CN109341586B - 非接触式三维测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触式三维测量装置及测量方法，装置包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、搬运机构、定位机构。搬运机构包括导向件、位移检测组件、搬运驱动件；定位机构安装在导向件上，供被测物放置；搬运驱动件带动定位机构和被测物沿导向件的导向方向移动，位移检测组件测量定位机构的位置信息。第一激光位移传感器、第二激光位移传感器分别位于被测物的两侧，并分别与被测物相对，在被测物移动时从两侧测量被测物的表面三维数据。不同位置的激光位移传感器对同一物料的不同角度的立体测量，让数据更加完整，从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维数据，测量精度高，速度快，操作简单，扫描过程无需人工干预。

Description

非接触式三维测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及工业机器视觉检测技术领域，更具体地说，涉及一种非接触式三维测量装置及测量方法。

背景技术

三维测量是通过运用线结构光和激光位移传感器非接触的获取被测物三维数据的方案和技术。

线结构光三维测量基于光学三角法原理，由线激光位移传感器向被测物体表面投射线结构光条，通过激光位移传感器中的相机拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维数据。

目前，现有的基于线结构光的三维测量装置及方法存在以下问题：

1、运用线结构光和激光位移传感器测量物料一次只能扫描一个平面，并不能拟合出被测物料的完整三维数据。

2、扫描的速度慢，测量的结构复杂并且测量的结果受外界影响干扰较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种非接触式三维测量装置及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种非接触式三维测量装置，包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、搬运机构、定位机构；

所述搬运机构包括导向件、位移检测组件、搬运驱动件；

所述定位机构安装在所述导向件上，供被测物放置；

所述搬运驱动件带动所述定位机构和被测物沿所述导向件的导向方向移动，所述位移检测组件测量所述定位机构的位置信息；

所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器分别位于所述被测物的两侧，并分别与所述被测物相对，以在所述被测物移动时从两侧测量所述被测物的表面三维数据。

优选地，所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器中的至少一个位置可调，以从不同角度测量所述被测物的表面三维数据。

优选地，所述定位机构包括供所述被测物放置的定位治具、以及将放置的所述被测物夹紧的夹持机构。

优选地，所述定位机构还包括在所述夹持机构夹持前对所述被测物进行预定位的辅助定位；

所述辅助定位包括定位压头、带动所述定位压头来回移动的定位驱动件，将所述被测物抵靠到基准位置。

优选地，所述定位治具为仿形治具，所述定位治具上设有探测是否放有所述被测物的感应开关，所述夹持机构包括设置在所述感应开关两侧的第一夹爪、第二夹爪、以及带动所述第一夹爪、第二夹爪摆动的夹紧驱动件，以让所述第一夹爪、第二夹爪夹紧、松开所述被测物。

优选地，所述位移检测组件包括光栅尺和对所述光栅尺上的数据读取的读数头，所述光栅尺沿所述导向件设置，所述读数头安装在所述定位机构上，且与所述光栅尺相对，以获取所述定位机构的位置信息。

优选地，所述非接触式三维测量装置还包括第三调节机构；

所述第三调节机构上设有转动调节机构，所述第二激光位移传感器安装在所述转动调节机构上，所述转动调节机构带动所述第二激光位移传感器摆动，调节所述第二激光位移传感器的测量方向。

优选地，所述非接触式三维测量装置还包括基座、第一调节机构、第二调节机构，所述第一调节机构可沿水平的第一方向移动地安装在所述基座上，所述第二调节机构可沿水平的第二方向移动地安装在所述第一调节机构上，所述第三调节机构可上下移动地安装在所述第二调节机构上。

一种采用所述非接触式三维测量装置的非接触式三维测量方法，包括以下步骤：

对所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器进行标定，确定所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器对应的不同空间位置；

将被测物进行夹装定位在所述定位机构；

让所述定位机构沿所述导向件移动，所述位移检测组件检测所述定位机构的位置信息，所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器测量所述被测物的表面三维数据；

将扫描出来的数据进行三维拼接，计算得到一个完整的被测物三维数据。

优选地，让所述定位机构沿所述导向件来回移动，在所述定位机构向不同方向移动时，所述第二激光位移传感器摆动到不同角度，分别斜向上、斜向下测量所述被测物的表面三维数据。

