CN205505992U - 三维表面激光线扫描非接触测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的三维表面激光线扫描非接触测量系统，包括前扫描装置、驱动进给机构及后扫描装置，前扫描装置、驱动进给机构及后扫描装置均与计算机连接；前扫描装置设于前光路安装梁上，驱动进给机构设于引导支撑单元上，后扫描装置设于后光路安装梁上；前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁呈平行设置，前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁的左端均固定于左安装座上，前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁的右端均固定于右安装座上。本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统使线激光三维表面测量能进行光路的自标定且无须任何的投射光编码与像点匹配，可降低数据的运算量及简化测量系统。

Description

三维表面激光线扫描非接触测量系统

技术领域

本实用新型属于光学测量系统技术领域，具体涉及一种三维表面激光线扫描非接触测量系统。

背景技术

在各类光学非接触测量中，用光学三角法对三维表面进行测量是其中的一个重要分支，一般可按投射光的扫描方式分为点扫描、线扫描和面扫描。

由于点扫描方式是向被测表面投射光点，用光学三角法一次只能求取一个空间点的坐标，要完成一个三维表面的测量，必须借助精密的机械进给装置反复进行移动测量，受机械进给速度的影响，点扫描的测量速度较慢，但其光路系统却非常可靠、准确和简单，能满足绝大多数静态表面的三维测量，并且市面上有许多技术成熟、品质优良的产品可供选择。

线扫描方式是每次向被测表面投射一条光线；而面扫描方式则是每次向被测表面投射一个光面。线扫描与面扫描一次光投射能求出多个被测点的空间坐标，但本质上仍然是按光学三角法进行逐点计算，只是光投射与影拍照的次数大幅减少，由于一次要求出多个被测点的空间坐标，必须已知每个点的对应关系和光路参数才能正确进行计算，为了能准确识别每个对应点，应用中须对投射光实施编码以形成结构光，测量前要准确标定光路系统的结构参数，以便计算各被测点的空间坐标。线扫描与面扫描方式要面临相似的问题，只是线扫描方式的结构光与光路标定相对简单，自然被测表面的扫描速度也慢。

在面结构光三维测量中，用所拍摄的一幅或几幅图像，经运算来确定被测表面上各点的空间坐标，虽然拍摄时间很短，但数据的处理量却极为惊人，必须解决的问题有：(1)系统标定：由于空间坐标的测量精度与投影仪和数码相机的内外部结构参数及相互位置关系极为密切，常要求由专业人员对系统进行认真、准确的标定，以确保系统具备足够的精度；(2)被测点与像点的准确匹配：由于一次面扫描含有许多的被测点，为了能准确识别其中的每个点，人们已开发出各类光编码方案和像解码算法，这要求投影仪有强大的光编码能力和处理器有强大的数据运算能力。

在实践中，面结构光扫描的三维测量设备常表现为精密、昂贵和必须认真标定，所以有必要研发一款标定容易、无须像点匹配且运算简单的三维表面非接触测量系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三维表面激光线扫描非接触测量系统，将线激光的投射光切面取为数码相机的物平面实现了用像点直接求取对应的被测点空间坐标，用在投射光切面内设置矩形标定标记的方法来实现数码相机的调平行、对焦和缩放系数求取，使线激光三维表面测量能进行光路的自标定，且无须任何的投射光编码与像点匹配，可降低数据的运算量及简化测量系统。

本实用新型所采用的技术方案是，三维表面激光线扫描非接触测量系统，包括有自前向后依次设置的前扫描装置、驱动进给机构及后扫描装置，前扫描装置、驱动进给机构及后扫描装置均与计算机连接；前扫描装置设置于前光路安装梁上，驱动进给机构设置于引导支撑单元上，后扫描装置设置于后光路安装梁上；前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁在同一平 面内呈平行设置，且前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁的左端均固定于左安装座上，前光路安装梁、引导支撑单元及后光路安装梁的右端均固定于右安装座上。

本实用新型的特点还在于：

前扫描装置，包括有与前光路安装梁垂直连接的自标定板a和数码相机a，自标定板a上设置有线激光投射器a，线激光投射器a上设置有激光投射窗a；数码相机a通过数据控制线与计算机连接，数码相机a的下部连接有转动调节盘a，转动调节盘a通过移动调节块a与前光路安装梁连接，转动调节盘a与移动调节块a组成转动副，移动调节块a与前光路安装梁组成移动副。

