CN2164018Y - 激光扫描曲面测量装置 - Google Patents

Abstract

激光扫描曲面测量装置属于曲面测量装置，解决 了相距、快速、连续测量并再现各种大小曲面。本实 用新型由装有μ形架上的悬空测量台，装在机架立 柱上的测量台上、下移动装置，装在μ形架前部左、 右两外侧面上部的测量台旋转装置，装在测量平板中 后部位置的行扫描装置，装在测量平板前半部的摄像 装置，由底座与立柱构成的机架，控制装置组成。本 实用新型能相距、快速、连续测量整个被测曲面的空 间坐标点阵，特别能测量比该装置大的曲面和人体的 柔软组织复杂曲面。

Description

本实用新型属于曲面测量装置。

由《测控技术》1993年第12卷第2期“CAT技术”介绍，可知三坐标测量机是一种三维几何量测量装置。其主要组成有测头、台面、导轨、和测比装置等。测头通常装有1～5个探针，探针端部为球形，以一定测量力碰触工件，进行测量。装有工件的台面和测头分别装在一组导轨上，三组导轨互相垂直，可作相对运动，因而测头相对台面上的工件可作三维运动。每一组导轨均有测比装置，目前多采用光栅，用以测三个坐标方向的位移量，即测头在机床坐标系中的三维坐标值。由于该装置三个方向的移动距离不可能超出它本身的结构尺寸，故该装置的局限性是不能测量比它本身大的曲面，且测量速度慢。另外，由于该装置要采用测头接触被测曲面，易造成被测曲面表面组织被挤压、划伤等，尤其是对象人体那样的复杂的柔软组织，根本无法用该装置来测量。

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种激光扫描曲面测量装置。该装置能够与各种大小的被测曲面，包括比它本身大得多的曲面，包括人体外表，相距、快速且连续测量出整个被测曲面的空间坐标点阵，并再现被测曲面。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：该测量装置主要由测量台、行扫描装置、测量台上下移动装置、测量台旋转装置、摄像装置、机架和控制装置组成。测量台上下移动装置安装在机架上的立柱上。测量台旋转装置安装在测量台上下移动装置中的u型架的前部左右两外侧面上部。测量台通过其测量平板前部左右对称侧面与夹紧耳环下端连接，其上部支撑在u型架上，悬空且处于u型架内，并与测量台旋转装置中的分度头连接且能绕支撑位置转动。扫描描装置通过连接件安装于测量台中测量平板上的中后部。摄像装置通过连接件安装于测量台上测量平板的前半部。机架由底座与立柱组成。控制装置中的微计算机通过软、硬接口电路与其它各受控部位发生联系。测量台由测量平板、其前部沿该板长度方向带刻度滑槽和曲轴式夹紧耳环组成。行扫描装置由激光管、45°反射镜机构、多棱镜、微型传动轴机构和步进电机组成。激光管布置在测量台上测量平板的后半部，多棱镜安装在微型传动轴机构中微型传动轴的上端，微型传动轴机构通过轴套、轴承、轴承盖及螺钉等垂直安装在测量平板中部紧近激光管前侧，上部垂直伸出，下部位于测量平板下方。步进电机安装在微型传动轴的下端。两个45°反射镜机构布置于测量平板上且分别位于激光管、多棱镜中心线上的同一侧，构成180°反射的光路。微型传动轴机构包括位于测量平板下方的步进电机，通过与连接套的内部连接的十字滑块联轴接，位于连接套内的该联轴接上依次装有十字滑块联轴接中间块，与多棱镜轴下端连接的十字滑块联轴接、卡圈，连接套下端与步进电机支撑板连接，其上端与下轴承盖、轴承套连接，轴承套的环状的凸线与测量平板固接，位于下轴承盖的轴上和上轴承盖的轴上各装有轴承，轴承之间装有内、外轴套，在轴的上端环状凸缘线上装在多棱镜，该镜上方轴上装在橡胶垫，螺母。行扫描装置中的45°反射镜机构由穿过且向上伸出测量平板并与螺母连接的螺钉，螺钉上部一周竖直装在45°反射镜。测量台上下移动装置，由丝杆螺母传动机构、移动块、u型架、锥齿轮传动机构、蜗轮蜗杆减速器和步进电机组成。丝杆螺母传动机构通过轴承、轴承盖安装在立柱内部，移动块与螺母连接，并套在立柱上，u型架与移动块固连，大锥齿轮安装在立柱内的丝杆底部的光轴上，小锥齿轮安装在立柱内与大锥齿轮啮合，其轴与蜗轮蜗杆的输出轴相连，步进电机与蜗轮蜗杆的输入轴相连。测量平台旋转装置由与夹紧耳环、右端连接的分度头和步进电机组成。分度头安装在u型架右外侧并与测量台右端的夹紧耳环连接，步进电机与分度头的输入轴相连。摄像装置由摄像机，分度盘和丝杆螺母调整机构等组成。摄像机垂直地且左右对称地布置在测量平板上的分度盘上端，分度盘安装在贯穿测量平板的轴上并能绕该轴转动，该轴贯穿测量平板后与丝杆螺母调整机构相连。摄像装置中的分度盘机构包括装在轴上，且置于测量平板上的分度盘，分度盘上的转盘，转盘的紧定螺钉，装在转盘上的摄像机，装在测量平板下方的垫片和与轴连接的固定螺毒。丝杆螺母调速机构，由两根分别装于摄像机所对测量平板的刻度滑槽下方且与其同向的丝杆，与丝杆连接的分度盘的轴端螺母，支撑螺杆端部，且装在测量平板下方中部的耳环，分别与每根丝杆左、右两端连接且支撑在底板上的调整手柄组成。丝杆螺母调整机构安装在测量平板下方，与上述轴连接，且能使摄像装置在刻度滑槽内滑动。机架由底座和立柱等组成。立柱固定在底座上。控制装置由微计算机、软硬件接口控制线路等组成。

