CN1987343A - 智能全息三维激光测量系统 - Google Patents

Abstract

智能全息三维激光测量系统属于先进制造技术领域。这是一项用激光扫描待测物体，并用计算机处理扫描信息数据，最终得到物体形状三维矢量信息的光机电一体化技术。系统由测头、C型臂、升降转台、控制柜和主控计算机组成，用户输入测量基本参数，系统自动进行扫描路径规划，控制激光测头和升降转台完成测量。系统利用C型臂特有的弧型滑轨控制扫描轨迹，从而实现全息无盲点三维激光扫描。系统具有较强的环境适应能力和抗噪声能力满足工业现场需求。本发明可广泛应用于刑侦，考古，三维动画制作以及工业生产等领域。以主动及自动化的检测模式实现在线检测和加工质量验证。

Description

智能全息三维激光测量系统

技术领域

本发明属于先进制造技术领域。

背景技术

目前情况下，制造加工企业大多习惯采用三维坐标测量机来进行加工表面检测及离线加工质量评估，但由于这种检测装备体积庞大，价格昂贵，工作条件苛刻，检测过程繁琐费时费力，而且不能在加工现场使用，只能用于离线质量抽检，在加工现场仍然使用着传统落后的人工检测模式。为了解决这一问题，一些企业多次与国内有关研究部门及大学探讨尽早解决这一问题。但由于该类课题综合性强，涉及机械、控制、测量技术、数据处理、计算机软硬件和光学领域，一直没有找到合理的解决方案。

围绕数字化三维扫描及模型构建这一逆向工程主题，近十年来，一些相似的扫描装备陆续涌现，这些装备具有以三坐标机为检测实现方式的共同点，由于结构上的局限性，检测盲区是该类装备的共同问题。毫无疑问，这严重阻碍了数字化三维测量的效果。

基于上述问题，为了满足我国制造加工领域对通过加工过程在线检测和质量评估的手段提高加工精度和降低加工成本的迫切需求，及在考古、雕塑及数字化维修和数字化设计管理的需要，急需提供一种高智能、高精度、低成本、且能够在加工现场使用的智能三维全息激光测量系统。该系统不仅能够快速准确地获得表面三维信息而且可以在加工制造现场完成表面三维信息提取，同时在此基础上实现加工质量快速评估系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能够实现无盲区表面三维数字化测量和加工质量快速评估的智能全息三维激光测量系统。

本发明的原理是，结合非接触扫描技术和高级位置和速度控制技术，打破常规三维表面扫描测头固定在三坐标机上的传统三维扫描模式。基于一种独特的C型臂扫描装置和大承载力高平稳度升降转台实现对复杂表面的无盲点三维扫描，该装备不仅解决了在加工制造现场实现三维表面数据快速测量，而且实现加工质量快速评估。在极大的提高了扫描精度同时有效的缩短了扫描时间。该系统不仅通过创造性地发明独特的检测装备造型使检测功能及效率极大地得到了提高，而且由于在系统和软件设计上的集成化智能化的发明使系统能够完成快速数据处理，三维模型构建及三维表面质量快速评估。

本发明的技术解决方案是，本系统由激光测头1、由C型测量臂和升降转台构成的全息测量仪2、控制器3和主控计算机4组成，其中激光测头1安装在全息测量仪2的C型测量臂上，通过通讯电缆与控制器3相连，接受运动指令同时传递扫描数据，控制器3通过网口与主控计算机4相连，传递控制指令和扫描数据，主控计算机4主要完成测头在滑轨上的定位及滑行运动轨迹控制决策给出控制指令、数据显示和处理、模型构建和基于模型与原始模型的比对结果给出质量评估报告等核心任务。待测工件5安放在与系统连接的全息测量仪2的升降转台的台面上，高精度圆弧型滑轨和滑块固定于全息扫描仪2的C型测量臂上，支撑激光测头1的支架垂直固定在滑块上，使线型激光束通过圆弧型滑轨圆心和全息扫描仪2的升降转台的中心轴线。滑块可以相对于圆弧型滑轨圆心作精确的圆弧运动。固定在滑块上的支架由U型架、减速步进电机、减速箱和编码器组成，减速步进电机通过减速箱里的涡轮涡杆驱动滑块沿滑轨运动，编码器记录激光测头1的空间位置，使得置于支架上的激光测头1可根据需要由主控计算机4控制沿圆弧轨迹实现精确定位。激光测头1的电缆置于全息扫描仪2的C型臂背面的拖链中，使得激光测头1不受电缆干扰平滑运动。全息扫描仪2的底座采用可展开式侧臂与可调水平的底脚，保证系统运行平稳，同时使得线型激光束处于竖直平面。全息扫描仪2的升降转台的台面下面有两台减速步进电机和一台编码器，侧面装有光栅尺，编码器记录台面旋转角度，光栅尺记录台面高度，由主控计算机4控制两台减速步进电机驱动升降转台精确水平旋转和垂直升降。