实施本发明的非接触式三维测量装置及测量方法，具有以下有益效果：非接触式三维测量装置可以通过不同位置的激光位移传感器对同一物料的不同角度的立体测量，让数据更加完整，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维数据。激光位移传感器测量精度高，测量速度快，操作简单，整个扫描过程无需人工干预。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的非接触式三维测量装置的立体结构示意图；

图2是图1中的第一激光位移传感器、第二激光位移传感器的安装结构示意图；

图3是图2中的第二激光位移传感器的安装结构示意图；

图4是图1中的搬运机构、定位机构的结构示意图；

图5是图4中的定位机构的结构示意图；

图6是图5中定位机构的夹紧驱动件的结构示意图；

图7是图4中的辅助定位的结构示意图；

图8是图1中的第二激光位移传感器斜向上测量时的结构示意图；

图9是图1中的第二激光位移传感器斜向下测量时的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1至图4所示，本发明一个优选实施例中的非接触式三维测量装置包括第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、搬运机构3、定位机构4。

搬运机构3包括导向件31、位移检测组件32、搬运驱动件33，本实施例中，导向件31沿水平设置，为定位机构4在水平方向进行导向。

定位机构4安装在导向件31上，供被测物放置。搬运驱动件33带动定位机构4和被测物沿导向件31的导向方向移动，位移检测组件32测量定位机构4的位置信息，以定位机构4的位置信息定位被测物的位置信息。

第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2分别位于被测物的两侧，并分别与被测物相对，以在被测物移动时从两侧测量被测物的表面三维数据。

非接触式三维测量装置可以通过不同位置的激光位移传感器对同一物料的不同角度的立体测量，让数据更加完整，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维数据。

激光位移传感器单方向有1920个点，测量精度不低于0.03mm，提升了测量精度；测量速度快，可以在15s之内将被测物的三维数据完成测量；操作简单，整个扫描过程无需人工干预。

进一步地，为了便于调整第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2的空间位置，适应不同尺寸、外形的被测物，非接触式三维测量装置还包括基座5、第一调节机构6、第二调节机构7、第三调节机构8。

第一调节机构6可沿水平的第一方向移动地安装在基座5上，优选地，第一方向与导向件31的导向方向相同。第二调节机构7可沿水平的第二方向移动地安装在第一调节机构6上，第一方向、第二方向交叉，优选地，第一方向、第二方向相互垂直。第三调节机构8可上下移动地安装在第二调节机构7上，第二激光位移传感器2安装在第三调节机构8上，结合第一调节机构6、第二调节机构7、第三调节机构8的调节，让第二激光位移传感器2的位置可以调节，适应不同尺寸和外形的待测件。

第一调节机构6、第二调节机构7、第三调节机构8通常通过导轨、伺服电机等导向和驱动。

进一步地，在本实施例中，第三调节机构8上设有转动调节机构9，第二激光位移传感器2安装在转动调节机构9上，转动调节机构9通过伺服电机等机构带动第二激光位移传感器2摆动，调节第二激光位移传感器2的测量方向，可以让第二激光位移传感器2从上方、下方分别斜向下、斜向上测量，多方向测量被测物的表面数据。

在其他实施例中，也可让第一激光位移传感器1的位置可调，也让第一激光位移传感器1从不同角度测量被测物的表面三维数据。

结合图4至图7所示，定位机构4包括供被测物放置的定位治具41、以及将放置的被测物夹紧的夹持机构42。定位治具41可保证被测物稳定的放置，保证放置位置准确。夹持机构42采用夹持的方式进一步将被测物定位，防止被测物晃动偏移。

定位治具41为仿形治具，外形与被测物的部分特征匹配，可以保证放置位置准确。定位治具41上设有探测是否放有被测物的感应开关43，在被测物放置到位后，发出指令，以能启动测量。

夹持机构42包括设置在感应开关43两侧的第一夹爪421、第二夹爪422、以及带动第一夹爪421、第二夹爪422摆动的夹紧驱动件423，以让第一夹爪421、第二夹爪422夹紧、松开被测物。