本实用新型能测量各种大小的曲面，尤其能测量比它本身大得多的曲面。设两个摄像机镜头间距为L，镜头焦距为f，被测曲面离两个摄像机镜头连线的距离为h，测量曲面的倍率为n（即被测曲面范围与该装置本身尺寸范围的比值为n），则参数L、f、h与测量曲面倍率n的关系由实验得表1所示。

表1 （单位：mm）

fhn（倍）L

10

15

20

1000

1100

1800

1300

1400

2200

1600

1700

1800

200

0～2.5

0～2.8

0～4.7

0～2.3

0～2.5

0～4.0

0～2.2

0～2.3

0～2.4

300

0～2.4

0～2.6

0～4.6

0～2.2

0～2.4

0～3.9

0～2.1

0～2.3

0～2.4

400

0～2.3

0～2.5

0～4.5

0～2.2

0～2.4

0～3.9

0～2.1

0～2.2

0～2.4

本实用新型具有快速测量的特点。其实用新型的测速大于250点／秒，当测量点设置为1×1mm²时，对于500×500mm²的曲面仅需10多分钟即可测完。

本实用新型既克服了接触测量的不足又拓宽了测量范围。由于本衫新型利用激光扫描被测曲面，属相距测量，而相距测量能克服接触测量要挤压划伤被测面表面组织等局限性。同时也可以测量象人体外表这种柔软组织的复杂曲面，故又扩大了被测对象的范围。

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为图2中的A－A剖面图；

图4为图2中的B－B剖面放大图；

图5为图1中的C－C剖面放大图；

图6为图2中的D－D剖面放大图；

图7为图2中的E－E剖面放大图；

图8为图2中F向视图；

图9为图8中的G－G剖面图；

图10为数据采集及控制电路图；

图11为控制系统逻辑框图。

在图1～9中，1－底座，2－步进电机，3－蜗轮蜗杆减速器，4－测量平板，5－丝杆调整机构，6－分度头，7－步进电机，8－激光管固定机构，9－多棱镜，10－立柱，11－激光管，12－摄像机，13－紧定螺钉，14－夹紧耳环，15－u型架，16－分度盘，17－移动块，18－步进电机，19－固定螺钉，20－锥齿轮副，21－45°反射镜，22－带刻度滑槽，23－锥销，24－锥销，25－小锥齿轮轴，26－轴承盖，27－螺母，28－丝杆，29－轴承，30－轴承盖，31－定位圈，32－轴承，33－轴承，34－轴承盖，35－步进电机轴，36－键 37－连接套，38－锥销，39－轴承盖，40－轴承，41－螺母，42－轴承盖，43－橡胶垫，44－多棱镜轴，45－螺母，46－轴套，47－轴承套，48－轴承档套，49－卡圈，50－十字滑块联轴接与多棱镜轴联接部分，51－十字滑块联轴接中间块，52－十字滑块联轴接与步进电机轴相联部分，53－调整丝杆，54－耳环，55－固定螺母，56－垫片，57－轴，58－转盘，59－螺钉，60－螺母。

