CN111721234B - 一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置。本发明主要解决现有线激光传感器存在的单从一个角度无法获得完整的数据和扫描得到的数据拼接难度大的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置，它由旋转机构、径向调节机构、升降机构、角度调整机构和线激光传感器组成；所述径向调节机构通过径向调节机构中的第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构与所述旋转机构中的旋转平台连接并在旋转运动时保持同步，所述升降机构通过径向调节平台与所述径向调节机构中的第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构相连接，所述角度调整机构通过升降平台装在升降机构上，所述线激光传感器装在角度调整机构的旋转支架上。

Description

一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置

技术领域

本发明属于3D扫描技术领域，具体涉及一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置。

背景技术

随着逆向工程的迅猛发展，3D扫描技术的需求越来越大，由于在扫描过程中，扫描仪需要将被扫物体所有表面照射，然而内螺纹两个工作侧面、牙顶面和牙底面，无法被同时照射，因而造成内螺纹的三维信息难以获得。同时国内的手持式三维扫描设备精度较低，多在1-5mm，且价格相对很高，少则十几万，多则几十万。国外的三维扫描设备虽然精度高，但价格更加昂贵。

线激光传感器具有精度高，价格便宜的特点，但是扫描结果为一帧一帧数据，多用在流水线等水平移动的场景。在其他场景使用，需要专门的拼接技术。使用线激光传感器扫描内螺纹，单从一个角度无法获得完整的数据，更改激光的照射角度后还需要知道线激光传感器的具体位置和角度才能进行正确的拼接。因此，使用线激光对内螺纹类产品进行扫描存在着单从一个角度无法获得完整的数据和扫描得到的数据拼接难度大的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的是解决现有线激光传感器存在的单从一个角度无法获得完整的数据和扫描得到的数据拼接难度大的技术问题，提供一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置，它由旋转机构、径向调节机构、升降机构、角度调整机构和线激光传感器组成；所述径向调节机构通过径向调节机构中的第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构与所述旋转机构中的旋转平台连接并在旋转运动时保持同步，所述升降机构通过径向调节平台与所述径向调节机构中的第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构相连接，所述角度调整机构通过升降平台装在升降机构上，所述线激光传感器装在角度调整机构的旋转支架上。

进一步地，所述旋转机构由基座、齿轮副、旋转轴、第一伺服电机、轴承压盖、两个推力球轴承和旋转平台构成，所述两个推力球轴承设在旋转轴的下部，所述旋转轴下端和两个推力球轴承装在基座顶面中心设置的轴承孔中，所述轴承压盖与基座顶面连接并使两个推力球轴承位于轴承压盖内，所述第一伺服电机装在基座顶面上并使第一伺服电机的转轴穿过基座设置的轴孔，所述齿轮副装在第一伺服电机的转轴和旋转轴的轴端上并位于基座底面的下面，所述旋转平台装在旋转轴的上端。

进一步地，所述径向调节机构由第一滑轨滑块机构、中间平台、第一齿轮齿条机构、第二齿轮齿条机构、第二伺服电机、第二滑轨滑块机构、第三滑轨滑块机构、第四滑轨滑块机构和第三伺服电机组成，所述第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑轨装在旋转平台的顶面上并位于旋转平台的两边，所述第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑块装在中间平台的底面上并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第一齿轮齿条机构设在中间平台的底面上并位于第一滑轨滑块机构的外侧，所述第三伺服电机装在旋转平台的底面上且其转轴穿过旋转平台设置的轴孔与第一齿轮齿条机构中的齿轮连接，所述第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑轨装在中间平台顶面的两边并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构十字形设置，所述第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑块装在径向调节平台底面的两边并与第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第二齿轮齿条机构设在中间平台顶面上并位于第二滑轨滑块机构的外侧，所述第二伺服电机装在径向调节平台顶面上并使其转轴穿过径向调节平台设置的轴孔与第二齿轮齿条机构中的齿轮连接。

进一步地，所述升降机构由链轮机构、径向调节平台、第一带座轴承、第四伺服电机、滚珠丝杠机构、第一导向杆、第二导向杆、上固定板和第二带座轴承组成，所述第一导向杆和第二导向杆的下端装在径向调节平台设置的导向杆孔中，所述第一带座轴承设在径向调节平台顶面中心的一侧，所述第四伺服电机装在径向调节平台顶面上并位于第一带座轴承的一边，所述滚珠丝杠机构中的丝杠下部装在第一带座轴承的轴承孔中并使丝杠的下端从轴承孔中伸出，所述上固定板装在第一导向杆和第二导向杆的上端，所述第二带座轴承设在上固定板上并与第一带座轴承相对应，所述滚珠丝杠机构中的丝杠上端装在第二带座轴承的轴承孔中，所述链轮机构的主动链轮装在第四伺服电机的转轴上并位于径向调节平台底面的下面，所述链轮机构的从动链轮与滚珠丝杠机构中的丝杠的下端连接并通过链条与主动链轮连接。

