CN112902847A - 一种3d视觉扫描检测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D视觉扫描检测装置的工作方法，包括检测台，检测台下方设有投影光源，检测台正上方架设与透明平台平行的投影屏，投影屏上方至少架设一组相机；检测台上设置多轴运动平台，多轴运动平台的移动端固定有测头模块；测头模块上安装有结构光模块，结构光模块能向周向发射激光束并投影至投影屏；侧头模块包括相对于多轴运动平台固定的固定部件及相对于多轴固定平台移动的活动部件，所述活动部件设有接触被测物件的测球。本检测装置不依赖多轴运动平台和测头精度，并能够通过提高投影屏的高度来降低整机的制造精度要求，大大降低成本，测头的触发信号延迟对测量结果不会产生影响，稳定性高。

Description

一种3D视觉扫描检测装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种3D视觉扫描检测装置的工作方法。

背景技术

目前零件的自动化检测方法多种多样，但每种检测方法都有许多局限性，以至于检测一个零件须要多道检测工序，采用不同的检测仪器才能完成，具体如下：

单目视觉和双目视觉检测效率很高，但零件本身的材质和表面特征（是否光滑、是否曲面、反光程度、表面纹理等）对检测结果的精度影响很大，不同材质和表面特征的零件须要使用不同种类和不同结构的光源、打光的角度和方向也不同，光源的通用性能很差；目前为止，单目视觉只有可以使用背光投影方式检测的零件尺寸参数具有实用价值。双目视觉精度不高，只能应用在精度要求不高的场合，而且精度严重依赖表面纹理， 表面纹理越复杂精度越高；另外环境光对单目视觉和双目视觉的检测结果影响很大；

结构光扫描受结构光分辨率的影响，目前对零件Z向高度的精度可以很高，但对水平X向和Y向的精度不高，并且同样受环境光的影响。

三坐标测量X、Y、Z三个方向的精度都可以做得很高，但效率很低，测量精度依赖X、Y、Z多轴运动平台、测头和算法的精度，因此对X、Y、Z多轴运动平台和测头精度要求很高，制造成本和难度都较高；使用三坐标进行连续轮廓扫描，需要使用连续轮廓扫描测头，连续轮廓扫描测头需要对测球的方位变化进行复杂的检测，并利用复杂的算法才能得到零件实际的轮廓，造价昂贵。

相机聚焦测量、激光干涉测量、激光飞行测量、光谱聚集测量、电磁感应测量、电蜗流测量等方式都存在可测量参数单一，检测效率低的问题。

本公司已申请的专利号为CN201911093480.X的技术方案，虽然实现了检测精度与运动平台精度无关的目的，但采用的是双目视觉的技术方案，受镜头景深和视野限制，仍然存在适应范围窄，精度不够高的缺陷。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是目前零件的自动化检测方法多种多样，但每种检测方法都有许多局限性，以至于检测一个零件须要多道检测工序，采用不同的检测仪器才能完成，另外高精度三坐标测量机核心部件依赖进口，价格高昂。

本发明的具体实施方案是：一种3D视觉扫描检测装置，包括一检测台，所述检测台上下贯穿开设有透视孔，检测台下方正对透视孔架设有投影光源，所述透视孔正上方检测台上表面设有透明平台，一标定标准块固定于透明平台上表面，所述检测台正上方架设与透明平台平行的投影屏，所述透明平台正上方与投影屏之间设置一放大镜组，所述投影屏上方至少架设一组用于获取投影屏投影内容的相机；

所述透明平台旁侧的检测台上设有旋转电机；

所述检测台上设置多轴运动平台，所述多轴运动平台的移动端固定有接触被测物件的测头模块；所述测头模块上安装有反馈侧头模块移动坐标的结构光模块，所述测头模块及结构光模块位于投影屏下方，结构光模块内置周向发射的激光束并投影至投影屏。

所述侧头模块包括相对于多轴运动平台固定的固定部件及相对于多轴运动平台移动的活动部件，所述活动部件设有接触被测物件的测球。

进一步的，所述固定部件包括壳体、环形底座、环形触发控制线路板、环形超程控制线路板、环形超程控制盖、测头上盖；

所述壳体的外壁固连在多轴运动平台移动端上；

壳体的内壁底部设有凸台、所述环形底座套设于凸台上，所述环形底座内环向上凸出设置间隔凸台，所述间隔凸台外径小于环形底座外径形成高台面及低台面，所述间隔凸台台面上设有定位销，环形底座周向呈放射状均布三个半圆柱槽，所述半圆柱槽贯穿间隔凸台在低台面上形成，所述半圆柱槽径向两侧的低台面上各嵌设一触发钢球，所述两触发钢球球面最近距离小于直径；