本实用新型的测量台由测量平板［4］、带刻度滑槽［22］和夹紧耳环［14］组成。［22］通过在［4］上直接精密刻度及铣槽所形成。［14］通过螺钉固定在［4］的左右两侧。

行扫描装置由激光管［11］、多棱镜［9］、45°反射镜［21］、步进电机［18］和徽型传动轴机构组成。本实用新型中，［11］选用的是GJHS－4型的He－Ne激光器，还可选用其它型号的He－Ne激光器或红外激光器等；［9］选用的是8面体多棱镜，还可选用6面、12面体等各种不同面数的多棱镜；［18］选用的是200BF001型步进电机，还可选用150BF002型、150BF003型等各种不同型号而满足步距要求的步进机。［11］通过激光管固定机构［8］固定在［4］上。［9］安装在微型传动轴机构的轴［44］上。［21］粘接在螺钉［59］上，而［59］又经［60］固定在［4］上。［18］安装在［44］上。微型传动轴机构由轴［44］、轴承［40］和［41］、轴承盖［39］和［42］组成。［9］由橡胶垫［43］和螺母［45］固定在［44］上。［44］由［39］、［40］、［41］、［42］、轴套［46］、轴承套［47］和轴承档套［48］固定在［4］上。［18］通过其轴［35］、键［36］、十字滑块边轴接［50］、［51］和［52］、锥销［38］、连接套［37］及卡圈［49］，与［44］连接。

测量台上下移动装置由丝杆［28］、螺母［27］、移动块［17］、u型架［15］、蜗轮蜗杆减速器［3］、步进电机［2］和锥齿轮传动机构组成。本实用新型中，［3］选用的是WD52。5型、传动比为30的蜗轮蜗杆减速器，还可选用类似的WD系列、WX系列、WCJ系列等各种传动比的蜗轮蜗杆减速器；［2］选用的是90BF003型步进电机，还可选用90BF004型、110BF003型等其它各种不同系列的步进电机。通过轴承盖［30］、［34］和轴承［29］、［32］、［33］，将［28］定位于［10］内腔。［10］通过螺栓固定于底座［1］是。［27］安装在［28］上，并通过［10］上滑槽与［17］和定位圈［31］相连。［31］经螺栓与［17］固连。［17］安装在［10］上。［15］由固定螺钉［19］固连在［17］上。［2］安装在［3］的输入端。［3］的输出端与小锥齿轮轴［25］连接。锥齿轮传动机构由锥齿轮副［20］、锥乐［23］、［24］组成。大锥齿轮经［23］固定在［28］上。小锥齿轮经［24］安装在［25］上。［25］经锥齿轮副［20］及轴承盖［26］定位于［10］腔内。

测量台旋转装置由分度头［6］和步进电机［7］组成。［6］安装在［15］上。［7］与［6］的输入端相加。［4］安装在［15］上。本实用新型中，［6］选用的是FW80型万能分度头，还可选用FW100型等其它型号且又满足分度要求的分度头；［7］选用的是110BF004型步进电机，还可选用110BF003型等其它型号且满足步距角要求的步进电机。

摄像装置由摄像机［12］、分度盘［16］和丝杆调整机械［5］组成。本实用新型中，［12］选用的是线阵CCD摄像机，还可选用面阵CCD摄像机、全息摄像机等各种类似摄像机。［12］经螺栓固定于转盘［58］上。［58］安装于轴［57］上，并通过紧定螺钉［13］锁紧。［16］安装在［58］与［4］之间。［57］经固定螺母［55］、垫片［56］定位于［4］上滑槽［22］中。调整丝杆［53］经耳环［54］及螺栓固定于［4］上。