为了将放置在定位治具41上的被测物准确定位，利用定位数据保证测量准确，定位机构4还包括在夹持机构42夹持前对被测物进行预定位的辅助定位44。

如图7所示，辅助定位44包括定位压头441、带动定位压头441来回移动的定位驱动件442，将被测物抵靠到基准位置。被测物抵靠到的基准位置可以作为第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2测量的被测物的表面三维数据时的参考位置，使测量准确。

定位驱动件442包括气缸4421、磁感开关4422、定位座4423、直线轴承4424、弹性件4425，磁感开关4422安装在气缸4421上，定位座4423设置在气缸4421的活塞杆的外端上，直线轴承4424可轴向移动地安装在定位座4423上，直线轴承4424的轴线与活塞杆的轴线伸出方向相同，定位压头441安装在直线轴承4424的一端，弹性件4425套设在直线轴承4424上，弹性件4425的两端分别与定位座4423和定位压头441相抵。

如图4所示，在一些实施例中，位移检测组件32包括光栅尺321和对光栅尺321上的数据读取的读数头322，光栅尺321沿导向件31设置，读数头322安装在定位机构4上，且与光栅尺321相对，以获取定位机构4的位置信息。在定位机构4带动被测物运动过程中，读数头322对光栅尺321上的栅尺进行读取，来保证数据的准确性。

进一步的，采用非接触式三维测量装置进行非接触式三维测量方法包括以下步骤：

对第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2进行标定，确定第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2对应的不同空间位置；

将被测物进行夹装定位在定位机构4，

让定位机构4沿导向件31移动，位移检测组件32检测定位机构4的位置信息，第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2测量被测物的表面三维数据；

将扫描出来的数据进行三维拼接，计算得到一个完整的被测物三维数据。

通过第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2对同一个标准标定块进行不同角度的拍摄，通过采集标定块上同样的点，来确定第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2之间的位置。标定块需要通过三次元检测来对上面的特征点进行测量，来保证标定的准确度。

结合图4至图6所示，将被测物放置在仿形治具上，下方的光电感应器等感应开关43会感应到被测物是否放置。当放置完成之后，辅助定位44会启动，气缸4421的活塞杆伸出，带动定位压头441定向物料，在弹簧等弹性件4425的缓冲下将被测物推送到一边。通过治具下方夹紧驱动件423的气缸4421运动，上方的第一夹爪421、第二夹爪422通过弹簧弹力作用，第一夹爪421、第二夹爪422夹合，将被测物卡合在仿形治具上。当放置好之后，带动载有被测物的定位机构4前行到检测位置等待检测。

通常，如图8、图9所示，在测量时，让定位机构4沿导向件31来回移动，在定位机构4向不同方向移动时，第二激光位移传感器2摆动到不同角度，分别斜向上、斜向下测量被测物的表面三维数据，让第二激光位移传感器2从多方向测量获取数据。

如图8所示，通过水平方向第一方向、第二方向的联合运动，运动到待测位置，转动调节机构9带动第二激光位移传感器2转动角度，让第二激光位移传感器2处于下方的检测位置。带动定位机构4和被测物运动，运动过程中通过读数头322所读取的光栅尺321栅作为触发第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2的方法。通过定位机构4的沿导向件31向一个方向运动与第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2所读取的数据，将被测物的三维模型进行体现出来。

如图9所示，进一步地，转动调节机构9再带动第二激光位移传感器2转动角度，让第二激光位移传感器2处于上方的检测位置。左侧的第一激光位移传感器1已进行工作，再带动定位机构4和被测物沿导向件31反方向进行运动，运动过程中通过读数头322所读取的光栅尺321栅作为触发第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2的方法。通过定位机构4的沿导向件31向反方向运动与第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2所读取的数据，将被测物的部分三维模型进行体现出来。

通过之前第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2的标定，已经知道每次扫描时第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2之间的空间位置。通过原先标定数据，来将所呈现不同角度测量的数据进行立体拼接，得到一个完整的被测物三维数据。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种非接触式三维测量装置，其特征在于，包括第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)、搬运机构(3)、定位机构(4)；

所述搬运机构(3)包括导向件(31)、位移检测组件(32)、搬运驱动件(33)；

所述定位机构(4)安装在所述导向件(31)上，供被测物放置；

所述搬运驱动件(33)带动所述定位机构(4)和被测物沿所述导向件(31)的导向方向移动，所述位移检测组件(32)测量所述定位机构(4)的位置信息；

所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)分别位于所述被测物的两侧，并分别与所述被测物相对，以在所述被测物移动时从两侧测量所述被测物的表面三维数据；

