v移动，所述一字线激光器固定设置于所述待测物体的上方，所述一字线激光器投影的激光与所述轴向平行，所述工业相机固定设置于待测物体的上方，所述工业相机与所述一字线激光器投影的激光平面呈一定角度。
优选地，一字线激光器与工业相机所呈的角度为30°。
本发明还提出一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1：待测物体安装在转动平动装置上，待测物体呈柱状，以速度v沿轴向移动，同时绕着轴以ω转动；
步骤SS2：一字线激光器发出激光投影在轴上，与一字线激光器的出光口构成扫描面，随着待测物体的平动和转动实现无盲点扫描；
步骤SS3：工业相机与一字线激光器置于同一个垂面内，并保持一定的角度，将经过轴且垂直于激光面的平面为基准面进行相机标定，利用三角测距原理，计算出每一帧扫描图片的深度信息，从而重构出柱状待测物体的三维轮廓。
优选地，步骤SS2中的无盲点扫描包括：单周期偏移距离要小于线激光长度L，即
V*T＝V*2π/ω≤L 式(1)
待测物体平动速度v和转动角速度ω以及一字线激光长度L必须满足上式。
优选地，步骤SS2中的无盲点扫描具体包括：设定线激光在一个周期内扫过的区域为ADBC，AD表示线激光的起始位置，BC表示扫描一周后线激光所在的位置，设待测物体的旋转角速度为ω，位移速度为V，线激光长度为L则有如下关系，
角度对应关系：Angle(t)＝ω*t 式(2)
位移对应关系：(t)＝V*t 式(3)
根据式(2)和式(3)，在处理每一帧数据时，引入偏移量算出待测物体实际的三维信息。
优选地，步骤SS3中的相机标定包括：一字线激光器发出的一字线激光固定投向待测物体的轴线，随着物体的平动和转动扫描物体的表面，工业相机接收经待测物体轮廓面漫反射的光线，设定位移速度v和角速度ω得到无盲点的扫描结果。
本发明所达到的有益效果：(1)本发明中待测物体只需要简单的转动和平动，利用待测物体与激光器之间的相对运动就可以实现对柱状物体的无缝扫描，不需要更多的激光器和相机，装置更加简单，利于装置和系统标定；(2)激光扫描面的范围及角度都可以根据待测物体的尺寸进行调整，测量准确高效精度高，适用范围较广；(3)本发明的柱状物体三维轮廓测量装置操作也非常方便，还可以用于产品外形缺陷的检测。
附图说明
图1是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置的主视图的结构示意图。
图2是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置的侧视图的结构示意图。
图3是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法的扫描展开示意图。
图中标记的含义：1-转动平动装置，2-待测物体，3-一字线激光器，4-工业相机，图3中黑色区域表示被扫描区域，AD表示激光起始位置，BC表示激光扫描一周后的位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置的主视图的结构示意图。本发明提出一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置，包括转动平动装置1、待测物体2、一字线激光器3、工业相机4，待测物体2为圆柱形，待测物体2的一端设置于转动平动装置1上，待测物体2的另一端以一定角速度ω转动且沿轴向以速度v移动，一字线激光器3固定设置于待测物体2的正上方，一字线激光器3投影的激光与轴向平行，工业相机4固定设置于待测物体2的上方，工业相机4与一字线激光器3投影的激光平面呈一定角度。
其中，转动平动装置1用来控制待测物体2的平动速度和转动速度，一字线激光器3发出的一字线激光固定投向待测物体2的轴线，随着待测物体2的平动和转动扫描待测物体2的表面，工业相机4接收经待测物体2轮廓面漫反射的光线。
图2是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置的侧视图的结构示意图。作为一种较佳的实施例，一字线激光器3与工业相机4所呈的角度为30°。
本发明还提出一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1：待测物体2安装在转动平动装置1上，待测物体2呈柱状，以速度v沿轴向移动，同时绕着轴以ω转动；
步骤SS2：一字线激光器3发出激光投影在轴上，与一字线激光器3的出光口构成扫描面，随着待测物体2的平动和转动实现无盲点扫描；
步骤SS3：工业相机4与一字线激光器3置于同一个垂面内，并保持一定的角度，将经过轴且垂直于激光面的平面为基准面进行相机标定，利用三角测距原理，计算出每一帧扫描图片的深度信息，从而重构出柱状待测物体2的三维轮廓。