所述低台面上固设环形触发控制线路板，所述环形触发控制线路板线路将位于半圆柱槽非同侧的相邻钢球电联，所述环形底座材料为非导电材料；

环形超程控制盖底面具有镜像环形底座半圆柱槽及触发钢球位置的半圆柱槽和超程触球，所述环形超程控制线路板固设于环形超程控制盖底面；

所述环形超程控制盖内环上部套设环形测力上永磁铁，所述环形超程控制盖上与定位销对应开有定位销孔，所述定位销孔穿过间隔凸台上固定的定位销使环形超程控制盖架设于间隔凸台之上；

所述环形超程控制线路板线路将相对于半圆柱槽同侧的触发钢球电性联接，所述环形超程控制盖材料为非导电材料；所述环形测头上盖架设于环形超程控制盖上。

进一步的，所述活动部件包括三叉体结构轴、三叉圆柱、测力下永磁铁、三叉本体、测针安装部、测杆、测球；

所述三叉本体为一圆柱体，三叉圆柱沿三叉本体的周向均布，所述三叉圆柱架设于环形底座的半圆柱槽两侧的钢球之间；所述三叉体结构轴轴向贯穿三叉本体，所述测力下永磁铁套设于三叉体结构轴外部并与三叉本体上端面固连；

所述测力下永磁铁与环形测力上永磁铁相对面互斥；

三叉体结构轴上端伸出测头上盖，三叉体结构轴末端固定有侧杆，测杆下端伸出壳体底部，所述测球固定于测杆下端。

进一步的，所述三叉体结构轴上端面固设结构光模块吸附磁铁；所述三叉体结构轴末端固设有测针安装部，所述测针安装部末端设有螺孔，所述测针头部螺牙安装于螺孔内。

进一步的，所述结构光模块包括可向周侧呈放射状均布3条以上激光束的结构光本体，所述结构光本体上方依次安装测头间隔环、第一环状反射镜组、反射镜间隔环、第二环状反射镜组、壳体上盖；所述第一环状反射镜组与第二环状反射镜组水平方向平行；所述第一环状反射镜组、第二环状反射镜组中设置于内壁的第一反射镜片和第二反射镜片数量与激光束数量相同且与激光束对应周向均布；所述第一反射镜片和对应第二反射镜片呈上下镜像关系；所述激光束经第一反射镜片后相互平行指向第二反射镜片；所述激光束经第二反射镜片后向上相交；所述激光束相交后呈放射状指向投影屏；所述第一环状反射镜组、反射镜隔断环、第二环状反射镜组经反射镜定位销周向定位。

进一步的，所述结构光本体下部固设结构光安装部，所述结构光安装部底部开设结构光安装孔，所述结构光安装孔底部固设有永磁铁，所述结构光模块经测头模块的结构光模块吸附磁铁和结构光安装孔底部的永磁铁磁吸连接。

进一步的，所述透明平台背面嵌设有位于标定标准块下方的永磁铁，标定标准块为导磁材料，所述标定标准块被永磁铁吸附于透明平台上表面，所述标定标准块呈圆柱状且一侧开设有贯穿的锐角缺槽，所述永磁铁边缘位于标定标准块外轮廓内部。

进一步的，3D视觉扫描检测装置还包括检测平面参数标定模块；所述检测平面参数标定模块包括端面平行圆柱、大张角结构光；所述端面平行圆柱下端面放置在检测平面，上端面放置大张角结构光；所述大张角结构光光束为大张角三棱锥状，所述大张角结构光光束指向投影屏。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.目前高精度三坐标测量机多轴运动平台必需采用高精度汽浮导轨和高精度测头，价格昂贵，动辄几十万，而本方案由于测量精度并不依赖多轴运动平台和测头精度，只须采用普通多轴运动平台和普通测头，所增加的相机、结构光、投影屏和反射镜也无特殊要求，因此成本可大幅降低。

2. 由于测头和结构光组合结构存在杠杆效应，很容易实现高精度测量；通过调整投影屏的高度，即可调整测量精度，在测量精度满足要求的情况下，甚至可以通过提高投影屏的高度来降低整机的制造精度要求，进一步降低各项成本。

3.结构光模块采用两组反射镜组镜像设置，改变结构光束的传播路径，有效避免检测零件较低位置时零件本身对投影结构光束的遮挡；通过调整第一环状反射镜组和第二环状反射镜组的上下距离、投影屏高度，可以适应不同零件Z向测量范围。

4.投影结构光束向上呈放射状设置，可以精确检测测球在XYZ三个方向的位置变化。

5. 采用高速相机，即可实现高速扫描测量，大幅度提高测量效率。在点测量时，由于不需要依赖测头的触发信号，只须运动平台接收到触发信号停止运动后拍摄图像即可，测头的触发信号延迟对测量结果不会产生影响，因此也可进行高速测量。

6.由于测量精度并不依赖多轴运动平台和测头精度，结构光、投影屏和反射镜也是稳定的材料制造，因此系统无须各种复杂的补偿校准算法就可实现系统的高稳定性测量性能。

7.投影平面与检测平面的相互关系采用简便的标定方法，使投影屏与检测平面只需保证平面度，无须保证平行度，只要大致平行即可，降低系统的装配要求。

8. 系统标定方法和测量计算方法都可以采用现有成熟的方法，算法稳定、实现容易，操作简单。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是投影屏呈现实施例结构光投影分布示意图。

