CN1442670A - 一种测量三维物体轮廓的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种测量三维物体轮廓的设备和方法。设备包括用于安装被测物体的角度变化装置，用于固定角度变化装置的支架，用于浸泡被测物体装有液体的容器，用于能使容器直线上升和下降使浸泡被测物体至选定的高度的驱动机构，用于支撑支架的支杆和安装在支杆上的力测量装置，用于能使支架分别在两个位置与基础实现转动副铰接的变位置铰接装置，用于接收力测量装置的力信号的信号处理装置和计算机。本发明的测量方法是：将被测物体按选定方向安装，液体按一定间隔浸泡被测物体，测量所产生的浮力的合力大小及作用点位置，根据物体在不同方向和不同浸泡高度的测量数据，由计算机计算出三维物体的轮廓和三维尺寸。

Description

一种测量三维物体轮廓的设备和方法

所属技术领域

本发明涉及对现有三维物体测量以确定该三维物体轮廓和三维尺寸的设备和方法，尤其是能测量包含内部轮廓的三维物体并不破坏被测物体的设备和方法。

背景技术

机械、电子、汽车、航天等重要领域都需要对三维物体进行测量。机械工程领域中三维物体的测量是反求工程的重要内容，它是快速造型技术的前端关键技术，快速造型需要改变传统的二维工程视图模型，用三维物体模型作为加工摸型。通常CAD软件可以设计出三维模型，但出于功能、工艺、外观等多种因素的考虑，针对CAD软件不能设计的复杂零件，则需先制造实物模型，再测量实物建立三维物体模型。另外对已知产品的设计和仿制，快速造型是最佳方案，这也需要对原形进行测量。三维物体的测量是具有普遍意义的应用技术。

三维物体测量的研究已有数十年的历史，最早出现了接触式探针测量方法，典型代表是三坐标测量仪，该方法有较高的精度，但易于损伤测头、划伤被测零件、需要人工干预、，且成本高、测量速度慢。八十年代以后出现了应用光栅、全息、二维图象等手段的光学非接触测量三维物体的方法。其中，投影光栅法测量范围大、速度快、成本低，但测量精度低且不能测量表面变化过陡的物体。激光三角形法测量速度快、精度高，但被测物体的表面不能过于光滑。二维图象法的精度不高，测量数据处理的算法非常复杂。以上方法均还存在致命缺陷：即无法测量物体的内部轮廓，存在光学测量的盲点。目前国际上现有核磁共振成象和CT扫描方法能够测量物体的内部轮廓，但这两种方法的成本很高、对可测零件的尺寸有限制，测量精度低，最小层厚只有1mm，特别是对被测物体的材料有限制，不能测量工程领域常用的金属材料。另一种能够对物体内部轮廓测量的方法是美国的一项专有技术——自动断层扫描，该方法虽然测量精度可达0.02mm，但它测量时要破坏被测零件。

发明内容

本发明的目的便是针对上述缺点，提供一种能够测量包含内部轮廓的三维物体并不破坏被测物体的新方法及其设备。

根据上述目的，本发明采用了以下技术方案：以物体浸泡在液体中会产生排开同等体积液体的重量的浮力为基本原理，根据浮力是在单位面积上产生并在物体上形成一个合力，合力有一个作用点，通过测量被测物体按不同方向和不同浸泡高度被液体浸泡所产生的浮力的合力大小和作用点的位置，利用测量数据计算出被测物体的轮廓和三维尺寸。本发明的主要技术要点如下：1)用体素柱图作为三维物体的数字化模型

三维物体的数字化模型是指能够确定三维物体轮廓和三维尺寸的数据。利用三维物体的空间单元表示法，将三维物体离散为有限小的正方体单元的集合，正方体单元沿坐标方向对齐布置，正方体单元被占即表示在该位置物体存在，称之为实单元。一个平面上的正方体单元沿该平面垂直方向叠加形成长方柱体单元。本发明发现，如果已知多个平面的各柱体单元分别包含的实单元的数量，可以确定三维物体。所以将一个面上所有柱体单元分别包含的实单元的数量称为一个面的体素柱图。根据不同精度要求，确定被测物体一定数量平面的体素柱图可以确定三维物体的轮廓和三维尺寸。2)用体素柱图确定三维物体的轮廓和三维尺寸