控制装置由微计算机及软、硬件接口线路组成。本实用新型中，微计算机选用的是80286机，还可选用单片机，或单板机或PC机或长城机或80386或80486机等。本实用新型中，用到的步进电机是“常州电机电器总厂”生产的；用到的分度头是“烟台机床附件厂”生产的；线阵CCD摄像机是“机电部44所”的生产的；8面多体棱镜是“308报”生产的；激光器是“成都温度表厂”生产的；80286机是在“时代电脑公司”购置的。

Claims (5)

1、一种激光扫描曲面测量装置，其特征在于该装置包括装在u型架内，通过夹紧耳环下端与测量平板前部左、右对称的侧面连接，其上部支撑在u型架上，并与分度头连接而绕支撑位置转动的悬空的测量台，装在机架立柱上的测量台上、下、移动装置，装在测量台上、下移动装置中的u型架前部左、右两处测面上部的测量台旋转装置，通过连接件装于测量平板的中后部位置的行扫描装置，通过连接件装于测量平板前半部的摄像装置，由底座与立柱组成的机架，控制装置；所述测量台由测量平板，其前部沿该板长度方向的刻度滑槽和曲轴式夹紧耳环组成；其测量台上、下移动装置主要由步进电机，与此连接的蜗轮蜗杆减速器，与该减速器连接，装在立柱内的丝杆底部上的锥齿轮传动机构，用轴承支撑在立柱内及轴承盖上的丝杆螺母传动机构，与移动块固定连接的u型架，装在丝杆螺母上，并套在立柱上的移动块及固定在滑动块上，且位于移动块下的定位圈组成；其测量台旋转装置由与夹紧耳环右端连接的分度头和与其连接的步进电机组成；其行扫描装置由固定在测量平板后半部的激光器，装在测量平板上，且分别位于激光管、多棱镜中心线上的同一侧，构成180°反射光路的两个45°反射镜机构，位于测量平板中部，紧近激光管前侧，上部垂直伸出，下部位于测量平板下方，通过步进电机传动的微型传动轴机构，装在微型传动轴上端，且使激光管、摄影机的水平中心线处于同一平面内的多棱镜组成，其摄像装置由垂直地装在测量平板上的分度盘机构上端，且左、右对称布置的摄像机，装在轴上、且能绕轴转动的分度盘，位于测量平板下方，与该轴连接，使摄像装置在刻度滑槽内滑动的丝杆螺母调整机构组成。

2、根据权利要求1所述的激光扫描曲面测量装置，其特征在于微型传动轴机构包括位于测量平板下方的步进电机，通过轴与连接套的内部连接的十字滑块联轴接，位于连接套内的该联轴接上依次装有十字滑块联轴接中间块，与多棱镜轴下端连接的十字滑块联轴接、卡圈，连接套下端与步进电机支撑板连接，其上端与下轴承盖、轴承套连接，轴承套的环状的凸线与测量平板固接，位于下轴承盖的轴上和上轴承盖的轴上各装有轴承，轴承之间装有内、外轴套，在轴的上端环状凸缘线上装有多棱镜，该镜上方轴上装有橡胶垫，螺母。

3、根据权利要求1所述的激光扫描曲面测量装置，其特征在于摄像装置的丝杆螺母调整机构，由两根分别装于摄像机所对测量平板的刻度滑槽下方且与其同向的丝杆，与丝杆连接的分度盘的轴端螺母，支撑螺杆端部，且装在测量平板下方中部的耳环，分别与每根丝杆左、右两端连接且支撑在底板上的调整手柄组成。

4、根据权利要求1所述的激光扫描曲面测量装置，其特征在于摄像装置中的分度盘机构包括装在轴上，且置于测量平板上的分度盘，分度盘上的转盘，转盘的紧定螺钉，装在转盘上的摄像机，装在测量平板下方的垫片和与轴连接的固定螺母。

5、根据权利要求1所述的激光扫描曲面测量装置，其特征在于行描描装置中的45°反射镜机构由穿过且向上伸出测量平板，并与螺母连接的螺钉，螺钉上部一周竖直装在45°反射镜。

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