CN212320647U - 一种圆环形物体旋转扫描设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种圆环形物体旋转扫描设备，包括机身，机身上设置有立柱和工作平台，立柱上安装有升降机构，升降机构上安装有激光位移传感器，工作平台上设置有横向滑轨，横向滑轨上安装有活动底板，活动底板上安装有圆盘旋转平台，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。圆环形物体工件放置在圆盘旋转平台上，可由电机带动圆盘旋转平台旋转，为了方便调整工件的前后位置，圆盘旋转平台的位置可以在横向滑轨上前后滑动调整，激光位移传感器位于工件上方，通过升降机构，可以调整激光位移传感器距离工件的上下位置，保证圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方，扫描完整。

Description

一种圆环形物体旋转扫描设备

技术领域

本实用新型涉及一种圆环形物体旋转扫描设备。

背景技术

线扫描传感器在工业上有很多应用，如果被测量物体的尺寸过大，可以通过多个传感器或一个传感器多次扫描拼接来实现，但有一类应用是需要使用激光器扫描较大的圆环形物体。

为了方便扫描，要将圆环形物体工件旋转，激光位移传感器保持不动，只要旋转一周后，圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方。此时，激光位移传感器扫描得到的数据需要结合旋转的角度才能够进行3D重建，否则激光位移传感器获得的数据按照时间来排序得到的3D轮廓组，与产品本身的差异较大。

一般的激光位移传感器是保持在一个固定位的，这样就需要调整工件的上下位置或者左右位置，由于圆环形物体较大，手动调节不太精确，会影响扫描精度。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种方便调节位置的圆环形物体旋转扫描设备。

本实用新型提供如下技术方案：

一种圆环形物体旋转扫描设备，包括机身，所述机身上设置有立柱和工作平台，所述立柱上安装有升降机构，所述升降机构上安装有激光位移传感器，所述工作平台上设置有横向滑轨，所述横向滑轨上安装有活动底板，所述活动底板上安装有圆盘旋转平台，该圆盘旋转平台用于放置圆环形物体工件，激光位移传感器位于圆盘旋转平台上方，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。

在本实用新型中，所述升降机构包括固定板、竖直滑轨、升降电机、升降丝杆箱和滑动板，所述固定板固定在立柱上，所述固定板的侧边安装有竖直滑轨，所述固定板上安装有升降丝杆箱，所述升降丝杆箱顶部安装有升降电机，所述升降丝杆箱外安装有滑动板，所述滑动板沿着竖直滑轨上下滑动，激光位移传感器安装在滑动板上。

在本实用新型中，所述圆盘旋转平台下部连接转轴，所述转轴安置在轴承柱内，轴承柱底部安装在活动底板上。

在本实用新型中，该圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：圆环形物体工件放置在圆盘旋转平台上，可由电机带动圆盘旋转平台旋转，为了方便调整工件的前后位置，圆盘旋转平台的位置可以在横向滑轨上前后滑动调整，激光位移传感器用于扫描旋转的圆环形物体工件，激光位移传感器位于工件上方，通过升降机构，可以调整激光位移传感器距离工件的上下位置，保证圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方，扫描完整。通过这台设备对圆环形物体工件进行扫描和三维重建，保证精度。

附图说明

图1是圆环形物体扫描结构布局示意图。

图2为标准件圆环形物体工件的结构示意图。

图3为本实用新型圆环形物体旋转扫描设备立体图。

图4为图3的主视图。

图中：1、激光位移传感器，2、圆盘旋转平台，3、圆环形物体工件，4、轴承柱，5、升降电机，6、横向滑轨，7、立柱，8、滑动板，9、升降丝杆箱， 10、竖直滑轨，11、机身，12、工作平台，13、活动底板，14、固定板，15、转轴。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，圆环形物体工件3放置在圆盘旋转平台2上，激光位移传感器1位于圆环形物体工件3上方，圆盘旋转平台2带动圆环形物体工件3旋转，激光位移传感器1用于扫描旋转的圆环形物体工件3。

具体设备如图3和图4所示，一种圆环形物体旋转扫描设备，包括机身 11，机身11上设置有立柱7和工作平台12，立柱7上安装有升降机构，升降机构上安装有激光位移传感器1，工作平台12上设置有横向滑轨6，横向滑轨6上安装有活动底板13，活动底板13上安装有圆盘旋转平台2，该圆盘旋转平台2用于放置圆环形物体工件3，激光位移传感器1位于圆盘旋转平台2 上方，激光位移传感器1用于旋转扫描圆环形物体工件3。

升降机构包括固定板14、竖直滑轨10、升降电机5、升降丝杆箱9和滑动板8，固定板14固定在立柱7上，固定板14的侧边安装有竖直滑轨10，固定板14上安装有升降丝杆箱9，升降丝杆箱9顶部安装有升降电机5，所述升降丝杆箱9外安装有滑动板8，滑动板8沿着竖直滑轨10上下滑动，激光位移传感器1安装在滑动板8上。

圆盘旋转平台2下部连接转轴15，转轴15由电动(图示未标出)带动旋转，转轴15安置在轴承柱4内，轴承柱4底部安装在活动底板13上。

圆环形物体工件3放置在圆盘旋转平台2上，可由电机带动圆盘旋转平台2旋转，为了方便调整工件的前后位置，圆盘旋转平台2的位置可以在横向滑轨6上前后滑动调整，激光位移传感器1用于扫描旋转的圆环形物体工件3，激光位移传感器1位于工件上方，通过升降机构，可以调整激光位移传感器1距离工件的上下位置，保证圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方，扫描完整。