图3是结构光模块拆分结构示意图。

图4是结构光的投影算法示意图。

图5是扫描测头拆解视图一。

图6是扫描测头拆解视图二。

图7 是测球标定示意图。

图8是检测平面标定示意图。

主要标号说明：

检测台100；投影屏1；相机2；标定标准块投影6；测球投影7；标定标准块10； 透明平台11；投影光源12；放大镜组16；

扫描测头模块3；环形测头上盖36；环形超程控制盖37；定位销孔38；半圆柱槽39；超程触球40；环形测力上永磁铁41；环形超程控制线路板42；结构光源吸附磁铁43；三叉体结构轴44；三叉圆柱45；测力下永磁铁46；三叉本体47；测针安装部48；测杆49；测球50；环形触发控制线路板51；环形底座52；间隔凸台53；触发钢球54；半圆柱槽55；定位销56；测头壳体57；测头壳体凸台58；

结构光本体13；结构光束131；第一环状反射镜组132；第二环状反射镜组133；壳体上盖134；反射镜间隔环135；测头间隔环136；结构光安装部137；结构光安孔138；第一反射镜定位销孔139；反射镜定位销140；反射镜隔断定位销孔141；第一反射镜片142；第二反射镜片143；

端面平行圆柱14；大张角结构光15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～8所示，包括有一检测台100，所述检测台上下贯穿开设有透视孔，检测台下方正对透视孔架设有投影光源12，所述透视孔正上方检测台上表面设有透明平台11，所述透明平台背面嵌设有永磁铁，一标定标准块10磁吸于透明平台上面，所述标定标准块上下贯穿开设锐角；所述透明平台一侧检测台上设有旋转电机8，所述旋转电机主轴上安装测杆49，所述测杆末端测球50悬架于透明平台上方；所述检测台正上方架设投影屏，所述透明平台和投影屏相互平行；所述透明平台正上方与投影屏之间设置一放大镜组16；所述投影屏上方至少架设一组相机2；所述检测台上设置多轴运动平台，测头模块3固设于多轴运动平台的执行端；所述测头模块上安装有结构光模块，所述测头模块位于投影屏下方。

投影光源、透明平台、放大镜组、投影屏和相机组成背光投影测量系统，用于对测球实际半径的标定以及投影标定标准块；将测球或标定标准块投影放大后再投射到投影屏上；投影光源采用激光平行光管，以提高投影精度。

所述透明平台下表面面嵌设有位于标定标准块下方的永磁铁，标定标准块为导磁材料，所述标定标准块被永磁铁吸附于透明平台上表面，所述标定标准块呈圆柱状且一侧开设有贯穿的锐角缺槽，所述永磁铁边缘位于标定标准块外轮廓内部，不会对投影造成影响；因此，在不使用夹具的情况下可使扇形标定标准块与透明平台紧密贴合。

所述旋转电机采用高精度电机，以保证足够高回转轴同心度，主轴上安装测杆，所述测杆末端固设有测球，所述测球悬架于透明平台上方。

如图5、6所示，所述测头包括相对于运动平台的活动部件和固定部件，所述固定部件包括壳体57、环形底座52、环形触发控制线路板51、环形超程控制线路板42、环形超程控制盖37、测头上盖36；所述壳体壳体外壁固连在Z轴上，内壁底部设有凸台58、所述环形底座套设于凸台上，所述环形底座内环向上凸出设置间隔凸台53，所述间隔凸台外径小于环形底座外径形成高低台面，所述间隔凸台台面上设有定位销56，环形底座周向呈放射状均布三个半圆柱槽55 ，所述半圆柱槽贯穿间隔凸台在低台面上形成，所述半圆柱槽径向两侧的低台面上各嵌设一触发钢球54，所述两触发钢球球面最近点距离小于半圆柱槽直径；所述低台面上固设环形触发控制线路板51，所述环形触发控制线路板线路将位于半圆柱槽非同侧的相邻钢球电联，所述环形底座材料为非导电材料；所述环形超程控制盖内环上部套设环形测力上永磁铁41，所述环形超程控制盖上与定位销对应开有定位销孔38，所述定位销孔穿过间隔凸台定位销使环形超程控制盖架设于间隔凸台之上；

环形超程控制盖底面具有镜像环形底座半圆柱槽及触发钢球位置的半圆柱槽39和超程触球40，所述环形超程控制线路板固设于环形超程控制盖底面，所述环形超程控制线路板线路将相对于半圆柱槽同侧的钢球电性联接，所述环形超程控制盖材料为非导电材料；所述环形测头上盖36架设于环形超程控制盖之上。