进一步地，所述角度调整机构由升降平台、第一支架、第一角度旋转轴、第三带座轴承、第四带座轴承、齿轮机构、第二角度旋转轴、第二支架、第五伺服电机和旋转支架组成，所述升降平台中心一侧设置的丝杆孔与滚珠丝杠机构中的螺母连接并使第一导向杆和第二导向杆位于升降平台一侧设置的导向孔中，所述第一支架和第二支架的下端与升降平台连接并位于第一导向杆和第二导向杆外侧，所述第三带座轴承和第四带座轴承分别装在第一支架和第二支架的上部，所述第一角度旋转轴和第二角度旋转轴分别装在第三带座轴承和第四带座轴承上且使第一角度旋转轴和第二角度旋转轴的一端与旋转支架两侧设置的轴孔连接，所述第五伺服电机设在升降平台顶面上并位于第二支架的下面，所述第五伺服电机的转轴与齿轮机构中的主动齿轮连接，所述第二角度旋转轴的另一端与齿轮机构中的从动齿轮连接。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置旋转机构、径向调节机构、升降机构和角度调整机构，可实现五个自由度的运动；通过改变扫描头的位置和角度，从而获得内螺纹的完整三维数据。解决了现有线激光传感器存在的单从一个角度无法获得完整的数据和扫描得到的数据拼接难度大的技术问题。因此，与背景技术相比，本发明具有内螺纹扫描无死角和扫描数据完整等优点。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中的A——A剖视图；

图4是图1中的B——B剖视图；

图5是图1中的C——C剖视图；

图6是图1中的D——D剖视图；

图7是图1中的E——E剖视图；

图8是图1中的F——F剖视图；

图9是图1中的G——G剖视图；

图10是图1中的H放大图；

图11是图1中的I放大图；

图12是本发明线激光传感器测量范围的示意图；

图13是本发明径向调节机构一个运动方向的示意图；

图14是本发明径向调节机构另一个运动方向的示意图；

图15是本发明角度调整机构的工作示意图；

图16是本发明的工作轴测图；

图中：101-基座，102-齿轮副，103-旋转轴，104-第一伺服电机，105-轴承压盖，106-推力球轴承，201-旋转平台，202-第一滑轨滑块机构，203-中间平台，204-第一齿轮齿条机构，205-第二齿轮齿条机构，206-第二伺服电机，207-第二滑轨滑块机构，208-第三滑轨滑块机构，209-第四滑轨滑块机构，210-第三伺服电机，301-链轮机构，302-径向调节平台，303-第一带座轴承，304-第四伺服电机，305-滚珠丝杠机构，306-第一导向杆，307-第二导向杆，308-上固定板，309-第二带座轴承，401-升降平台，402-第一支架，403-第一角度旋转轴，404-线激光传感器，405-第三带座轴承，406-第四带座轴承，407-齿轮机构，408-第二角度旋转轴，409第二支架，410-第五伺服电机，411-旋转支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1～图3所示，本实施例中的一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置，它由旋转机构、径向调节机构、升降机构、角度调整机构和线激光传感器组成；所述径向调节机构通过径向调节机构中的第一滑轨滑块机构202和第三滑轨滑块机构208与所述旋转机构中的旋转平台201连接并在旋转运动时保持同步，所述升降机构通过径向调节平台302与所述径向调节机构中的第二滑轨滑块机构207和第四滑轨滑块机构209相连接，所述角度调整机构通过升降平台401装在升降机构上，所述线激光传感器404装在角度调整机构的旋转支架411上。

如图1、图2、图3和11所示，所述旋转机构由基座101、齿轮副102、旋转轴103、第一伺服电机104、轴承压盖105、两个推力球轴承106和旋转平台201构成，所述两个推力球轴承106设在旋转轴103的下部，所述旋转轴103下端和两个推力球轴承106装在基座101顶面中心设置的轴承孔中，所述轴承压盖105与基座顶面连接并使两个推力球轴承106位于轴承压盖105内，所述第一伺服电机104装在基座顶面上并使第一伺服电机104的转轴穿过基座设置的轴孔，所述齿轮副102装在第一伺服电机104的转轴和旋转轴103的轴端上并位于基座底面的下面，所述旋转平台装在旋转轴的上端。