作为一种较佳的实施例，步骤SS2中的无盲点扫描包括：单周期偏移距离要小于线激光长度L，即
V*T＝V*2π/ω≤L 式(1)
待测物体平动速度v和转动角速度ω以及一字线激光长度L必须满足上式。
图3是本发明的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法的扫描展开示意图。黑色区域表示线激光在一个周期内扫过的区域，作为一种较佳的实施例，步骤SS2中的无盲点扫描具体包括：设定线激光在一个周期内扫过的区域为ADBC，只要B点在D点的上方，就可以做到没有盲点(除了最开始扫描的空白区)，图中的横坐标表示角度，纵坐标表示距离待测物体端点的距离，AD表示线激光的起始位置，BC表示扫描一周后线激光所在的位置，设待测物体2的旋转角速度为ω，位移速度为V，线激光长度为L则有如下关系，
角度对应关系：Angle(t)＝ω*t 式(2)
位移对应关系：(t)＝V*t 式(3)
根据式(2)和式(3)，在处理每一帧数据时，引入偏移量算出待测物体2实际的三维信息。
作为一种较佳的实施例，步骤SS3中的相机标定包括：一字线激光器3发出的一字线激光固定投向待测物体2的轴线，随着物体的平动和转动扫描物体的表面，工业相机4接收经待测物体2轮廓面漫反射的光线，设定位移速度v和角速度ω得到无盲点的扫描结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置，其特征在于，包括转动平动装置(1)、待测物体(2)、一字线激光器(3)、工业相机(4)，所述待测物体(2)为圆柱形，所述待测物体(2)的一端设置于所述转动平动装置(1)上，所述待测物体(2)的另一端以一定角速度ω转动且沿轴向以速度v移动，所述一字线激光器(3)固定设置于所述待测物体(2)的上方，所述一字线激光器(3)投影的激光与所述轴向平行，所述工业相机(4)固定设置于待测物体(2)的上方，所述工业相机(4)与所述一字线激光器(3)投影的激光平面呈一定角度。
2.根据权利要求1所述的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置，其特征在于，所述一字线激光器(3)与所述工业相机(4)所呈的角度为30°。
3.一种基于权利要求1所述的线激光扫描柱状物体三维轮廓测量装置的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1：待测物体(2)安装在转动平动装置(1)上，待测物体(2)呈柱状，以速度v沿轴向移动，同时绕着轴以ω转动；
步骤SS2：一字线激光器(3)发出激光投影在轴上，与一字线激光器(3)的出光口构成扫描面，随着待测物体(2)的平动和转动实现无盲点扫描；
步骤SS3：工业相机(4)与一字线激光器(3)置于同一个垂面内，并保持一定的角度，将经过轴且垂直于激光面的平面为基准面进行相机标定，利用三角测距原理，计算出每一帧扫描图片的深度信息，从而重构出柱状待测物体(2)的三维轮廓。
4.根据权利要求3所述的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤SS2中所述的无盲点扫描包括：单周期偏移距离要小于线激光长度L，即
V*T＝V*2π/ω≤L 式(1)
待测物体平动速度v和转动角速度ω以及一字线激光长度L必须满足上式。
5.根据权利要求4所述的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤SS2中所述的无盲点扫描具体包括：设定线激光在一个周期内扫过的区域为ADBC，AD表示线激光的起始位置，BC表示扫描一周后线激光所在的位置，设待测物体(2)的旋转角速度为ω，位移速度为V，线激光长度为L则有如下关系，
角度对应关系：Angle(t)＝ω*t 式(2)
位移对应关系：(t)＝V*t 式(3)
根据式(2)和式(3)，在处理每一帧数据时，引入偏移量算出待测物体(2)实际的三维信息。
6.根据权利要求3所述的一种线激光扫描柱状物体三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤SS3中所述的相机标定包括：所述一字线激光器(3)发出的一字线激光固定投向待测物体(2)的轴线，随着物体的平动和转动扫描物体的表面，工业相机(4)接收经待测物体(2)轮廓面漫反射的光线，设定位移速度v和角速度ω得到无盲点的扫描结果。
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