自标定板a的一面标记有矩定标记a，自标定板a的一侧边中部设置有固定夹a，线激光投射器a夹持于固定夹a内，自标定板a的底边中部设置有固定槽a，自标定板a通过固定槽a固定于前光路安装梁上，使自标定板a上标记有矩定标记a的一面面向数码相机a，且线激光投射器a面向并靠近驱动进给机构。

后扫描装置，包括有与后光路安装梁垂直连接的自标定板b和数码相机b，自标定板b上设置有线激光投射器b，线激光投射器b上设置有激光投射窗b；数码相机b通过数据控制线与计算机连接，数码相机b下部连接有转动调节盘b，转动调节盘b通过移动调节块b与后光路安装梁连接，转动调节盘b与移动调节块b组成转动副，移动调节块b与后光路安装梁组成移动副。

自标定板b的一面标记有矩定标记b，自标定板b的一侧边中部设置有固定夹b，线激光投射器b夹持于固定夹b内，自标定板b的底边中部设置 有固定槽b，自标定板b通过固定槽b固定于后光路安装梁上，使自标定板b上标记有矩定标记b的一面面向数码相机b，且线激光投射器b面向并靠近驱动进给机构。

引导支撑单元由在同一平面内平行设置的两根引导支撑梁组成，每根引导支撑梁的两端分别与左安装座、右安装座固接；驱动进给机构架设于两根引导支撑梁之间。

驱动进给机构，包括有架设于两根引导支撑梁之间移动进给平台以及齿形带传动机构，齿形带传动机构平行于两根引导支撑梁；移动进给平台，包括有水平设置的进给台板，进给台板底部中央设置有齿形带连接器，进给台板通过齿形带连接器与齿形带传动机构连接，进给台板底部的两端各设置一个移动套筒，两个移动套筒的中轴线均与齿形带连接器平行，两个移动套筒分别与两根引导支撑梁相接，在每根引导支撑梁形成一个移动副，使进给台板能沿两根引导支撑梁左右移动；齿形带传动机构，包括有齿形带、从动齿形带轮和主动齿形带轮，齿形带张紧在从动齿形带轮和主动齿形带轮之间，并与齿形带连接器固接，从动齿形带轮设置于一个固定座内，主动齿形带轮设置于另一个固定座内，两个固定座分别固定于左安装座和右安装座上，从动齿形带轮通过传动轴与电机连接，主动齿形带轮通过另一传动轴与另一电机连接，两个电机均通过经数据控制线与计算机连接。

进给台板为矩形板。

电机采用精密步进电机。

本实用新型的有益效果是，

(1)本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，将线激光的投射光切面取为数码相机的物平面，由于数码相机的像平面与投射光的光切面 平行，正确对焦后，投射光在被测表面上的影像与数码相机在其像平面内所成的像之间完全相似，即被测表面的影像坐标值与像平面上像点的像素值之间仅存在一个缩放系数，当缩放系数已知时，用像点的像素值能直接求取对应点的坐标值，同现有的结构光扫描算法相比：既没有复杂的影响因素，也无须进行大量的几何关系运算，所以被测点的坐标求取简单、准确。

(2)本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，在投影光切面内设置了矩形的标定标记，允许在每次扫描测量前，用该矩形标记进行数码相机与投影光切面的准确对焦，并能将投影光切面与数码相机像平面调平行，且由矩形标记的实际尺寸和成像的像素值求出成像系统的缩放系数，即每个像素点所代表的实际长度值(mm/pixel)，同现有的结构光扫描系统相比：既没有求取数码相机内外部结构参数的复杂操作，也无须设定基准平面和使用专门的标定工具，所以使用与操作方便。

(3)本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，在扫描时可以是扫描系统相对于被测表面匀速移动，也可以是被测表面相对于扫描系统匀速移动，对被测表面的方位没有特殊要求，仅须线扫描激光能在被测表面上正确投射和被测表面能在数码相机内正确成像，使该扫描系统具备了良好的环境适应能力。

(4)本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，采用两台扫描设备分别从被测体的相对两面同步扫描，由于扫描相当于三维测量中的一维，为了避免三维数据间的相互耦合，建议匀速移动方向应与数码相机光轴平行，当两台扫描设备分别从被测体的相对两面同步扫描时，三维表面的拼合可简化为在投影光切面内的二维曲线拼合，能大幅降低数据运算量和三维表面实现拼合的难度。

