CN1580692A - 便携式曲面测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式曲面测量装置，包括可调平三角架，装置本体及激光测距仪；装置本体为一个一体化的双旋转机构，包括底座，其下端与调平三角架相连，在底座上固定的第一步进电机8经小齿轮9带动大齿轮2绕Z轴转动α角转动，大齿轮上安装鞍形中间座3，大齿轮通过三向止推轴承12，与底座上端连接；在鞍形中间座3上固定第二步进电机4，由它通过蜗轮副5带动安装在蜗轮副5上的数字激光测距仪6绕y轴转动。本发明的方法包括：单点测量；曲面坐标数组的测量；坐标转换，将球面坐标数组转换为直角坐标数组；曲面的实体造型完成曲面的反真及曲面的拼接的数据集的平移。用于各种人或物，如汽车，飞机廓形的测量体积小，重量轻，可以随身携带。

Description

便携式曲面测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于一种随身携带的对人或物体表面进行测量的装置与测量方法，是一种三维组合表列曲面测量的装置与方法。

背景技术：

目前国内外常见的三维测量设备有三坐标测量机、工业CT、层析式逆工程三维测量装置、线扫描三维数字化测量仪。本专利申请人曾于1994年申请到中国实用新型专利“激光扫描曲面测量装置”，专利号为ZL93238983.X，它是利用激光定点，由双三角形原理找到被测对象的三维坐标数组。

总起来讲，上述的各种方法存在一个共同的缺点，就是测量装置很大，至今尚没有测量各种尺寸曲面，甚至达到汽车、飞机表面进行测量的随身携带的小型装置。

技术内容

本发明的目的是提供一种三维测量的方法与装置，属于非接触测量，它利用球面三角方法定位，通过数字激光测距仪测定被测人或物表面的球面坐标值，然后输出人或物表面的三维坐标数组，通过已有的软件，将三维数组处理成虚拟的表面实体图像。由于采用了透视法，因而可拍摄的对象可以很大。装置包括一体化的、可带动测距仪水平和垂直旋转的机构，体积小而便携带；本曲面测量装置可用于测量人和物体的外形轮廓，在生活上可用于家庭，做成人或物的反真立体雕塑；在工业上可用于汽车、飞机、手机等的外形仿制，测量，故亦是一种三坐标测量机。

本发明的技术内容为：一种便携式曲面测量装置，装置包括可调平三角架，装置本体及激光测距仪；装置本体为一个一体化的双旋转机构，包括底座，其下端与调平三角架相连，在底座上固定的第一步进电机经小齿轮带动大齿轮绕Z轴转动α角转动，大齿轮上安装鞍形中间座，大齿轮通过三向止推轴承，与底座上端连接；在鞍形中间座上固定第二步进电机，由它通过蜗轮副带动安装在蜗轮副上的数字激光测距仪绕y轴转动。

装置利用数字激光测距仪测出被测点与曲面测量装置原点的距离r，利用三维测量装置中间座绕底座垂直轴快速转动α角完成行扫描，利用第二步进电机带动蜗轮副绕水平轴慢速转动β角进行列扫描。

利用微机定时发出采样指令，同时完成α、β及r的数据采样，并存储到微机中。当曲面凸凹廓形复杂，需要装置进行多次采样时，利用两个垂直放置的数字水平仪及数字指北针确定曲面测量装置的空间位置，利用可调平三角架调整三维测量装置的空间位置，由软件完成曲面的拼接。

本发明涉及的曲面测量方法是：先将被测物体置于测量装置的球面坐标系中，其特征是：方法包括以下步骤如下：

第一步，单点测量，设曲面上有一点k，先由坐标原点o作与k点的连线ok，再作出ok线在oxy面上的投影ok₀，设ok₀与x轴的夹角为α，ok与ok₀的夹角为β，则点k的球面坐标值为(α，β，r)；距离r由数字激光测距仪在水平面内转动α和由垂直旋转仰角β测出；