利用体素柱图确定三维物体的轮廓和三维尺寸的方法是：已知一个面的体素柱图，如图1所示的X0Y平面，在这个面的体素柱图中，一定存在两个距离最远的含有实单元的两个柱体单元，设为图示A、B两个柱体单元，连接A、B的中心，得AB直线，设此时AB平行于X轴，若X0Z面的体素柱图也已知，当柱体单元很小时，X0Z面上与A、B中心线垂直相交的存在实单元的单元柱体的实单元不可能落在A、B以外，利用这些柱体单元的Z坐标，就可确定A、B上所有实单元的位置。将已确定的实单元从三维物体中假想去掉并保存，重新计算变化后各个平面的体素柱图。重复上述步骤，可以把所有实单元的位置找到，就实现了三维物体的数字化从而获得三维物体的轮廓和三维尺寸。

实现三维物体的数字化过程中，当找到的其它AB直线不与附图1中的X轴平行时，要确定此时A、B柱体单元上的实单元，需要知道基准面(X0Y)的体素柱图，还要知道与基准面垂直且与AB直线平行的平面的体素柱图。因此实际上实现三维物体的数字化，需要知道一个基准面的体素柱图和垂直于基准面离散在180度范围内平面的体素柱图，根据不同的精度要求，确定一个基准面(X0Y)的体素柱图，再确定垂直于基准面离散在180度范围内的多个平面的体素柱图就可以实现整个被测三维物体的数字化，从而确定三维物体的轮廓和三维尺寸。3)用测量浮力获取三维物体体素柱图

通过测量物体浸泡在液体中的浮力和其作用点可获得体素柱图。

测量设备如图2所示：被测物体(9)被安装在角度变换装置(11)上；如图4所示，角度变换装置(11)有夹紧被测物体(9)的螺旋夹紧机构(13)和能使螺旋夹紧机构(13)绕一个轴转动到任一角度的带自锁功能的步进电机(14)，角度变换装置(11)用紧固螺栓被固定在支架(1)上并使角度变换装置(11)上的转动轴与支架(1)上的E点和F1点的连线保持平行。装有液体(21)的容器(2)由驱动机构(22)驱动实现直线运动并控制被测物体(9)的被浸泡高度；如图5所示，驱动机构(22)由步进电机(23)和滚珠丝杠(24)组成，容器(2)安装在滚珠螺母上，容器(2)内的液体(21)是水、煤油等均匀密度液体。与支架(1)以转动副相联的支杆(3)上有压电式力测量装置(31)，采用电子天平陶瓷重量传感器；被测物体(9)在被浸泡前，固定在支架(1)一侧的去皮装置(12)利用配重使支架(1)上F1或F2点两侧所有重量产生的力矩平衡；如图6所示，去皮装置(12)的配重靠一个固定重量(15)沿支架(1)的水平方向移动实现力矩平衡，固定重量(15)的移动靠步进电机(16)驱动滚珠丝杠(17)实现，配重安装在滚珠螺母上，力矩是否平衡由支杆(3)上的力测量装置(31)的力信号是否为零确定。当被测物体(9)被浸泡至一个高度位置，变位置铰接装置(4)利用电磁力夹紧机构分别使F1固定、F2自由和F2固定、F1自由，即支架(1)与基础(10)在两个位置可以单独形成转动副铰接，可分别测量得出E点的两个支反力(用W_E1，W_E2表示)，这两个支反力由于使用了去皮功能，各重量在此产生的支反力已调整为零，实际上是浮力所产生的支反力，这两个支反力和E至F1，E至F2的距离(用L_EF1、L_EF2表示)，可根据支架(1)上的力平衡计算出此时浮力产生的合力大小(用W表示)和作用点位置(用L表示作用点至E点的距离)，可列的方程为(W*(L+L_EF1)＝W_E1*L_E1和W*(L+L_EF2)＝W_E2*L_E2)。不断小间隔地变化液体(21)浸泡被测物体(9)的高度，力测量装置(31)测量获得的浮力之差，即是间隔之间物体小断层产生的浮力，根据浮力大小和它的比重可计算出所排开液体的体积，它等于物体小断层的体积，如果被测材料是均匀材料，利用材料的比重，相当于测量可获得此时物体的小断层的重量和重心位置，其重量等于与小断层同等体积的被测物体的重量，当小间隔取得很小时，重心在水平面垂直方向的位置可视为处于小断层的中点，重心在水平方向的位置由测量数据求出。通过组合小断层还可根据这些小断层的重量和重心计算得到需要的组合断层的重量和重心位置。力测量装置(31)的力信号数据通过电缆(5)传送到信号处理装置(6)，信号处理装置(6)含有前置电路和数据采集电路。信号处理装置(6)输出的数据通过电缆(7)传送到计算机(8)的并口，计算机(8)用于计算平面的体素柱图。当由被测物体(9)由角度变换装置(11)沿水平轴改变一定角度，测量可获得不同方向小断层的重量和重心位置。

