CN108317967B - 一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法 - Google Patents

一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法，采用带自锁装置的滚珠丝杠螺母副、十字滑台、三维转台、双目扫描测量单元等相结合的结构，立柱顶部装有陶瓷标定板且中间挖空设置上导轨，导轨上嵌装滚珠丝杠螺母副，螺母副连接十字滑台，各十字滑台依次环接，同步运转，在每个十字滑台上安装一个三维转台，每个三维转台上固定好双目扫描测量单元。本发明在测量中通过伺服电动机带动滚珠丝杠螺母副和十字滑台移动并通过光栅控制移动误差，从而既能像坐标测量机一样实现精确的定位，可以进行在线测量，又能通过精密三维转台控制四组双目扫描测量单元的精确配合，最终实现在线的精确非接触测量，且适用范围较广。

Description

一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及物体三维坐标扫描测量技术领域，特别是涉及物体三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法。
背景技术
基于光学的三维外形轮廓测量是目前最有发展前景的物体三维测量方法之一。目前国内常用的基于光学的测量方法，存在测量范围小、测量精度不高、无法实现快速在线测量等缺陷。此外，现有的扫描测量装置，一般是为手持式或者直接安装在支架上，无法定量的精确控制其移动和旋转，所以测量大尺寸物件的时候，经常存在较大的由图像拼接带来的误差，而且由于光学测量角度受限，大多对物体的边缘和缝隙以及沟、槽等部位测量不准。
发明内容
为了克服现有技术领域存在的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法，采用该测量系统能够准确地控制测量中双目扫描测量单元的测量角度和移动，且测量范围较广，通过对滚珠丝杠螺母副、十字滑台、三维转台运动和转动误差的标定以及每次移动后对双目扫描测量单元的标定，可以较好的进行误差补偿，从而较好的实现在线测量。
本发明所采用的技术方案是：一种三维坐标组合扫描测量系统，包括陶瓷标定板、立柱、安装在导轨上的滚珠丝杠螺母副、十字滑台、光栅、三维转台、双目扫描测量单元，所述立柱设有四根，每根立柱中间挖空并设置上导轨，导轨上嵌装滚珠丝杠螺母副，且立柱顶部皆安装所述陶瓷标定板；所述滚珠丝杠螺母副带有自锁装置并与十字滑台连接，四个十字滑台依次环接并实现同步运转，每个十字滑台的移动部件上安装一个三维转台，所述三维转台上固定有双目扫描测量单元；所述光栅包括水平光栅和垂直光栅，所述水平光栅安装在十字滑台上，所述垂直光栅安装在导轨上；所述十字滑台、三维转台和双目扫描测量单元采用较轻材质。
所述的一种三维坐标组合扫描测量系统的使用方法，其步骤为：
S1：将目标镜固定在滚珠丝杠螺母副和十字滑台的移动部件上，利用光栅和激光跟踪仪对滚珠丝杠螺母副、十字滑台运动误差进行标定：
S2：给三维转台的三个轴分别装上圆光栅，利用圆光栅对三维转台转动误差进行标定；
S3：对各双目扫描测量单元的内部参数和外部参数进行标定，建立各双目扫描测量单元坐标系，然后依次标定出各双目扫描测量单元之间的位置关系，最后通过坐标变换，将各双目扫描测量单元坐标下的坐标统一到第一组双目扫描测量单元坐标系下，建立系统坐标系。
S4：在初始位置标定好双目扫描测量单元内外参数，建立好系统坐标系后，通过投影格雷码，使用四步相移法对每个双目扫描测量单元公共视场内的待测件进行扫描测量，并将测得的坐标全部转化到系统坐标系下，多次移动和旋转双目扫描测量单元，逐渐完成整个待测件三维形貌的扫描测量。