第二步，曲面坐标数组的测量，两种转动α、β和距离r都是连续进行的，由微机控制的时间脉冲激发三者同时采样，得到的各点数组(α_i，β_i，r_i)依次存储在微机中，构成表述表面的列表曲面。

第三步，坐标转换，将球面坐标数组(α_i，β_i，r_i)转换为直角坐标数组(x_i，y_i，z_i)；

第四步，曲面的实体造型完成曲面的反真。

第五步，当需要进行曲面的拼接时，需要换位置多次采样，由指北针找准同样的零位，进行曲面的拼接的数据集的平移。

附图说明

图1，利用球面三角法测量三维曲面的方法图。

图2，三维测量装置的主视图，也是图3的A-A截面图。

图3，三维测量装置的顶视图，也是图2的B-B截面图。

图4，曲面的拼接水平示意图。

具体实施方式：

本发明的机械结构如图2及3所示，装置包括：底座1，三向止推轴承12，大齿轮2，中间座3，第二步进电机4，蜗轮副5，激光测距仪6，指北针7，第一步进电机8，主动齿轮9，横向水平仪10，纵向水平仪11。

底座1下端的螺纹与调平三角架相连，在底座1上有小平台，上面装有相互垂直的两个数字水平仪10和11，以便需要时，找准三维测量装置的水平位置。在底座1的上部为三向止推轴承12，本轴承能在径向、向上、向下三个方向定位，并作相对转动。轴承的内环上钻有装钢球的孔，待装满钢球后，用堵头塞满。本轴承的功能相当于一套轴系，它使大齿轮2只能绕底座规则转动，并且，不能上下移动。由固定在底座1上的第一步进电机8，经小齿轮9带动大齿轮2及鞍形中间座3绕Z轴转动α角，完成激光束的行扫描。α角的大小由步进电机的脉冲值和脉冲数确定。

第二步进电机4固定在鞍形中间座3上，由它带动蜗轮副5，同时带动数字激光测距仪6绕o点(即y轴)转动β角，完成列扫描。β角的角的大小由步进电机的脉冲值和脉冲数确定。数字激光测距仪6为市场现有产品，外型为长方盒形，激光束沿OX方向射出，一般可测距离为0.2m~400m，测距输出为数字量。7为数字指北针，如需要多次测量时，可将数字指北针7对准x轴，数字水平仪10和11找平oxy面，以简化曲面的拼接工作。

图3为图2的顶视图即B-B截面图，图示在底座1上安装相互垂直数字水平仪10及11的情况，4及5为带动数字激光测距仪6转动β角的第二步进电机及蜗轮副。本测量装置的微机数控电路可采用现行双坐标开环标准电路。

由于采样点数较多，因此，拍摄一次的时间要几分钟。由于采用逐点激光测距，因此，拍摄时不需要对焦距。本测量装置的取景由外罩的窗口决定，由于不需要采样的范围被壳挡住，采出的距离≈0，可由电路自动清除。

本发明的测量方法如图1、4所示，先将被测物体(如球)置于测量装置的球面坐标系中，分下列5步测出物体表面的形状：

第一步，单点测量，设曲面上有一点k，先由坐标原点o作与k点的连线ok，再作出ok线在oxy面上的投影ok₀，设ok₀与x轴的夹角为α，ok与ok₀的夹角为β，则点k的球面坐标值为(α，β，r)。在水平面内的转角α可由水平配置的步进电机指令脉冲确定，仰角β可由垂直配置的步进电机指令脉冲确定，距离r可由数字激光测距仪测出。

第二步，曲面坐标数组的测量，由步进电机经齿轮副带动中间轴绕y轴转动，由水平配置的步进电机指令脉冲确定转角数组α_i，完成行扫描测量；由垂直配置的步进电机指令脉冲确定β_i，完成列扫描测量；行扫描的转到速度较快，列扫描的转到速度较慢，两者的关系为：当行扫描一整转时，列扫描转一个象素的角度量；两种扫描组合成帧扫描；同时由激光测距仪测出那一瞬间的距离r_i。两种转动α、β和距离r都是连续进行的，由微机控制的时间脉冲激发三者同时采样，得到的各点数组(α_i，β_i，r_i)依次存储在微机中，构成表述表面的列表曲面。