系统的基本工作流程如下：用户通过主控计算机输入待测工件的尺寸范围、材质等基本参数，系统自动进行扫描路径规划；然后控制测头在滑轨上进行滑动以及待测工件在升降转台上进行上下和旋转运动；同时控制测头进行三维测量，并对测量数据进行实时三维显示；最终完成整个工件的测量任务。用户还可以根据测量结果，通过交互干预修改测量路径，从而获得满意的测量结果。测量结束后系统自动保存测量结果，用户可以有选择性的在此基础上进行点云数据、曲线重建、曲面重建和模型验证的处理。

激光测头的测量误差≤0.03mm，C型测量臂的定位误差≤0.01mm，升降转台的定位误差为升降≤0.01mm，旋转≤0.1°。系统的总体测量精度优于0.05mm，可以满足大部分零件加工的在线测量精度要求。测量时间由待测工件的表面复杂程度、扫描面积和扫描精度决定。

为实现上述目的，本系统工作的主要步骤包括：

a)输入待测工件的基本几何尺寸(包裹物体的最小包围盒)及基本扫描条件(待测物体的材质、表面粗糙度)。

b)自动路径规划。

c)扫描+实时点云数据三维显示。

d)扫描数据的检定+扫描路径调整+局部二次扫描。

e)数据后处理(点云处理、曲线重建、曲面重建、模型验证)。

自动路径规划的步骤采取基于预测的路径规划方法：

该方法要首先根据已测出曲面上前十点用最小二乘拟合方法近似预测出Q点的坐标。然后计算出P点与Q点在X、Y、Z坐标的平移距离dx、dy、dz和绕X、Y、Z的旋转角度α、β、γ。

将这些计算结果作为全息测量仪的调整变量，得出测头在滑轨上的运动量和平台的，通过机器人运动学的逆运算，得到机器人各关节变量，控制机器人到达新的位置并完成Q点的测量。

这种路径规划方法是实时在线完成的，只需要一次扫描就可以完成整个测量任务，速度较快。缺点是对于曲面形状突变的地方无法准确测量。

自动路径规划的步骤采取基于扫描数据的路径规划方法：

该方法将扫描过程分成两个阶段：粗扫和精扫。首先固定测头的姿态，采用阶梯状预测方法对测头的位置进行调整，完成对待测工件表面的粗略测量过程。预测函数：

Δh＝(M_max+M_min)/2-P_Z

其中M_max和M_min分别是激光测头的最大和最小测量范围，P_Z是P点的Z坐标。

然后根据粗扫的结果估算各测量点的法向量。根据被测点的实际法向量和三维坐标值重新进行一次扫描，以纠正粗扫过程中的测量误差，得到最终的测量结果。被测点的法向量估计函数如下：

$\stackrel{\mathrm{\ρ}}{n}=\stackrel{\mathrm{\ρ}}{B}E\⊗\stackrel{\mathrm{\ρ}}{C}D$

实现点云数据三维显示的步骤：

a)获取测头深度数据d；

b)根据测头与机器人腕部的坐标变换矩阵A和机器人的腕部位姿矩阵B得到被测点相对于机器人基座的坐标；

c)利用基于OpenGL的三维引擎实现点云的三维绘制。

由于所有测量点的坐标都是基于机器人基座的，所以对待测工件的各面进行测量时测量数据可实现无缝弥合，不需要点云的配准和融合，有效地提高了测量精度。

本发明所达到的有益效果是：本发明利用并行机器人控制的灵活性及定位的精确性实现了快速高效的无盲点三维表面扫描，使得整个系统具有灵活性、开发性、适应性、多功能性和集成度高的特点。由于该系统具有极强的环境适应能力和抗噪声能力，使得可以在工业现场使用。系统以灵活主动及自动化的检测模式打破现有的被动的或手动的检测模式，以此实现逆向工程实时化。取得通过实现检测过程全自动化推动加工设计自动化、加工质量监测自动化和贵重工件修复自动化的结果。作为一种新型的在检测装备，该系统将在庞大的国际国内市场上具有强大的竞争力。该装备将推动制造业自动化的发展。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的C型测量仪右视图。

