CN1971205A - 一种便携式面结构光逆向测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式面结构光逆向测量系统。该系统包括柔性测量臂和测量头；其中，柔性测量臂由依次通过旋转轴连接的基座、第一旋转关节、第二旋转关节、第一碳素纤维管、第三旋转关节、第四旋转关节、第二碳素纤维管、第五旋转关节和第六旋转关节组成，各旋转关节可绕其旋转轴自由旋转；各旋转关节上均设有无线传输的角度编码器；所述测量头通过旋转轴与第六旋转关节相连。所述测量头为接触式测量头或光栅扫描头。本发明利用接触式测量头测量关键特征尺寸和轮廓的数据，利用光栅扫描头测量复杂工件表面的点云数据，两种测量方式得到的数据可以转换到同一坐标系下，提高其测量速度和精度。便携式柔性测量臂可以自由旋转，方便使用和携带。

Description

一种便携式面结构光逆向测量系统

技术领域

本发明属于逆向工程测量领域，具体涉及一种便携式面结构光逆向测量系统。

背景技术

逆向工程在缩短产品设计周期、消化国内外的先进技术和产品中发挥着重要的作用。逆向工程测量设备的好坏直接影响到对被测实体进行描述的精确、完整程度，进而影响到重构的CAD曲面、实体模型的质量，是逆向工程的基础。

目前，在逆向设计领域使用最为广泛的测量设备主要有以下四种：接触式坐标测量系统、三维激光扫描测量系统、柔性三坐标测量系统、光栅扫描测量系统。接触式的三坐标测量系统测量技术和三维激光扫描测量技术已经非常成熟，是目前占市场份额最大的两种三维测量手段。近年来，随着逆向设计技术在汽车整车、大型模具、航空航天、造船等行业的广泛应用，对大型工件的测量需求越来越大，而上述两种测量设备由于受到固定式测量平台的空间限制，无法测量大型工件。这在种情况下，柔性三坐标测量系统和光栅扫描测量系统由于具有便携性、测量空间大、测量速度快、测量功能强等优点，得到广泛应用和迅速发展。

柔性三坐标测量系统可根据需要自由替换不同种类的扫描头(包括接触式测头和非接触式测头)，柔性极好，且便于携带，使用直观方便，测量精度高。光栅扫描测量系统是近年发展起来得一种新型的测量设备，以其方便，简单，快速，高效得特点迅速得到发展和应用。这两种技术，由于科技含量高，技术先进，而且国内的研究开始的晚，目前主要由国外发达国家垄断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式面结构光逆向测量系统，该测量系统具有测量速度快、精度高和便于携带的优点。

本发明提供的一种便携式面结构光逆向测量系统，其特征在于：该系统包括柔性测量臂和测量头；其中，柔性测量臂由依次通过旋转轴连接的基座、第一旋转关节、第二旋转关节、第一碳素纤维管、第三旋转关节、第四旋转关节、第二碳素纤维管、第五旋转关节和第六旋转关节组成，各旋转关节可绕其旋转轴自由旋转；各旋转关节上均设有无线传输的角度编码器；所述测量头通过旋转轴与第六旋转关节相连。

所述测量头为接触式测量头或光栅扫描头，光栅扫描头的结构为：支架为中空结构，支架固定块位于支架顶部，支架的空腔内由上至下依次安装有光源、玻璃片和透射光栅片，聚光镜头位于支架的底部，光源、玻璃片、透射光栅片和聚光镜头位于同一轴向上，支架的两端分别设置有电荷耦合器件。

本发明测量系统将便携式柔性测量臂与双目面结构光三维反求系统结合起来的思路，测量数据时可根据测量需要自由更换测量头(接触式测头和光栅扫描测量头)，充分发挥便携式三维柔性测量臂和双目面结构光三维反求系统的优势。测量时，利用接触式测量头测量关键特征尺寸和轮廓的数据，利用光栅扫描头测量复杂工件表面的点云数据，两种测量方式得到的数据可以转换到同一坐标系下，提高其测量速度和精度。便携式柔性测量臂可以自由旋转，方便使用和携带。

附图说明

图1为本发明便携式面结构光逆向测量系统的一种结构示意图；

图2为光栅扫描测量头的结构示意图；

图3为本发明便携式面结构光逆向测量系统的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明测量系统由柔性测量臂和测量头二部分构成，测量头可以采用接触式测量头或光栅扫描头。

当采用接触式测量头时，其结构如图1所示，柔性测量臂包括依次连接的基座1、第一旋转关节2、第二旋转关节3、第一碳素纤维管8、第三旋转关节4、第四旋转关节5、第二碳素纤维管9、第五旋转关节6和第六旋转关节7组成，各旋转关节依次通过旋转轴相连，各旋转关节可绕旋转轴自由旋转。各旋转关节上均设有记录该关节的旋转角度的角度编码器，采用无线传输方式传输六个角度编码器的角度数据，关节臂内部无需额外的线缆，关节臂的各个旋转关节可以无限制的自由旋转，测量更加灵活。并可通过增加关节臂的长度来增大测量范围。角度编码器可以选用日本多摩川编码器TS5669N220。