所述活动部件包括结构光模块吸附磁铁43、三叉体结构轴44、三叉圆柱45、测力下永磁铁46、三叉本体47、测针安装部48、测杆49、测球50；所述 三叉本体为一扁圆柱体，三叉圆柱沿周向均布，所述三叉圆柱分别架设于环形底座的半圆柱槽两侧的钢球之间；所述三叉体结构轴轴向贯穿三叉本体，所述测力下永磁铁套设于三叉体结构轴并与三叉本体上端面固连；所述三叉体结构轴上端面粘连结构光模块吸附磁铁，所述结构光源支座为导磁材料，结构光源支座安装孔与三叉体结构轴上部配合，所述结构光源支座上端面固设结构光源；所述三叉体结构轴末端固设有测针安装部，所述测针安装部末端设有螺孔，所述测针头部螺牙安装于螺孔内，所述测针末端固设有测球。

所述测力下永磁铁与环形测力上永磁铁相对面互斥。

三叉体结构轴上端伸出测头上盖，三叉体结构轴末端固定有侧杆，测杆下端伸出壳体底部，所述测球固定于测杆下端。

工作时，触发钢球和相应的连接电路，在测球触碰工件时，三叉圆柱任一圆柱离开触发钢球，电路断开，都可产生触发信号，可利用此信号，作为点测量的运动平台停止信号，也可作为扫描测量时相机开始连续采集信号；

测头设有超程触球及相应的连接电路，在出现意外测球超过预定允许行程时，三叉圆柱任一圆柱触碰超程触球，接通三路中的一路，也会产生触发信号，系统利用此信号停止运动平台的运动以确保安全。

如图8所示，2、3所示，所述结构光模块包括可向周侧呈放射状均布3条以上激光束的结构光本体13，所述结构光本体上方依次安装测头间隔环136、第一环状反射镜组132、反射镜间隔环135、第二环状反射镜组133、壳体上盖134；所述第一环状反射镜组与第二环状反射镜组水平方向平行；所述第一环状反射镜组、第二环状反射镜组中设置于内壁的第一反射镜片142和第二反射镜片143数量与激光束数量相同且与激光束对应周向均布；所述第一反射镜片和对应第二反射镜片呈上下镜像关系；所述激光束经第一反射镜片后相互平行指向第二反射镜片；所述激光束经第二反射镜片后向上相交；所述激光束相交后呈放射状指向投影屏；所述第一环状反射镜组、反射镜间隔环、第二环状反射镜组经反射镜定位销140周向定位。

本实施例中，所述壳体上盖与壳体固连。

所述结构光本体下部固设结构光安装部137，所述结构光安装部底部开设结构光安装孔138，所述结构光安装孔底部固设有永磁铁。

所述结构光模块经测头模块的结构光模块吸附磁铁和结构光安装孔底部的永磁铁磁吸连接。

结构光源与测头活动部件采用磁性吸附及轴孔配合的方式连接，结构简单可靠；

结构光模块采用两组反射镜组镜像设置，第一反射镜片的角度设置使激光束反射后相互平行指向第二反射镜片，可以将结构光的张角准确传递给激光束经第二反射镜片反射后相交的张角；通过改变结构光束的传播路径，有效拉高结构光模块上部投影结构光速的高度，有效避免检测零件较低部位时零件本身对投影结构光束的遮挡；通过调整第一环状反射镜组和第二环状反射镜组的上下距离、投影屏高度，可以适应不同零件Z向测量范围。

投影结构光束向上呈放射状设置，可以精确检测测球在XYZ三个方向的位置变化。

本文中所阐述的XYZ方向为三维坐标系，XY指的是XY两个方向所在平面坐标系。

如图2所示，本实施例结构光束采用8束激光束，当结构光与投影屏垂直正对时投影图像形成一个由8个点组成的正8边形，使测球在测量范围内任意位置运动，投影图像始终至少能产生3个投影点，满足检测算法要求的同时不必增加投影屏尺寸，对大尺寸零件的测量非常有利。

本实施例结构光垂直正对投影屏时经反射镜反射后与投影屏的夹角45度，对检测测球触碰工件时在XYZ三个方向的位置变化灵敏度达到最好的平衡，若对某个方向的测量精度没有要求，也可以改变结构光张角，以提高有方向测量精度要求的方向的精度。

本方案充分发挥激光准、直、低扩散的特性，结构光投影后相机可得到清析的结构光图像；测头触碰工件时，以触发钢球为支点，测球在XYZ方向的变化与投影图像位置的变化形成杠杆效应，由于测球到触发钢球的距离远远小于触发钢球到投影屏的距离，可以得到一个很大的杠杆比，大幅放大投影图像的位置变化量，通过提高投影屏的高度，可得到更高的杠杆比，因此很容易得到高精度的测量结果；

经投影后的图像在一平面上，使用普通相机和定焦镜头即可实现高精度测量；当须要实现大幅面测量时，只需要增加相机镜头数量、运动平台行程和投影屏尺寸；通过增加相机镜头数量组成相机阵列和加大运动平台行程，可以很容易实现超大尺寸零件的测量；