(5)本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，采用普通的线激光投射器，所产生的投射光未进行任何编码，由于激光器在被测表面产生的投影在很大范围内精细、稳定，能确保扫描测量过程中数码相机所拍摄的图像质量，同面扫描使用的投影仪相比：没有投射光发散对测量精度的影响，所以测量精度相对较高。

附图说明

图1是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统的俯视图；

图2是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内前扫描装置的结构示意图；

图3是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内自标定板a的结构示意图；

图4是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内后扫描装置的结构示意图；

图5是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内自标定板b的结构示意图；

图6是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内驱动进给机构的结构示意图；

图7是本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统内移动进给平台的结构示意图。

图中，1.前扫描装置，2.后扫描装置，3.驱动进给机构，4.左安装座，5.右安装座，6.前光路安装梁，7.计算机，8.线激光投射器a，9.自标定板a，10.数码相机a，11.后光路安装梁，12.移动调节块a，13.转动调节盘a，14.激光投射窗a，15.固定座，16.从动齿形带轮，17.主动齿形带轮，18.齿形带， 19.移动进给平台，20.引导支撑梁，21.电机，22.固定槽a，23.固定夹a，24.矩定标记a，25.进给台板，26.齿形带连接器，27.移动套筒，28.线激光投射器b，29.自标定板b，30.数码相机b，31.移动调节块b，32.转动调节盘b，33.激光投射窗b，34.固定槽b，35.固定夹b，36.矩定标记b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，如图1所示，包括有自前向后依次设置的前扫描装置1、驱动进给机构3及后扫描装置2，前扫描装置1、驱动进给机构3及后扫描装置2均与计算机7连接；前扫描装置1设置于前光路安装梁6上，驱动进给机构3设置于引导支撑单元上，后扫描装置2设置于后光路安装梁11上；前光路安装梁6、引导支撑单元及后光路安装梁11在同一平面内呈平行设置，且前光路安装梁6、引导支撑单元及后光路安装梁11的左端均固定于左安装座4上，前光路安装梁6、引导支撑单元及后光路安装梁11的右端均固定于右安装座5上。

前扫描装置1，其结构如图1及图2所示，包括有与前光路安装梁6垂直连接的自标定板a9和数码相机a10，自标定板a9上设置有线激光投射器a8，线激光投射器a8上设置有激光投射窗a14；数码相机a10通过数据控制线与计算机7连接，数码相机a10的下部连接有转动调节盘a13，转动调节盘a13通过移动调节块a12与前光路安装梁6连接，转动调节盘a13与移动调节块a12组成转动副，移动调节块a12与前光路安装梁6组成移动副。

如图3所示，自标定板a9的一面标记有矩定标记a24，自标定板a9的一侧边中部设置有固定夹a23，线激光投射器a8夹持于固定夹a23内，自标定板a9的底边中部设置有固定槽a22，自标定板a9通过固定槽a22固定于 前光路安装梁6上，使自标定板a9上标记有矩定标记a24的一面面向数码相机a10，且线激光投射器a8面向并靠近驱动进给机构3。

后扫描装置2与前扫描装置1的结构相同，如图1及图4所示，包括有与后光路安装梁11垂直连接的自标定板b29和数码相机b30，自标定板b29上设置有线激光投射器b28，线激光投射器b28上设置有激光投射窗b33；数码相机b30通过数据控制线与计算机7连接，数码相机b30下部连接有转动调节盘b32，转动调节盘b32通过移动调节块b31与后光路安装梁11连接，转动调节盘b32与移动调节块b31组成转动副，移动调节块b31与后光路安装梁11组成移动副。

如图5所示，自标定板b29的一面标记有矩定标记b36，自标定板b29的一侧边中部设置有固定夹b35，线激光投射器b28夹持于固定夹b35内，自标定板b29的底边中部设置有固定槽b34，自标定板b29通过固定槽b34固定于后光路安装梁11上，使自标定板b29上标记有矩定标记b26的一面面向数码相机b30，且线激光投射器b28面向并靠近驱动进给机构3。

如图1及图6所示，引导支撑单元由在同一平面内平行设置的两根引导支撑梁20组成，每根引导支撑梁20的两端分别与左安装座4、右安装座5固接；驱动进给机构3架设于两根引导支撑梁20之间。