已知两个垂直方向的物体各小断层的重量和重心位置可计算出垂直于这两个方向的平面的体素柱图。方法如下：如图3所示。设取被测物体的X、Y方向的4个断层，W₁+W₂，W₁+W₃，W₃+W₄，W₂+W₄，其中W₁正好为一个单元柱体，由于单元柱体尺寸很小，其Z方向的重心Z₁可视为在其中心线上。设Z₀为物体在Z方向的总重心，Z₅为W₁+W₃在Z方向的重心，Z₇为W₄+W₂在Z方向的重心，Z₃为W₁+W₂在Z方向的重心，Z₈为W₃+W₄在Z方向的重心，Z₄为W₂的在Z方向的重心，Z₆为W₃在Z方向的重心，Z₂为假想去掉W₁后物体在Z方向的重心，其中Z₀、Z₁、Z₃、Z₅、Z₇、Z₈为测量已知。根据已知条件，可列出下列方程：W₁＝(W₂+W₃+W₄)*L_Z0Z2/L_Z0Z1         (1)W₁*L_Z1Z5＝W₃*_LZ5Z6                   (2)W₁*L_Z1Z3＝W₂*L_Z3Z4                   (3)W₁+W₂＝W₁₂                            (4)W₁+W₃＝W₁₃                            (5)W₂+W₄＝W₂₄                            (6)利用几何关系，可列出：L_Z5Z6＝L_Z5Z8*SIN(∠Z₅Z₈Z₆)/SIN(∠Z₆Z₅Z₈)      (7)其中：SIN(∠Z₅Z₈Z₆)＝L_Z2Z0*SIN(∠Z₂Z₀Z₈)/L_Z2Z8L_Z228＝(L_Z2Z0 ²+L_Z0Z8 ²-2 L_ZZZ0 L_Z0Z8COS(∠Z₂Z₀Z₈))∠Z₆Z₅Z₈为直线Z₅Z₆与直线Z₅Z₈的夹角，为已知。∠Z₂Z₀Z₈为直线Z₁Z₀与直线Z₀Z₈的夹角，为已知

上述七个方程中，未知数有W₁、W2、W3、W4、L_Z3Z4、L_Z5Z6、L_ZZ2，这样可解出这七个未知数，其中W₁即为一个单元柱体的重量，将它除以一个实单元的重量，就可知道该单元柱体包含实单元的个数。设想将W₁从物体中去掉，在W₂中取与W₁相邻的柱体单元作为新的W₁，并选择四个新的断层，重新计算各断层的重量和重心，同样可以得到新柱体单元包含实单元的个数。以此类推，可求出该平面的体素柱图。4)用重量传感器测量三维物体的浮力

测量三维物体的浮力实际上是测量图2中E点的支反力，E点的支反力用高精度电子天平陶瓷重量传感器测量。陶瓷重量传感器可获得很高的精度，美国西特产品测量精度可达2500±0.005克。这样测量一个500克材料为钢的三维零件，若选择液体为水，总的浮力为64克，若设计支杆(3)的尺寸使水平方向E点至被测物体的最近距离是E至F2距离的20倍，即力臂放大被测物体的浮力在20倍以上，则边长为1mm的正方体实单元的浮力被放大到0.020克以上，所以测量误差不会超过一个实单元的重量，考虑其它计算误差，测量设备的误差可以小于±1mm，这已经是同类国际先进水平。

由于三维物体所包括的内部轮廓只要不是全封闭都可以被液体浸泡到，对存在凹入部分的内部轮廓，只要选择的浸泡方向正确就可以获得各断层浮力的数据，所以本发明可以测量包含的内部轮廓的三维物体，绝大多数常用材料的物体浸泡在液体中不会被破坏，所以本发明可以测量这些均匀材料的三维物体，特别是金属材料。另外测量浮力的装置对被测物体的尺寸没有限制。

本发明采用的测量方法是一种非接触自动测量，设备结构简单，通过测量数据计算三维物体轮廓和尺寸使用的计算方程主要是线性方程，计算量小，方程容易获得精确解。

与现有技术相比，本发明具有下列优点：(1)可测量包含内部轮廓的三维物体，并不破坏被测物体。(2)可测量各种不被液体浸泡破坏的所有均匀材料的三维物体，特别是金属材料物体。(3)测量方法简单，测量数据少，成本低，对被测物体的尺寸无限制。(4)用测量数据实现数字化三维物体的计算方法简单、计算量小。(5)测量精度可达到同类国际先进水平。(6)容易实现非接触自动化测量。

附图说明

图1是利用体素柱图进行三维物体数字化的示意图。

图2是测量设备的工作原理图。图中1为支架、11为角度变换装置、12为去皮装置、2为容器、21为液体物体、22为驱动机构、3为支杆、31为力测量装置、4为变位置铰接装置、5为电缆、6为信号处理装置、7为电缆、8为计算机、9为被测物体、10为基础。