本实施例中，相机可以采用高速相机，即可实现高速扫描测量。

如图8所示，所述检测平面参数标定模块包括端面平行圆柱14、大张角结构光15；所述端面平行圆柱下端面放置在检测平面，上端面放置大张角结构光；所述大张角结构光光束为大张角三棱锥状，所述大张角结构光光束指向投影屏。

采用检测平面参数标定模块可以避免购买昂贵的测量仪器，由于检测平面参数标定时可以在检测台面中间位置进行，因此可以投射大尺寸的结构光图像，采用大张角结构光以提高测量坐标精度，利用端面平行圆柱，价格便宜，计算简便；端面平行圆柱也可换成标准量块，以节省端面平行圆柱的加工费用；如精度要求特别高，也可用激光干涉仪等高精度测长仪器标定检测平面和透明平台平面在相机坐标系的平面参数。

利用上述装置，实现一种3D视觉扫描检测工作方法，按以下步骤进行：

步骤S1： 相机模型标定：以投影屏为基准平面，对相机进行标定，建立相机镜头投影模型参数；

步骤S2：如图1所示，标定测球实际半径：将测针安装于旋转电机轴上，旋转电机旋转一周的同时，相机以一定时间间隔拍摄测球经投影光源投影在投影屏上的一组图像，处理后得到一系列测球圆形轮廓，将圆形轮廓进行拟合圆，得到一系列圆心坐标，将各圆形轮廓以对应圆心坐标为中心平移，使圆形轮廓圆心重合，之后在每个圆形轮廓以一定间隔取三维坐标点，将得到的一系列三维坐标点进行拟合圆，得到测球的实际半径；

步骤S3：如图8所示，用检测平面参数标定模块标定检测平面参数：已知：大张角结构光三棱锥相邻侧棱的夹角、大张角结构光三棱锥顶点P1到大张角结构光底面的距离d1、以及端面平行圆柱两端面的距离d2出厂时已精确标定；将端面平行圆柱放置在检测平面，将大张角结构光放置在所述端面平行圆柱的上端面上，用相机拍摄结构光的投影三角形ABC的图像，处理后计算出投影三角形ABC三个顶点坐标A[X，Y]、B[X，Y]、C[X，Y]和三条边长，三个顶点Z坐标为0；因此可以计算出大张角结构光三棱锥顶点P1点坐标P1[X，Y，Z]， P1到检测平面上的投影点P3的距离为d3=d1+ d2，由此可得到一组检测平面上1点的坐标P1[X，Y，Z]及该点到检测平面的距离d3；重复上述步骤2次，总共可得到三组检测平面上的坐标点P1[X，Y，Z]、Q1[X，Y，Z] 、Q2[X，Y，Z]及在检测平面的投影距离d3；根据平面外一点到平面的距离公式及平面方程，列方程组即可计算出检测平面在相机坐标系的平面参数；

步骤S4：如图2、3、4、5、6、7所示，标定测球球心与结构光束相对位置关系：已知：各结构光束的初始发散角；将扇形标定标准块投影到投影屏，并拍摄一张图像，处理后得到标准块标准角度轮廓，以测球实际半径画圆，使圆与两条标准角度轮廓相切，得到测球球心XY坐标，依据检测平面的平面参数、测球实际半径可以计算出测球心的三维坐标点Q[X，Y，Z]；驱动多轴运动平台使测球同时与标定标准块的锐角面和透明平台接触，拍摄此时结构光束在投影屏上的投影图像，选择相邻三个结构光束投影点，计算其重心的XY坐标点，Z坐标为0，得到坐标A[X,Y,0], B[X,Y,0]、 C[X,Y,0]，在三棱锥P-ABC中，相邻侧棱的夹角可以由各结构光束的初始发散角得出，因此可以计算出3条侧棱PA、PB、PC的长度；在三棱锥P-ABC中，已计算出A、B、C三点坐标和三条侧棱长度，相邻侧面三角形皆有公共侧棱，由此依据三维空间点到点的计算公式列方程可计算出顶点P的三维坐标P [X,Y,Z];激光束KG的延长线与投影平面相交于L点，连接P、L点，在△APL中，AL与投影平面共面，侧棱AP长度和两端点坐标已知，根据直线与平面的夹角公式，可计算出∠PAL角度，即可计算出△APL各边的长度，再由L点的Z 坐标为0，根据点到点的计算公式列方程组计算出△APL各顶点的三维坐标;侧棱AP的延长线与KL相交于M点, 在△PLM中，∠MPL=∠ALP+∠LAP, 因此可以计算出△PLM中PM和LM的长度，AM=AP+PM,由LM、AM、PM的长度和A、P、L3点的三维坐标，根据三维空间点到点的计算公式即可列方程组计算出M点的三维坐标； M即为三棱锥P-MRS中与侧棱PM对应的底面顶点的三维坐标；重复上述步骤，可以分别计算出三棱锥P-MRS中另外2个与另外2条侧棱PR、PS对应的顶点R、S的三维坐标，由三点决定一个平面计算出三棱锥P-MRS的底面MRS 的平面参数；由三棱锥P-MRS与三棱锥K-MRS为镜像关系，三棱锥P-MRS的底面即为镜像平面，即可计算出结构光束发射点K的XYZ坐标；