驱动进给机构3，如图1及图6所示，包括有架设于两根引导支撑梁20之间移动进给平台19以及齿形带传动机构，齿形带传动机构平行于两根引导支撑梁20；移动进给平台19，如图7所示，包括有水平设置的进给台板25，进给台板25底部中央设置有齿形带连接器26，进给台板25通过齿形带连接器26与齿形带传动机构连接，进给台板25底部的两端各设置一个移动套筒27，两个移动套筒27的中轴线均与齿形带连接器26平行，两个移动套 筒27分别与两根引导支撑梁20相接，在每根引导支撑梁20形成一个移动副，使进给台板25能沿两根引导支撑梁20左右移动；齿形带传动机构，包括有齿形带18、从动齿形带轮16和主动齿形带轮17，齿形带18张紧在从动齿形带轮16和主动齿形带轮17之间，并与齿形带连接器26固接，从动齿形带轮16设置于一个固定座15内，主动齿形带轮17设置于另一个固定座15内，两个固定座15分别固定于左安装座4和右安装座5上，从动齿形带轮16通过传动轴与电机21连接，主动齿形带轮17通过另一传动轴与另一电机21连接，两个电机21均通过经数据控制线与计算机7连接。

进给台板25为矩形板；电机21采用精密步进电机。

本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统中主要部件的安装要求具体如下：

前扫描装置1的安装要求：

(1)前光路安装梁6必须与自标定板a9垂直；

(2)线激光投射器a8从激光投射窗a14发出的激光必须在自标定板a9所在的平面内；

(3)必须用转动调节盘a13和移动调节块a12对数码相机a10进行认真调节，确保数码相机a10的像平面与自标定板a9平行，并且投射线激光能在数码相机a10中清晰成像应，同时给出数码相机a10的缩放系数。

后扫描装置2的安装要求：

(1)前光路安装梁28必须与自标定板b29垂直；

(2)线激光投射器b28从激光投射窗b33发出的激光必须在自标定板b29所在的平面内；

(3)必须用转动调节盘b32和移动调节块b31对数码相机b30进行认 真调节，确保数码相机b30的像平面与自标定板b29平行，并且投射线激光能在数码相机b30中清晰成像应，同时给出数码相机b30的缩放系数。

驱动进给机构3的安装要求：

(1)两根引导支撑梁20应相互平行且位于同一水平面内；

(2)引导支撑梁20与移动套筒27的配合精度应尽可能高；

(3)齿形带传动机构必须水平布置且齿形带18的上边应与引导支撑梁20平行。

本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，其具体工作流程如下：

将被测表面摆放在驱动进给机构3中的移动进给平台19上，调整前扫描装置1和后扫描装置2，使前扫描装置1内的自标定板a和后扫描装置2的自标定板b29在同一平面内，向被测表面投射的线激光能在数码相机a10和数码相机b30中清晰成像，运行计算机7中的控制程序，驱动进给机构3便能让被测表面匀速直线移动，前扫描装置1中的数码相机a10与后扫描装置2中的数码相机b30便能对被测表面进行同步拍摄扫描，传送至计算机7内后，由计算机7对图像数据处理，之后便能再现被测表面的空间结构。

本实用新型三维表面激光线扫描非接触测量系统，将线激光的投射光切面取为数码相机的物平面实现了用像点直接求取对应的被测点空间坐标，用在投射光切面内设置矩形标定标记的方法来实现数码相机的调平行、对焦和缩放系数求取，使线激光三维表面测量能进行光路的自标定，且无须任何的投射光编码与像点匹配，可降低数据的运算量及简化测量系统。

Claims (9)

1.三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，包括有自前向后依次设置的前扫描装置(1)、驱动进给机构(3)及后扫描装置(2)，前扫描装置(1)、驱动进给机构(3)及后扫描装置(2)均与计算机(7)连接；所述前扫描装置(1)设置于前光路安装梁(6)上，驱动进给机构(3)设置于引导支撑单元上，所述后扫描装置(2)设置于后光路安装梁(11)上；所述前光路安装梁(6)、引导支撑单元及后光路安装梁(11)在同一平面内呈平行设置，且前光路安装梁(6)、引导支撑单元及后光路安装梁(11)的左端均固定于左安装座(4)上，前光路安装梁(6)、引导支撑单元及后光路安装梁(11)的右端均固定于右安装座(5)上。