如图1、图2、图3、图6和11所示，所述径向调节机构由第一滑轨滑块机构202、中间平台203、第一齿轮齿条机构204、第二齿轮齿条机构205、第二伺服电机206、第二滑轨滑块机构207、第三滑轨滑块机构208、第四滑轨滑块机构209和第三伺服电机210组成，所述第一滑轨滑块机构202和第三滑轨滑块机构208中的滑轨装在旋转平台201的顶面上并位于旋转平台的两边，所述第一滑轨滑块机构202和第三滑轨滑块机构208中的滑块装在中间平台203的底面上并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第一齿轮齿条机构204设在中间平台203的底面上并位于第一滑轨滑块机构202的外侧，所述第三伺服电机210装在旋转平台201的底面上且其转轴穿过旋转平台设置的轴孔与第一齿轮齿条机构204中的齿轮连接，所述第二滑轨滑块机构207和第四滑轨滑块机构209中的滑轨装在中间平台203顶面的两边并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构十字形垂直设置，所述第二滑轨滑块机构207和第四滑轨滑块机构209中的滑块装在径向调节平台302底面上的两边并与第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第二齿轮齿条机构205设在中间平台203顶面上并位于第二滑轨滑块机构207的外侧，所述第二伺服电机206装在径向调节平台302顶面上并使其转轴穿过径向调节平台设置的轴孔与第二齿轮齿条机构205中的齿轮连接。通过第一滑轨滑块机构202和第三滑轨滑块机构208与中间平台203连接，通过第二滑轨滑块机构207和第四滑轨滑块机构209与径向调节平台302连接，使得径向调节平台302可相对旋转平台201有二自由度的平面运动，在本实施例中，两个移动方向垂直布置，方便最终的控制。

如图1、图2、图3、图4、图6和7所示，所述升降机构由链轮机构301、径向调节平台302、第一带座轴承303、第四伺服电机304、滚珠丝杠机构305、第一导向杆306、第二导向杆307、上固定板308和第二带座轴承309组成，所述第一导向杆306和第二导向杆307的下端装在径向调节平台302设置的导向杆孔中，所述第一带座轴承303设在径向调节平台302顶面中心的一侧，所述第四伺服电机304装在径向调节平台302顶面上并位于第一带座轴承303的一边，所述滚珠丝杠机构305中的丝杠下部装在第一带座轴承303的轴承孔中并使丝杠的下端从轴承孔中伸出，所述上固定板308装在第一导向杆306和第二导向杆307的上端，所述第二带座轴承309设在上固定板308上并与第一带座轴承303相对应，所述滚珠丝杠机构305中的丝杠上端装在第二带座轴承309的轴承孔中，所述链轮机构301的主动链轮装在第四伺服电机304的转轴上并位于径向调节平台302底面的下面，所述链轮机构301的从动链轮与滚珠丝杠机构305中的丝杠的下端连接并通过链条与主动链轮连接。

如图1、图2、图3、图5、图6和10所示，所述角度调整机构由升降平台401、第一支架402、第一角度旋转轴403、第三带座轴承405、第四带座轴承406、齿轮机构407、第二角度旋转轴408、第二支架409、第五伺服电机410和旋转支架411组成，所述升降平台401中心一侧设置的丝杆孔与滚珠丝杠机构305中的螺母连接并使第一导向杆306和第二导向杆307位于升降平台一侧设置的导向孔中，所述第一支架402和第二支架409的下端与升降平台401连接并位于第一导向杆306和第二导向杆307外侧，所述第三带座轴承405和第四带座轴承406分别装在第一支架402和第二支架409的上部，所述第一角度旋转轴403和第二角度旋转轴408分别装在第三带座轴承405和第四带座轴承406上且使第一角度旋转轴和第二角度旋转轴的一端与旋转支架411两侧设置的轴孔连接，所述第五伺服电机410设在升降平台401顶面上并位于第二支架408的下面，所述第五伺服电机410的转轴与齿轮机构中的主动齿轮连接，所述第二角度旋转轴408的另一端与齿轮机构中的从动齿轮连接。

图12为线激光传感器的测量范围示意图，被测物应在近视场与远视场所形成的的扇形区域。每帧的扫描结果包括Z-X方向的信息。Y方向为下一帧位置，△Y需自行设置。

图13为径向调节机构一个运动方向的示意图，被测物应在远视场与近视场范围之内，为测量不同直径的内螺纹，需要通过此方向的运动，使被测物处于测量范围之内。

图14为径向调节机构的另一个运动方向示意图，为使后续的图像拼接变得简单，在扫描过程中，Z-X所形成的面应始终经过内螺纹所在螺母的轴线。通过分析在不同位置所采集的数据，确定扫描扇面是否经过内螺纹轴向，并进行相应的调整。