已知测球心的三维坐标点Q[X，Y，Z]、三棱锥K-MRS的顶点K[X，Y，Z]和底面顶点三维坐标M [X，Y，Z]、R[X，Y，Z]、S[X,Y,Z]，即可由点到平面的计算公式计算出测球心到三棱锥K-MRS的三个侧面的距离d1、d2、d3；

步骤S5：计算多轴运动平台坐标系与相机坐标系的坐标转换参数：驱动多轴运动平台的XYZ轴分别定位到不成一条直线的三个位置点，采集运动平台三个位置点的XYZ轴坐标，相机在三个位置点分别拍摄结构光束在投影屏上的投影图像，参照步骤S5处理后可得到与运动平台三个位置点的XYZ轴坐标对应的相机XYZ坐标；计算出相机XYZ坐标系与运动平台XYZ轴坐标系的平移旋转转换参数；

步骤S6：工作方式：将工件放置在检测平台，运动平台驱动测头使测球接触工件的检测位置，相机拍摄当前构光束在投影屏上的投影，用步骤S5的方法计算出三棱锥K-MRS3个侧面的平面参数，由于测球心到三棱锥K-MRS的三个侧面的距离d1、d2、d3已标定，即可由点到平面的距离计算公式列方程组计算出测球球心Q的三维坐标；如要扫描零件某个面的多个坐标点，可使测球在该面上移动的同时，高速相机连续拍摄结构光束的投影图像，计算后即可得到一系列该测量面上的坐标点；也可以将零件的3D模型输入系统，设置好检测参数，先检测出零件与3D模型的匹配点后将3D模型与零件匹配点进行匹配，将3D模型坐标转换到运动平台坐标后，运动平台即可依据转换后的坐标自动完成检测过程。

本实施例为叙述方便，将多轴运动平台设置于检测平台之上，亦可将多轴运动平台设置于检测平台之外，不与检测平台形成连接关系，以避免运动平台运动时对检测平台、投影屏和相机的影响；同理，投影屏和相机为固定部件，独立设置不与检测平台和运动平台形成连接关系亦可提高系统稳定性。

本实施例在大尺寸零件测量时，投影屏的尺寸会变得很大，此种情况下，运动平台的X轴可以采用高精度运动轴，其它轴采用低精度运动轴， X轴独立安装，将检测平台安装于X轴上随X轴一起运动，测量时同时采集高精度运动轴的X坐标与测球的X坐标做加减运算，即可达到大幅减小投影屏的X方向尺寸目的；也可以XY轴同时采用高精度运动轴，XY轴独立安装，将检测平台安装于Y轴上随XY轴一起运动，测量时同时采集XY轴的坐标与测球的XY坐标做加减运算，则只须非常小的投影屏的尺寸即可。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接( 例如使用螺栓螺母连接、过盈配合或胶粘)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于，包括一检测台，所述检测台上下贯穿开设有透视孔，检测台下方正对透视孔架设有投影光源，所述透视孔正上方检测台上表面设有透明平台，一标定标准块固定于透明平台上表面，所述检测台正上方架设与透明平台平行的投影屏，所述透明平台正上方与投影屏之间设置一放大镜组，所述投影屏上方至少架设一组用于获取投影屏投影内容的相机；

所述透明平台旁侧的检测台上设有旋转电机；

所述检测台上设置多轴运动平台，所述多轴运动平台的操作端固定有接触被测物件的测头模块；所述测头模块上安装有反馈侧头模块移动坐标的结构光模块，所述测头模块及结构光模块位于投影屏下方，结构光模块内置周向发射的激光束并投影至投影屏；

所述侧头模块包括相对于多轴运动平台固定的固定部件及相对于多轴固定平台移动的活动部件，所述活动部件设有接触被测物件的测球。

2.根据权利要求1所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于，所述固定部件包括壳体、环形底座、环形触发控制线路板、环形超程控制线路板、环形超程控制盖、测头上盖；

所述壳体的外壁固连在多轴运动平台的操作端；

壳体的内壁底部设有凸台、所述环形底座套设于凸台上，所述环形底座内环向上凸出设置间隔凸台，所述间隔凸台外径小于环形底座外径形成高台面及低台面，所述间隔凸台台面上设有定位销，环形底座周向呈放射状均布三个半圆柱槽，所述半圆柱槽贯穿间隔凸台在低台面上形成半圆柱，所述半圆柱槽径向两侧的低台面上各嵌设一触发钢球，所述两触发钢球球面最近点距离小于触发钢球直径；