本发明提供的一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法，其有益效果在于，通过使用滚珠丝杠螺母副、十字滑台、三维转台等移动部件，实现了高精度移动扫描测量，通过使用四组双目扫描测量单元组合测量，提高了测量效率和测量范围。通过测量初始位置的标定，和每次移动过程后的误差补偿以及双目扫描测量单元标定，最终可以获得测量系统坐标系下的整个待测物的坐标，且有较高的精度。本发明可实现快速在线测量，且测量范围较大，测量精度较高。
附图说明
图1是本发明一个实施例的整体结构示意图；
图2为初始位置标定时各相机视场间的位置关系。
图中标注：
1. 陶瓷标定板；2.立柱；3.安装在导轨上的滚珠丝杠螺母副；4.连接部件；5.十字滑台；6.水平光栅；7.垂直光栅；8.三维转台；9.双目扫描测量单元；10.地面。
具体实施方式
下面参照附图，结合一个实施例，对本发明提供的一种三维坐标组合扫描测量系统及其使用方法进行详细的说明。
实施例
请参阅图1，一种三维坐标组合扫描测量系统，包括陶瓷标定板1、立柱2、安装在导轨上的滚珠丝杠螺母副3、十字滑台5、光栅、三维转台8、双目扫描测量单元9。先对生产车间测量区域的地面10进行隔振处理，然后在地面10上建起四根粗大的立柱2作为支撑，立柱2顶部装有陶瓷标定板1，方便每次移动后对双目扫描测量单元9进行标定，立柱2中间挖空并设置上导轨，导轨上嵌装滚珠丝杠螺母副3，在每个滚珠丝杠螺母副3上通过连接部件4连接十字滑台5，四个十字滑台5依次环接，同步运转，在每个十字滑台5的移动部件上安装三维转台8，每个三维转台8上固定好双目扫描测量单元9。所述滚珠丝杠螺母副3和十字滑台5都安装有光栅控制移动，水平光栅6安装在十字滑台5上，垂直光栅7安装在滚珠丝杠螺母副3上。十字滑台5通过连接部件4固定在滚珠丝杠螺母副3上，可以随滚珠丝杠螺母副3移动，滚珠丝杠螺母副3、十字滑台5、三维转台8和双目扫描测量单元9重量较轻，连接部件4可以较好承载这些组成单元且不会影响运动，滚珠丝杠螺母副3、十字滑台5和三维转台8的运动误差事先都进行了标定，在测量中可以对每次测量进行误差补偿。
本发明所提供的一种三维坐标组合扫描测量系统的使用方法：
S1：滚珠丝杠螺母副3、十字滑台5运动误差的标定：使用激光跟踪干涉仪对滚珠丝杠螺母副3和十字滑台5的运动误差进行标定。在每次标定时，分别将目标镜固定在滚珠丝杠螺母副3和十字滑台5的移动部件上，根据光栅的读数，每次让滚珠丝杠螺母副3或十字滑台5的移动部件移动10mm的距离，记下由激光跟踪干涉仪测出来的移动距离。走完全程后，记录下每次移动过程中光栅尺和激光跟踪干涉仪读数的误差，对所有测得的误差舍去一个最大值，舍去一个最小值，剩下的误差值取平均值，所得的值可近似作为光栅测量值的误差补偿量，多次测量取平均值。由于激光跟踪干涉仪的测量精度可达0.1μm，比光栅高一个数量级，可以作为光栅指示误差的标定仪器。
S2:三维转台8转动误差标定：三维转台8转角误差标定时，给三维转台8三个轴分别装上用高精度坐标测量机（精度达到0.4μm）标定过转角误差的圆光栅。标定中，让三维转台8依次绕x、y、z轴每次转过10度，记下圆光栅测得的转角，与三维转台8记录的转角之差作为转角误差，让转台转过一周，记下绕各个轴转动时每个位置的转角误差，对所有测得的转角误差取平均值，近似作为三维转台8的转角误差，多次测量取平均值。
S3:双目扫描测量单元9在测量初始位置的标定，建立系统坐标系：在初始位置，通过移动滚珠丝杠螺母副3和十字滑台5，旋转三维转台8，让四组双目扫描测量单元9的视场按图2的方式组合。先分别将高精度陶瓷标定板放到各组双目扫描测量单元9的两相机的公共视场内，通过分别拍摄12组图片，对各双目扫描测量单元9的内部参数和外部参数进行标定，建立各双目扫描测量单元9坐标系。然后将高精度标定板依次放入各组双目扫描测量单元9视场的重合区域内，通过分别拍摄12组图片，依次标定出各双目扫描测量单元9之间的位置关系，最后通过坐标变换，将各双目扫描测量单元9坐标下的坐标统一到第一组双目扫描测量单元9坐标系下，建立系统坐标系。第一组双目扫描测量单元9作为基准，其位置是初期通过精确移动和标定获得的。