所述定位机构(4)包括供所述被测物放置的定位治具(41)、以及将放置的所述被测物夹紧的夹持机构(42)；

所述定位机构(4)还包括在所述夹持机构(42)夹持前对所述被测物进行预定位的辅助定位(44)；

所述辅助定位(44)包括定位压头(441)、带动所述定位压头(441)来回移动的定位驱动件(442)，将所述被测物抵靠到基准位置，所述被测物抵靠到的基准位置作为所述第一激光位移传感器(1)、所述第二激光位移传感器(2)测量的被测物的表面三维数据时的参考位置；

所述定位驱动件(442)包括气缸(4421)、磁感开关(4422)、定位座(4423)、直线轴承(4424)、弹性件(4425)，所述磁感开关(4422)安装在所述气缸(4421)上，所述定位座(4423)设置在所述气缸(4421)的活塞杆的外端上，所述直线轴承(4424)可轴向移动地安装在所述定位座(4423)上，所述直线轴承(4424)的轴线与活塞杆的轴线伸出方向相同，所述定位压头(441)安装在所述直线轴承(4424)的一端，所述弹性件(4425)套设在所述直线轴承(4424)上，所述弹性件(4425)的两端分别与所述定位座(4423)和所述定位压头(441)相抵。

2.根据权利要求1所述的非接触式三维测量装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)中的至少一个位置可调，以从不同角度测量所述被测物的表面三维数据。

3.根据权利要求1所述的非接触式三维测量装置，其特征在于，所述定位治具(41)为仿形治具，所述定位治具(41)上设有探测是否放有所述被测物的感应开关(43)，所述夹持机构(42)包括设置在所述感应开关(43)两侧的第一夹爪(421)、第二夹爪(422)、以及带动所述第一夹爪(421)、第二夹爪(422)摆动的夹紧驱动件(423)，以让所述第一夹爪(421)、第二夹爪(422)夹紧、松开所述被测物。

4.根据权利要求1所述的非接触式三维测量装置，其特征在于，所述位移检测组件(32)包括光栅尺(321)和对所述光栅尺(321)上的数据读取的读数头(322)，所述光栅尺(321)沿所述导向件(31)设置，所述读数头(322)安装在所述定位机构(4)上，且与所述光栅尺(321)相对，以获取所述定位机构(4)的位置信息。

5.根据权利要求1至4任一项所述的非接触式三维测量装置，其特征在于，所述非接触式三维测量装置还包括第三调节机构(8)；

所述第三调节机构(8)上设有转动调节机构(9)，所述第二激光位移传感器(2)安装在所述转动调节机构(9)上，所述转动调节机构(9)带动所述第二激光位移传感器(2)摆动，调节所述第二激光位移传感器(2)的测量方向。

6.根据权利要求5所述的非接触式三维测量装置，其特征在于，所述非接触式三维测量装置还包括基座(5)、第一调节机构(6)、第二调节机构(7)，所述第一调节机构(6)可沿水平的第一方向移动地安装在所述基座(5)上，所述第二调节机构(7)可沿水平的第二方向移动地安装在所述第一调节机构(6)上，所述第三调节机构(8)可上下移动地安装在所述第二调节机构(7)上。

7.一种采用权利要求1至6任一项所述非接触式三维测量装置的非接触式三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

对所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)进行标定，确定所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)对应的不同空间位置；

将被测物进行夹装定位在所述定位机构(4)；

让所述定位机构(4)沿所述导向件(31)移动，所述位移检测组件(32)检测所述定位机构(4)的位置信息，所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)测量所述被测物的表面三维数据；

将扫描出来的数据进行三维拼接，计算得到一个完整的被测物三维数据。

8.根据权利要求7所述的非接触式三维测量方法，其特征在于，让所述定位机构(4)沿所述导向件(31)来回移动，在所述定位机构(4)向不同方向移动时，所述第二激光位移传感器(2)摆动到不同角度，分别斜向上、斜向下测量所述被测物的表面三维数据。

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