所述低台面上固设环形触发控制线路板，所述环形触发控制线路板线路将位于半圆柱槽非同侧的相邻钢球电联，所述环形底座材料为非导电材料；

环形超程控制盖底面具有镜像环形底座半圆柱槽及触发钢球位置的半圆柱槽和超程触球，所述环形超程控制线路板固设于环形超程控制盖底面；

所述环形超程控制盖内环上部套设环形测力上永磁铁，所述环形超程控制盖上与定位销对应开有定位销孔，所述定位销孔穿过间隔凸台上固定的定位销使环形超程控制盖架设于间隔凸台之上；

所述环形超程控制线路板线路将相对于半圆柱槽同侧的触发钢球电联，所述环形超程控制盖材料为非导电材料；所述环形测头上盖架设于环形超程控制盖上。

3.根据权利要求2所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于，所述活动部件包括三叉体结构轴、三叉圆柱、测力下永磁铁、三叉本体、测针安装部、测杆、测球；

所述三叉本体为一圆柱体，三叉圆柱沿三叉本体的周向均布，所述三叉圆柱分别架设于环形底座的半圆柱槽两侧的钢球之间；所述三叉体结构轴轴向贯穿三叉本体，所述测力下永磁铁套设于三叉体结构轴外部并与三叉本体上端面固连；

所述测力下永磁铁与环形测力上永磁铁相对面互斥；

所述三叉体结构轴上端伸出测头上盖，三叉体结构轴末端固定有侧杆，测杆下端伸出壳体底部，所述测球固定于测杆下端。

4.根据权利要求3所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于：所述三叉体结构轴上端面固设结构光模块吸附磁铁；所述三叉体结构轴末端固设有测针安装部，所述测针安装部末端设有螺孔，所述测针头部螺牙安装于螺孔内。

5.根据权利要求4所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于：所述结构光模块包括可向周侧呈放射状均布3条以上激光束的结构光本体，所述结构光本体上方依次安装测头间隔环、第一环状反射镜组、反射镜间隔环、第二环状反射镜组、壳体上盖；所述第一环状反射镜组与第二环状反射镜组水平方向平行；所述第一环状反射镜组、第二环状反射镜组中设置于内壁的第一反射镜片和第二反射镜片数量与激光束数量相同且与激光束对应周向均布；所述第一反射镜片和对应第二反射镜片呈上下镜像关系；所述激光束经第一反射镜片后相互平行指向第二反射镜片；所述激光束经第二反射镜片后向上相交；所述激光束相交后呈放射状指向投影屏；所述第一环状反射镜组、反射镜隔断环、第二环状反射镜组经反射镜定位销周向定位。

6.根据权利要求5所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于：所述结构光本体下部固设有结构光安装部，所述结构光安装部底部开设结构光安装孔，所述结构光安装孔底部固设有永磁铁，所述结构光模块经结构光模块吸附磁铁和结构光安装孔底部的永磁铁磁吸连接。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于：所述透明平台背面嵌设有位于标定标准块下方的永磁铁，标定标准块为导磁材料，所述标定标准块被永磁铁吸附于透明平台上表面，所述标定标准块呈圆柱状且一侧开设有贯穿的锐角缺槽，所述永磁铁边缘位于标定标准块外轮廓内部。

8.根据权利要求1所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于：3D视觉扫描检测装置还包括检测平面参数标定模块；所述检测平面参数标定模块包括端面平行圆柱、大张角结构光；所述端面平行圆柱下端面放置在检测平面，上端面放置大张角结构光；所述大张角结构光光束为大张角三棱锥状，所述大张角结构光光束指向投影屏。

9.一种3D视觉扫描检测装置的工作方法，利用如权利要求8所述的一种3D视觉扫描检测装置，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤S1： 相机模型标定：以投影屏为基准平面，对相机进行标定，建立相机镜头投影模型参数；

步骤S2：标定测球实际半径：将测针安装于旋转电机轴上，旋转电机旋转一周的同时，相机以一定时间间隔拍摄测球经投影光源投影在投影屏上的一组图像，处理后得到一系列测球圆形轮廓，将圆形轮廓进行拟合圆，得到一系列圆心坐标，将各圆形轮廓以对应圆心坐标为中心平移，使圆形轮廓圆心重合，之后在每个圆形轮廓以一定间隔取XY坐标点，将得到的一系列三维坐标点进行拟合圆，得到测球的实际半径；