2.根据权利要求1所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述前扫描装置(1)，包括有与前光路安装梁(6)垂直连接的自标定板a(9)和数码相机a(10)，所述自标定板a(9)上设置有线激光投射器a(8)，所述线激光投射器a(8)上设置有激光投射窗a(14)；

所述数码相机a(10)通过数据控制线与计算机(7)连接，所述数码相机a(10)的下部连接有转动调节盘a(13)，所述转动调节盘a(13)通过移动调节块a(12)与前光路安装梁(6)连接，所述转动调节盘a(13)与移动调节块a(12)组成转动副，所述移动调节块a(12)与前光路安装梁（6）组成移动副。

3.根据权利要求2所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述自标定板a(9)的一面标记有矩定标记a(24)，所述自标定板a(9)的一侧边中部设置有固定夹a(23)，所述线激光投射器a(8)夹持于固定夹a(23)内，所述自标定板a(9)的底边中部设置有固定槽a(22)， 所述自标定板a(9)通过固定槽a(22)固定于前光路安装梁(6)上，使自标定板a(9)上标记有矩定标记a(24)的一面面向数码相机a(10)，且线激光投射器a(8)面向并靠近驱动进给机构（3）。

4.根据权利要求1所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述后扫描装置(2)，包括有与后光路安装梁(11)垂直连接的自标定板b(29)和数码相机b(30)，所述自标定板b(29)上设置有线激光投射器b(28)，所述线激光投射器b(28)上设置有激光投射窗b(33)；

所述数码相机b(30)通过数据控制线与计算机(7)连接，所述数码相机b(30)下部连接有转动调节盘b(32)，所述转动调节盘b(32)通过移动调节块b(31)与后光路安装梁(11)连接，所述转动调节盘b(32)与移动调节块b(31)组成转动副，所述移动调节块b(31)与后光路安装梁(11)组成移动副。

5.根据权利要求4所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述自标定板b(29)的一面标记有矩定标记b(36)，所述自标定板b(29)的一侧边中部设置有固定夹b(35)，所述线激光投射器b(28)夹持于固定夹b(35)内，所述自标定板b(29)的底边中部设置有固定槽b(34)，所述自标定板b(29)通过固定槽b(34)固定于后光路安装梁(11)上，使自标定板b(29)上标记有矩定标记b(26)的一面面向数码相机b(30)，且线激光投射器b(28)面向并靠近驱动进给机构（3）。

6.根据权利要求1所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述引导支撑单元由在同一平面内平行设置的两根引导支撑梁(20)组成，每根所述引导支撑梁(20)的两端分别与左安装座(4)、右安装座(5)固接；所述驱动进给机构(3)架设于两根引导支撑梁(20)之间。

7.根据权利要求1或6所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述驱动进给机构(3)，包括有架设于两根引导支撑梁(20)之间移动进给平台(19)以及齿形带传动机构，所述齿形带传动机构平行于两根引导支撑梁(20)；

所述移动进给平台(19)，包括有水平设置的进给台板(25)，所述进给台板(25)底部中央设置有齿形带连接器(26)，所述进给台板(25)通过齿形带连接器(26)与齿形带传动机构连接，所述进给台板(25)底部的两端各设置一个移动套筒(27)，两个移动套筒(27)的中轴线均与齿形带连接器(26)平行，两个移动套筒(27)分别与两根引导支撑梁(20)相接，在每根引导支撑梁(20)形成一个移动副，使进给台板(25)能沿两根引导支撑梁(20)左右移动；

所述齿形带传动机构，包括有齿形带(18)、从动齿形带轮(16)和主动齿形带轮(17)，所述齿形带(18)张紧在从动齿形带轮(16)和主动齿形带轮(17)之间，并与所述齿形带连接器(26)固接，所述从动齿形带轮(16)设置于一个固定座(15)内，所述主动齿形带轮(17)设置于另一个固定座(15)内，两个固定座(15)分别固定于左安装座(4)和右安装座(5)上，所述从动齿形带轮(16)通过传动轴与电机(21)连接，所述主动齿形带轮(17)通过另一传动轴与另一电机(21)连接，两个电机(21)均通过经数据控制线与计算机(7)连接。

8.根据权利要求7所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述进给台板(25)为矩形板。

9.根据权利要求7所述的三维表面激光线扫描非接触测量系统，其特征在于，所述电机(21)采用精密步进电机。