接触式测量头11安装在固定块上，固定块与第六旋转关节7之间通过旋转轴相连，接触式测量头11可以通过旋转轴做360°自由旋转。

使用时，采用接触式测量头11接触被测点，测头感应到一定的压力后发出一个脉冲信号，然后计算机同步采集六个角度编码器的角度数据，最后根据采集到的六个角度数据、关节臂的结构参数及接触式测量头的结构参数便可计算出被测点的三维坐标。

接触式测量头11可采用成都司塔瑞测控工程有限公司提供的KCF-1C接触式测量头等位置传感器。

如图2示，光栅扫描头由支架19、支架固定块15、光源16、玻璃片17、透射组合光栅片18、聚光镜头14、二个电荷耦合器件(CCD)12和13构成。支架19为中空结构，支架固定块15位于支架19顶部，用于与柔性测量臂相连。支架19的空腔内由上至下依次安装有光源16、玻璃片17和透射光栅片18，聚光镜头14位于支架19的底部，光源16、玻璃片17和透射光栅片18和聚光镜头14在同一轴向上。光源16可采用普通白炽光源。玻璃片17选用隔热玻璃达到隔热的目的，透射光栅片18由三部分光栅条纹组成，每部分的刻划条纹皆为等间距，但三部分光栅的间距互不等，支架的两端分别设置有电荷耦合器件12和13。测量数据时光源16透过透射光栅片18和聚光镜头14向待测物体投射光栅条纹，然后使用左、右两个电荷耦合器件同步拍摄一组照片，最后根据拍摄的照片、光栅扫描测量头的结构参数和两个电荷耦合器件的内外参数计算出被测物体表面的三维点云数据。

第二固定块15通过旋转轴与第六旋转关节7连接，构成如图3所示的测量系统，光栅扫描测量头可以通过旋转轴做360°自由旋转。

使用便携式面结构光逆向测量系统测量数据时，首先将测量头移动到关节臂测量空间中的某个位姿向待测物体投射光栅条纹，光栅扫描测量头便可计算出被测物体表面在光栅扫描测量头坐标系下的三维点云数据，然后根据关节臂的结构参数和六个角度数据将扫描头坐标系下的三维点云数据转换到基座坐标系下；如果被测物体较大，可将测量头移动到关节臂测量空间中的另一个位姿测量被测物体其他部位的三维点云数据，并将数据转换到基座坐标系下；如此反复，便可测得整个被测物体在基座坐标系下的三维点云数据。

测量时根据待测物体的特征可以单独使用双目面结构光三维扫描测量头或接触式测量头进行测量，也可将两者通过固定装置组装起来进行测量。使用便接触式测头测量数据时，将接触式测头移动到待测点处，接触被测点，测量该点的三维数据；使用双目面结构光扫描头测量时，首先将测量头固定在关节臂的末端，然后将测量头移动到某个位姿向待测物体投影一个光带，并用左右两个数码相机同步拍摄一组照片，根据拍摄的照片计算出物体表面在扫描头坐标系下的三维点云数据，最后根据关节臂的结构参数和六个角度数据将扫描头坐标系下的三维点云数据转换到基座坐标系下。

Claims (3)

1、一种便携式面结构光逆向测量系统，其特征在于：该系统包括柔性测量臂和测量头；

其中，柔性测量臂由依次通过旋转轴连接的基座(1)、第一旋转关节(2)、第二旋转关节(3)、第一碳素纤维管(8)、第三旋转关节(4)、第四旋转关节(5)、第二碳素纤维管(9)、第五旋转关节(6)和第六旋转关节(7)组成，各旋转关节可绕其旋转轴自由旋转；各旋转关节上均设有无线传输的角度编码器；所述测量头通过旋转轴与第六旋转关节(7)相连。

2、根据权利要求1所述的便携式面结构光逆向测量系统，其特征在于：所述测量头为接触式测量头(11)。

3、根据权利要求1所述的便携式面结构光逆向测量系统，其特征在于：所述测量头为光栅扫描头，其结构为：支架(19)为中空结构，支架固定块(15)位于支架(19)顶部，支架(19)的空腔内由上至下依次安装有光源(16)、玻璃片(17)和透射光栅片(18)，聚光镜头(14)位于支架(19)的底部，光源(16)、玻璃片(17)、透射光栅片(18)和聚光镜头(14)位于同一轴向上，支架(19)的两端分别设置有电荷耦合器件(12、13)。

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