步骤S3：先用检测平面参数标定模块标定检测平面参数：已知：大张角结构光三棱锥相邻侧棱的夹角、大张角结构光三棱锥顶点P1到大张角结构光底面的距离d1、以及端面平行圆柱两端面的距离d2出厂时已精确标定；将端面平行圆柱放置在检测平面，将大张角结构光放置在所述端面平行圆柱的上端面上，用相机拍摄结构光的投影三角形ABC的图像，处理后计算出投影三角形ABC三个顶点坐标A[X，Y]、B[X，Y]、C[X，Y]和三条边长，三个顶点Z坐标为0；因此可以计算出大张角结构光三棱锥顶点P1点坐标P1[X，Y，Z]， P1到检测平面上的投影点P3的距离为d3=d1+ d2，由此可得到一组检测平面上1点的坐标P1[X，Y，Z]及该点到检测平面的距离d3；重复上述步骤2次，总共可得到三组检测平面上的坐标点P1[X，Y，Z]、Q1[X，Y，Z] 、Q2[X，Y，Z]及在检测平面的投影距离d3；根据平面外一点到平面的距离公式及平面方程，列方程组即可计算出检测平面在相机坐标系的平面参数；

步骤S4：标定测球球心与结构光束相对位置关系：已知：各结构光束的初始发散角、第一反射镜片与第二反射镜片夹角出厂时已经精确校准；将扇形标定标准块投影到投影屏，并拍摄一张图像，处理后得到标准块标准角度轮廓，以测球实际半径画圆，使圆与两条标准角度轮廓相切，得到测球球心XY坐标，依据透明平台的平面参数、测球实际半径可以计算出测球心的三维坐标点Q[X，Y，Z]；驱动多轴运动平台使测球同时与标定标准块的锐角面和透明平台接触，拍摄此时结构光束在投影屏上的投影图像，选择相邻三个结构光束投影点，计算其拟合椭圆圆心的XY坐标点，Z坐标为0，得到坐标A[X,Y,0], B[X,Y,0]、C[X,Y,0]，在三棱锥P-ABC中，相邻侧棱的夹角可以由各结构光束的初始发散角得出，因此可以计算出3条侧棱PA、PB、PC的长度；在三棱锥P-ABC中，已计算出A、B、C三点坐标和三条侧棱长度，相邻侧面三角形皆有公共侧棱，由此依据三维空间点到点的计算公式列方程可计算出顶点P的三维坐标P [X,Y,Z];激光束KG的延长线与投影平面相交于L点，连接P、L点，在△APL中，AL与投影平面共面，侧棱AP长度和两端点坐标已知，根据直线与平面的夹角公式，可计算出∠PAL角度，即可计算出△APL各边的长度，再由L点的Z 坐标为0，根据点到点的计算公式列方程组计算出△APL各顶点的三维坐标;侧棱AP的延长线与KL相交于M点, 在△PLM中，∠MPL=∠ALP+∠LAP, 因此可以计算出△PLM中PM和LM的长度，AM=AP+PM,由LM、AM、PM的长度和A、P、L3点的三维坐标，根据三维空间点到点的计算公式即可列方程组计算出M点的三维坐标；M即为三棱锥P-MRS中与侧棱PM对应的底面顶点的三维坐标；重复上述步骤，可以分别计算出三棱锥P-MRS中另外2个与另外2条侧棱PR、PS对应的顶点R、S的三维坐标，由三点决定一个平面计算出三棱锥P-MRS的底面MRS 的平面参数；由三棱锥P-MRS与三棱锥K-MRS为镜像关系，三棱锥P-MRS的底面即为镜像平面，即可计算出结构光束发射点K的XYZ坐标；

已知测球心的三维坐标点Q[X，Y，Z]、三棱锥K-MRS的顶点K[X，Y，Z]和底面顶点三维坐标M [X，Y，Z]、R[X，Y，Z]、S[X,Y,Z]，即可由点到平面的计算公式计算出测球心到三棱锥K-MRS的三个侧面的距离d1、d2、d3；

步骤S5：计算多轴运动平台坐标系与相机坐标系的坐标转换参数：驱动多轴运动平台的XYZ轴分别定位到不成一条直线的三个位置点，采集运动平台三个位置点的XYZ轴坐标，相机在三个位置点分别拍摄结构光束在投影屏上的投影图像，参照步骤S5处理后可得到与运动平台三个位置点的XYZ轴坐标对应的相机XYZ坐标；计算出相机XYZ坐标系与运动平台XYZ轴坐标系的平移旋转转换参数；

步骤S6：工作方式：将工件放置在检测平台，运动平台驱动测头使测球接触工件的检测位置，相机拍摄当前构光束在投影屏上的投影，用步骤S5的方法计算出三棱锥K-MRS3个侧面的平面参数，由于测球心到三棱锥K-MRS的三个侧面的距离d1、d2、d3已标定，即可由点到平面的距离计算公式列方程组计算出测球球心Q的三维坐标；如要扫描零件某个面的多个坐标点，可使测球在该面上移动的同时，高速相机连续拍摄结构光束的投影图像，计算后即可得到一系列该测量面上的坐标点；也可以将零件的3D模型输入系统，设置好检测参数，先检测出零件与3D模型的匹配点后将3D模型与零件匹配点进行匹配，将3D模型坐标转换到运动平台坐标后，运动平台即可依据转换后的坐标自动完成检测过程。

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