图3是本发明的C型测量仪左视图。

图4是本发明的扫描结果图。

图5是本发明的扫描结果图。

具体实施方式

下面结合前述的操作步骤说明最佳实施实例如下：

激光测头1为非接触式双目激光测头，激光光源采用650nm半导体激光器一台，线型激光束宽度小于1mm，CCD信号采集系统采用成一定夹角的两路CCD摄象头，CCD信号采集系统的CCD摄象头与其支架之间采用可以调整CCD摄象头的俯仰角与转向角的连接接头。高精度圆弧型滑轨和滑块固定于全息扫描仪2的C型测量臂上，支撑激光测头1的支架垂直固定在滑块上，使线型激光束通过圆弧型滑轨圆心和全息扫描仪2的升降转台的中心轴线。滑块可以相对于圆弧型滑轨圆心作精确的圆弧运动。固定在滑块上的支架由U型架、减速步进电机、减速箱和编码器组成，减速步进电机通过减速箱里的涡轮涡杆驱动滑块沿滑轨运动，编码器记录激光测头1的空间位置，使得置于支架上的激光测头1可根据需要由主控计算机4控制沿圆弧轨迹实现精确定位。激光测头1的电缆置于全息扫描仪2的C型臂背面的拖链中，使得激光测头1不受电缆干扰平滑运动。全息扫描仪2的底座采用可展开式侧臂与可调水平的底脚，保证系统运行平稳，同时使得线型激光束处于竖直平面。全息扫描仪2的升降转台的台面为直径200mm，厚40mm的大理石，台面下面有两台减速步进电机和一台编码器，侧面装有光栅尺，编码器记录台面旋转角度，光栅尺记录台面高度，由主控计算机4控制两台减速步进电机驱动升降转台精确水平旋转和垂直升降。

Claims (5)

1.智能全息三维激光测量系统，其特征在于，

a.本系统由激光测头(1)、由C型测量臂和升降转台构成的全息测量仪(2)、控制器(3)和主控计算机(4)组成，其中激光测头(1)安装在全息测量仪(2)的C型测量臂上，通过通讯电缆与控制器(3)相连，控制器(3)通过网口与主控计算机(4)相连；

b.系统工作的步骤是：

①通过主控计算机(4)输入待测工件(5)的几何尺寸及扫描条件，

②由主控计算机(4)规划出扫描路径，

③全息测量仪(2)按照规划的路径运动，带动激光测头(1)完成扫描，扫描的点云数据实时显示在主控计算机(4)上，

④主控计算机(4)对扫描数据进行检定，并对扫描路径进行调整，在局部区域进行二次扫描，

⑤数据后处理。

2.根据权利要求1所述的智能全息三维激光测量系统，其特征在于，高精度圆弧型滑轨和滑块固定于全息扫描仪(2)的C型测量臂上，支撑激光测头(1)的支架垂直固定在滑块上，线型激光束通过圆弧型滑轨圆心和全息扫描仪(2)的升降转台的中心轴线；滑块相对于圆弧型滑轨圆心作精确的圆弧运动。

3.根据权利要求1所述的智能全息三维激光测量系统，其特征在于，C型测量臂通过减速步进电机驱动，通过齿轮齿条传动，减速步进电机通过减速箱里的涡轮涡杆驱动滑块沿滑轨运动，编码器记录激光测头(1)的空间位置，置于支架上的激光测头(1)由主控计算机(4)控制沿圆弧轨迹实现精确定位。

4.根据权利要求1所述的智能全息三维激光测量系统，其特征在于，全息扫描仪(2)的底座采用可展开式侧臂与可调水平的底脚。

5.根据权利要求1所述的智能全息三维激光测量系统，其特征在于，升降转台安放于C型滑轨的正下方，具有垂直升降和旋转两个自由度；待测工件安放在升降转台的平台上；台面为直径200mm，厚40mm的大理石，台面下面有两台减速步进电机和一台编码器，侧面装有光栅尺，编码器记录台面旋转角度，光栅尺记录台面高度，由主控计算机(4)控制两台减速步进电机驱动升降转台精确水平旋转和垂直升降。