第三步，坐标转换，这里测出的表面是以球面坐标数组(α_i，β_i，r_i)表征的，而一般需要有直角坐标数组(x_i，y_i，z_i)表征，为此需要用下式进行坐标转换：

第四步，曲面的实体造型，目前，已有很多成熟的软件，如SURFCAM，如用各种鞍形曲面逼近被测曲面的各个部分，最后用一组曲面，虚拟出被测表面的图像，完成曲面的反真。

第五步，曲面的拼接，当所测曲面廓形凸凹较深，本测量装置从一个位置不能测出全部曲面，出现缺损部分时，需要将本装置换一个位置作多次采样，这时如果两次测量时，装置均由两个水平仪或准直仪找平，由指北针找准同样的零位，则曲面的拼接工作可简化为两个数据集的平移，利用最小二乘法作逼近即可达到，可以显著降低计算量。如图4所示，待测物体的水平截面ABC需要进行三次测量，第一次测量的坐标系为0x₀y₀z₀，第二次测量的坐标系为0₁x₁y₁z₁，第三次测量的坐标系为0₂x₂y₂z₂。以第一、第二从测量为例，两个坐标系的x₀y₀平面和x₁y₁平面平行，由水平仪或准直仪保证他们在同一个水平面上，他们的z₀轴和z₁轴平行，坐标原点的距离L可以由测距仪求得，x₀轴和x₁轴的夹角φ可以由指北针求得。则两次测量的数组只要通过坐标转换就可以换算到统一的坐标系中去。同理，第三次的测量结果也可以换算到前次测量的坐标系中，最后换算到统一的坐标系中，这样就可以测得整个曲面轮廓数据。

Claims (4)

1、一种便携式曲面测量装置，其特征在于：装置包括可调平三角架，装置本体及激光测距仪；装置本体为一个一体化的双旋转机构，包括底座(1)，其下端与调平三角架相连，在底座上固定的第一步进电机(8)经小齿轮(9)带动大齿轮(2)绕Z轴转动α角转动，大齿轮(2)上安装鞍形中间座(3)，大齿轮通过三向止推轴承(12)，与底座上端连接；  在鞍形中间座(3)上固定第二步进电机(4)，由它通过蜗轮副5带动安装在蜗轮副5上的数字激光测距仪(6)绕y轴转动。

2、根据权利要求1所便携式曲面测量装置，其特征在于：装置上安装有数字指北针(7)。

3、根据权利要求1所便携式曲面测量装置，其特征在于：在底座(1)上具有小平台，上面装有相互垂直的两个数字水平仪(10)和(11)。

4、一种曲面测量方法，先将被测物体置于测量装置的球面坐标系中，其特征是：方法包括以下步骤如下：

第一步，单点测量，设曲面上有一点k，先由坐标原点o作与k点的连线ok，再作出ok线在oxy面上的投影ok₀，设ok₀与x轴的夹角为α，ok与ok₀的夹角为β，则点k的球面坐标值为(α，β，r)；距离r由数字激光测距仪在水平面内转动α和由垂直旋转仰角β测出；

第二步，曲面坐标数组的测量，两种转动α、β和距离r都是连续进行的，由微机控制的时间脉冲激发三者同时采样，得到的各点数组(α_i，β_i，r_i)依次存储在微机中，构成表述表面的列表曲面。

第三步，坐标转换，将球面坐标数组(α_i，β_i，r_i)转换为直角坐标数组(x_i，y_i，z_i)；

第四步，曲面的实体造型完成曲面的反真。

第五步，当需要进行曲面的拼接时，需要换位置多次采样，由指北针找准同样的零位，进行曲面的拼接的数据集的平移。

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