图3是由断层重量和重心计算体素柱图的示意图。

图4是角度变换装置的工作原理图。图中1为支架、9为被测物体、11为角度变换装置的机架、13为螺旋夹紧机构、14为步进电机。

图5是驱动机构的工作原理图。图中2为容器、10为基础、23为步进电机，24为滚珠丝杠。

图6是去皮装置的工作原理图。图中1为支架、12为去皮装置的机架、15为固定重量、16为步进电机、17为滚珠丝杠。

本发明的具体实施方式

在图2中，设被测物体(9)为一个重量小于500克，材料为钢的机械零件。驱动机构(22)驱动容器(2)直线向下移动，直至装入容器内的液体(21)不浸泡支架(1)，装入容器内的液体(21)选择为水。选择机械零件上的一个平面作为基准面，将机械零件固定到角度变换装置(11)，并使基准面与与支架(1)上的E点和F1点的连线平行。变位置铰接装置(4)将F1固定，F2自由，去皮装置调整力矩平衡，将支杆(3)上的力测量装置(31)的力信号设置为零。当要求的测量精度为±1mm时，驱动机构(22)驱动容器(2)以1mm的间隔直线上升，当力信号发生变化时，驱动机构(22)停止运动，将力信号通过信号处理装置传送到计算机保存，驱动机构(22)再驱动容器(2)上升1mm，以上述同样的方式可进行一个新的断层的测量，直至驱动容器(2)上升后，力信号不再发生变化，说明被测物体已全部被浸泡。驱动机构(22)驱动容器(2)直线向下移动，直至装入容器内的液体(21)不浸泡支架(1)，变位置铰接装置(4)动作使F1自由，F2固定，去皮装置调整力矩平衡，将支杆(3)上的力测量装置(31)的力信号设置为零，重新以1mm的间隔测量浮力，得到新的力信号，将此信号再传送到计算机保存，这样就完成了基准面的测量。按照上述测量方法，重新安装被测物体，使被测物体基准面与支架(1)上的E点和F1点的连线垂直，角度变换装置在180度范围内以1度的间隔自动转动被测物体，并分别测量各角度被测物体的浮力数据，相当于获得基准面的180个垂直面的的浮力数据，计算机根据浮力数据可以计算出该零件的三维轮廓的尺寸，此时共测量181面的浮力数据，测量完成后的计算结果可以达到要求精度±1mm，这个精度是能测量包含内部轮廓、不破坏被测实体的目前同类的国际先进水平。

上述测量方式，共需安装两次被测物体，其它测量均可实现自动化。目前测量三维物体的其它方法的测量数据达到几十甚至几百兆，如果被测物体的最大尺寸不超过1000mm，本方法的测量数据共为0.36兆。本方法的测量设备的总成本可以控制在5万元人民币之内，现有三维测量设备一般在20万元人民币以上，而且还不能测量三维物体的内部轮廓。

Claims (6)

1.一种测量三维物体轮廓的设备，其特征在于，所述设备包括：用于固定角度变换装置的支架，用于固定被测物体的角度变换装置，用于在水平面的垂直方向浸泡被测物体至选定高度的装有液体的容器，容器的上方有开口，用于使所述容器作直线运动的驱动机构，用于在水平方向的两个不同位置使所述支架与基础形成转动副绞接点的变位置铰接装置，用于实现在被测物体不被浸泡时在所述铰接点的两侧使重量产生的力矩相等的去皮装置，用于支撑支架并安装有力测量装置的垂直于水平方向的支杆，所述力测量装置提供力信号，用于将力测量装置的力信号转换为计算机数据的信号处理装置，以及连至所述信号处理装置的计算机，用所述计算机计算三维物体的轮廓和三维尺寸。

2.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓的设备，其特征是被测物体位于容器里，容器和支杆位于支架与变位置铰接装置的铰接点的一侧，而去皮装置位于上述铰接点的另一侧，在水平方向支杆与支架的铰接点至被测物体的最近距离比支杆与支架的铰接点至支架与变位置铰接装置的铰接点的距离大。

3.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓的设备，其特征是支杆与支架的铰接点和支架与变位置铰接装置的铰接点的连线是水平的。

4.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓的设备，其特征是力测量装置通过电缆与信号处理装置相连，信号处理装置通过电缆与计算机相连。

5.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓的设备，其特征是容器中液体为均匀密度的液体，液体能够完全浸泡被测物体。

6.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓的设备，其特征是去皮装置含有的固定重量可在水平方向上移动。

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