图15为角度调整机构工作示意图，通过调整线激光传感器404的照射角度，从而获得螺纹的所有面的三维信息，尤其对传动螺纹，难以通过一次扫描获得螺牙两侧面三维数据。图15同时示意了升降平台的运动。通过自动调整升降平台，可以获得整个螺纹轴向整个长度的信息。通过变换不同角度和位置，可以得到每条螺纹的多组三维数据，以供之后通过旋转变换，拼接等技术，得到整个螺纹三维形貌。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于内螺纹线扫描式三维扫描装置，其特征在于：它由旋转机构、径向调节机构、升降机构、角度调整机构和线激光传感器组成；所述径向调节机构通过径向调节机构中的第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构与所述旋转机构中的旋转平台连接并在旋转运动时保持同步，所述升降机构通过径向调节平台与所述径向调节机构中的第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构相连接，所述角度调整机构通过升降平台装在升降机构上，所述线激光传感器装在角度调整机构的旋转支架上；

所述旋转机构由基座、齿轮副、旋转轴、第一伺服电机、轴承压盖、两个推力球轴承和旋转平台构成，所述两个推力球轴承设在旋转轴的下部，所述旋转轴下端和两个推力球轴承装在基座顶面中心设置的轴承孔中，所述轴承压盖与基座顶面连接并使两个推力球轴承位于轴承压盖内，所述第一伺服电机装在基座顶面上并使第一伺服电机的转轴穿过基座设置的轴孔，所述齿轮副装在第一伺服电机的转轴和旋转轴的轴端上并位于基座底面的下面，所述旋转平台装在旋转轴的上端；

所述径向调节机构由第一滑轨滑块机构、中间平台、第一齿轮齿条机构、第二齿轮齿条机构、第二伺服电机、第二滑轨滑块机构、第三滑轨滑块机构、第四滑轨滑块机构和第三伺服电机组成，所述第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑轨装在旋转平台的顶面上并位于旋转平台的两边，所述第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑块装在中间平台的底面上并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第一齿轮齿条机构设在中间平台的底面上并位于第一滑轨滑块机构的外侧，所述第三伺服电机装在旋转平台的底面上且其转轴穿过旋转平台设置的轴孔与第一齿轮齿条机构中的齿轮连接，所述第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑轨装在中间平台顶面的两边并与第一滑轨滑块机构和第三滑轨滑块机构十字形垂直设置，所述第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑块装在径向调节平台底面上的两边并与第二滑轨滑块机构和第四滑轨滑块机构中的滑轨连接，所述第二齿轮齿条机构设在中间平台顶面上并位于第二滑轨滑块机构的外侧，所述第二伺服电机装在径向调节平台顶面上并使其转轴穿过径向调节平台设置的轴孔与第二齿轮齿条机构中的齿轮连接；

所述升降机构由链轮机构、径向调节平台、第一带座轴承、第四伺服电机、滚珠丝杠机构、第一导向杆、第二导向杆、上固定板和第二带座轴承组成，所述第一导向杆和第二导向杆的下端装在径向调节平台设置的导向杆孔中，所述第一带座轴承设在径向调节平台顶面中心的一侧，所述第四伺服电机装在径向调节平台顶面上并位于第一带座轴承的一边，所述滚珠丝杠机构中的丝杠下部装在第一带座轴承的轴承孔中并使丝杠的下端从轴承孔中伸出，所述上固定板装在第一导向杆和第二导向杆的上端，所述第二带座轴承设在上固定板上并与第一带座轴承相对应，所述滚珠丝杠机构中的丝杠上端装在第二带座轴承的轴承孔中，所述链轮机构的主动链轮装在第四伺服电机的转轴上并位于径向调节平台底面的下面，所述链轮机构的从动链轮与滚珠丝杠机构中的丝杠的下端连接并通过链条与主动链轮连接；

所述角度调整机构由升降平台、第一支架、第一角度旋转轴、第三带座轴承、第四带座轴承、齿轮机构、第二角度旋转轴、第二支架、第五伺服电机和旋转支架组成，所述升降平台中心一侧设置的丝杆孔与滚珠丝杠机构中的螺母连接并使第一导向杆和第二导向杆位于升降平台一侧设置的导向孔中，所述第一支架和第二支架的下端与升降平台连接并位于第一导向杆和第二导向杆外侧，所述第三带座轴承和第四带座轴承分别装在第一支架和第二支架的上部，所述第一角度旋转轴和第二角度旋转轴分别装在第三带座轴承和第四带座轴承上且使第一角度旋转轴和第二角度旋转轴的一端与旋转支架两侧设置的轴孔连接，所述第五伺服电机设在升降平台顶面上并位于第二支架的下面，所述第五伺服电机的转轴与齿轮机构中的主动齿轮连接，所述第二角度旋转轴的另一端与齿轮机构中的从动齿轮连接。

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