S4：移动扫描测量过程的实现：在初始位置标定好双目扫描测量单元9内外参数，建立好系统坐标系后，通过投影格雷码，使用四步相移法对每个双目扫描测量单元9公共视场内的待测件进行扫描测量，并将测得的坐标全部转化到系统坐标系下。完成初始位置的测量后，通过滚珠丝杠螺母副3和十字滑台5控制各双目扫描测量单元9以每次10mm的距离进行移动，并根据标定得到的误差补偿量对光栅读数进行补偿。完成移动后，通过三维转台8旋转，让双目扫描测量单元9正对与之距离最近的一根立柱2上的陶瓷标定板1，对移动后的双目扫描测量单元9内参数进行标定，然后让各双目扫描测量单元9旋转到正对待测物的角度，计算旋转平移后各双目扫描测量单元9在系统坐标系下的坐标（R、T矩阵的精度由步骤S1、S2中的运动旋转误差标定保证），从而直接测得系统坐标系下的坐标。通过投影格雷码，使用四步相移法对每个双目扫描测量单元9公共视场内的待测件进行扫描测量。多次移动和旋转双目扫描测量单元9，逐渐完成整个待测件三维形貌的扫描测量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，本发明中的四套双目扫描测量单元可按实际需求开启相应数量的双目扫描测量单元，进行灵活的测量。上述的具体实施方式也仅仅是示意性的，并不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三维坐标组合扫描测量系统的使用方法，其特征在于：所述三维坐标组合扫描测量系统包括陶瓷标定板、立柱、安装在导轨上的滚珠丝杠螺母副、十字滑台、光栅、三维转台、双目扫描测量单元，所述立柱设有四根，固定立柱的地面进行隔震处理，每根立柱中间挖空并设置上导轨，导轨上嵌装滚珠丝杠螺母副，且立柱顶部皆安装所述陶瓷标定板；所述滚珠丝杠螺母副与十字滑台连接，四个十字滑台依次环接并实现同步运转，每个十字滑台的移动部件上安装一个三维转台，所述三维转台上固定有双目扫描测量单元；所述光栅包括水平光栅和垂直光栅，所述水平光栅安装在十字滑台上，所述垂直光栅安装在导轨上；
三维坐标组合扫描测量系统的使用方法步骤如下：
S1：在每次标定时，将目标镜固定在滚珠丝杠螺母副和十字滑台的移动部件上，根据光栅的读数，让滚珠丝杠螺母副或十字滑台的移动部件移动，记下由激光跟踪干涉仪测出来的移动距离，对滚珠丝杠螺母副、十字滑台运动误差进行标定；
S2：三维转台转动误差标定：三维转台转角误差标定时，给三维转台三个轴分别装上用高精度坐标测量机标定过转角误差的圆光栅，所述高精度坐标测量机的精度达到0.4μm，标定中，让三维转台依次绕x、y、z轴每次转过10度，记下圆光栅测得的转角，与三维转台记录的转角之差作为转角误差，让三维转台转过一周，记下绕各个轴转动时每个位置的转角误差，对所有测得的转角误差取平均值，作为三维转台的转角误差，多次测量取平均值；
S3：对各双目扫描测量单元的内部参数和外部参数进行标定，建立各双目扫描测量单元坐标系，然后依次标定出各双目扫描测量单元之间的位置关系，最后通过坐标变换，将各双目扫描测量单元坐标下的坐标统一到第一组双目扫描测量单元坐标系下，建立系统坐标系；
S4：移动扫描测量：在初始位置标定好双目扫描测量单元内外参数，建立好系统坐标系后，通过投影格雷码，使用四步相移法对每个双目扫描测量单元公共视场内的待测件进行扫描测量，并将测得的坐标全部转化到系统坐标系下，完成初始位置的测量后，通过滚珠丝杠螺母副和十字滑台控制各双目扫描测量单元进行移动，并根据标定得到的误差补偿量对光栅读数进行补偿，完成移动后，通过三维转台旋转，让双目扫描测量单元正对与之距离最近的一根立柱上的陶瓷标定板，对移动后的双目扫描测量单元内参数进行标定，然后让各双目扫描测量单元旋转到正对待测物的角度，计算旋转平移后各双目扫描测量单元在系统坐标系下的坐标，从而直接测得系统坐标系下的坐标，通过多次移动和旋转双目扫描测量单元，逐渐完成整个待测件三维形貌的扫描测量。
2.根据权利要求1所述的一种三维坐标组合扫描测量系统的使用方法，其特征在于：所述滚珠丝杠螺母副带有自锁装置。
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