该圆环形物体工件3的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面。

为了对圆环形物体工件3进行完善的3D重建，首先需要对该扫描机构进行运动学建模。根据运动学模型，确定扫描机构的运动学参数。

对于该扫描系统，在旋转轴上建立设备坐标系0，其X轴是旋转轴0度所指的方向，向上的方向为Z轴，按照右手定则确定Y轴。假定激光位移传感器安装在X轴的方向上，此时激光位移传感器的X轴方向与系统的X轴方向一致。激光位移传感器的X轴的零点位置距离旋转轴的距离为R。此时，因激光器的安装等导致的误差会使得激光器存在3个自由度的转动。所以对于激光位移传感器获得的点P_L＝{X，0，Z}，其在设备坐标系0下的坐标点P_w为：

P_w＝MP_L，

此式即为该扫描机构的运动学模型。其中

M＝RotZ(A)Trans(R，0，0)RotX(dx)RotY(dy)RotZ(dz)，

其中A是旋转的角度，R是激光位移传感器X轴零点到旋转轴的距离，dx、 dy、dz是激光位移传感器的误差。这里的A是运动学模型的变量，R和dx、 dy、dz都是该运动学模型的参数。一旦机构安装完成该值基本保持不变。但是由于安装误差等因素，这些值和设计值不完全一致。这就需要通过运动学标定的方法获得这些值。

该圆环形物体工件(标准件)如图2所示，该标准件的工作面有三个，一个上平面、一个下平面，上平面和下平面之间是一个圆锥面。

视旋转平台的情况确定是否需要在标准件中间留孔。设计时需要保证激光位移传感器能够同时扫描到上工作面和下工作面。使用函数F来描述工作面，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足，

F(X，Y，Z)＝0,

空间中的另外一点Q{QX，QY，QZ}到标准件工作面的距离定义为

D＝D(F，QX，QY，QZ)，

标准件在设备坐标系0中有6个自由度，记标准件在设备坐标系中的矩阵为T，则：

T＝Trans(ΔX，ΔY，ΔZ)RotX(ax)RotY(ay)RotZ(az)，

在设备坐标系下的标准件工作面描述为TF，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足：

TF(X，Y，Z)＝0，

对于激光位移传感器获得的点P_L＝{X，0，Z}，根据运动模型得到的点 P_W{X_W，Y_W，Z_W}应该满足TF(X_W，Y_W，Z_W)＝0

或者满足距离为0的条件，即：

D＝D(TF，X_W，Y_W，Z_W)＝0

实际上由于安装误差和标准件放置时的不确定因素会使得上式并不等于零。

在上式中共含有R、dx、dy、dz四个运动学参数和ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az 这6个参数表示标准件在设备中的6个自由度。另外有三个自变量分别是角度A和P_L中的X坐标和Z坐标。记上式为

Fun(α，β，θ)＝0，

其中α＝{R，dx，dy，d_z}，β＝{ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az}，θ＝{A，X，Z}，

更进一步把α和β合并成一个变量，上式可以记作

Fun(ρ，θ)＝0，

如果ρ越准确，则上式左边就越接近0。为了获得比较准确的ρ，可以通过求解一个比较常见的最优化问题。即

求一个ρ使得sum((Fun(ρ，θ))²)最小。即：

这个最优化问题的一个常规解法是高斯牛顿法及其改进算法，这些算法往往需要一组初始值，这个初始值可以使用设计的安装位置来获得。比如β的初始值即为β₀＝{0，0，0，0，0，0}，

α的初始值为α₀＝{R，0，0，0}。对设备进行数据采集后设定好初始值后即可进行迭代运算，经过多次迭代后即可得到较为准确的ρ从中分离出前4个参数即为运动学模型中的α。获得运动学模型参数后，对后续的扫描只要使用该运动学模型对扫描获得的激光位移传感器的点，即可重建出旋转扫描的被测物体表面的3D数据。

使用激光位移传感器旋转扫描只能得到一个长条形的轮廓，且需要经过多次扫描，才能得到基本轮廓。激光位移传感器获得的数据得到的3D轮廓可以通过本实用新型的标定方法实现重建，重建后的数据与产品本身的一致，可以满足对测量精度的要求。

该方法标定采用标准件，结构简单，对标定用标准件的放置精度要求极低，通过4次转动现偏置圆盘旋转平台旋转中心的标定方法，针对环形物体的扫描能够大幅降低成本，能够只使用一个传感器，同时又只有一个运动自由度。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种圆环形物体旋转扫描设备，包括机身，其特征在于：所述机身上设置有立柱和工作平台，所述立柱上安装有升降机构，所述升降机构上安装有激光位移传感器，所述工作平台上设置有横向滑轨，所述横向滑轨上安装有活动底板，所述活动底板上安装有圆盘旋转平台，该圆盘旋转平台用于放置圆环形物体工件，激光位移传感器位于圆盘旋转平台上方，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。

2.根据权利要求1所述的一种圆环形物体旋转扫描设备，其特征在于：所述升降机构包括固定板、竖直滑轨、升降电机、升降丝杆箱和滑动板，所述固定板固定在立柱上，所述固定板的侧边安装有竖直滑轨，所述固定板上安装有升降丝杆箱，所述升降丝杆箱顶部安装有升降电机，所述升降丝杆箱外安装有滑动板，所述滑动板沿着竖直滑轨上下滑动，激光位移传感器安装在滑动板上。

3.根据权利要求1所述的一种圆环形物体旋转扫描设备，其特征在于：所述圆盘旋转平台下部连接转轴，所述转轴安置在轴承柱内，轴承柱底部安装在活动底板上。

4.根据权利要求1所述的一种圆环形物体旋转扫描设备，其特征在于：该圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面。