專利名稱：智能全息三維激光測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于先進制造技術領域。
背景技術：
目前情況下，制造加工企業(yè)大多習慣采用三維坐標測量機來進行加工表面檢測及離線加工質量評估，但由于這種檢測裝備體積龐大，價格昂貴，工作條件苛刻，檢測過程繁瑣費時費力，而且不能在加工現(xiàn)場使用，只能用于離線質量抽檢，在加工現(xiàn)場仍然使用著傳統(tǒng)落后的人工檢測模式。為了解決這一問題，一些企業(yè)多次與國內有關研究部門及大學探討盡早解決這一問題。但由于該類課題綜合性強，涉及機械、控制、測量技術、數據處理、計算機軟硬件和光學領域，一直沒有找到合理的解決方案。
圍繞數字化三維掃描及模型構建這一逆向工程主題，近十年來，一些相似的掃描裝備陸續(xù)涌現(xiàn)，這些裝備具有以三坐標機為檢測實現(xiàn)方式的共同點，由于結構上的局限性，檢測盲區(qū)是該類裝備的共同問題。毫無疑問，這嚴重阻礙了數字化三維測量的效果。
基于上述問題，為了滿足我國制造加工領域對通過加工過程在線檢測和質量評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、雕塑及數字化維修和數字化設計管理的需要，急需提供一種高智能、高精度、低成本、且能夠在加工現(xiàn)場使用的智能三維全息激光測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠快速準確地獲得表面三維信息而且可以在加工制造現(xiàn)場完成表面三維信息提取，同時在此基礎上實現(xiàn)加工質量快速評估系統(tǒng)。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是提供一種能夠實現(xiàn)無盲區(qū)表面三維數字化測量和加工質量快速評估的智能全息三維激光測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的原理是，結合非接觸掃描技術和高級位置和速度控制技術，打破常規(guī)三維表面掃描測頭固定在三坐標機上的傳統(tǒng)三維掃描模式?；谝环N獨特的C型臂掃描裝置和大承載力高平穩(wěn)度升降轉臺實現(xiàn)對復雜表面的無盲點三維掃描，該裝備不僅解決了在加工制造現(xiàn)場實現(xiàn)三維表面數據快速測量，而且實現(xiàn)加工質量快速評估。在極大的提高了掃描精度同時有效的縮短了掃描時間。該系統(tǒng)不僅通過創(chuàng)造性地發(fā)明獨特的檢測裝備造型使檢測功能及效率極大地得到了提高，而且由于在系統(tǒng)和軟件設計上的集成化智能化的發(fā)明使系統(tǒng)能夠完成快速數據處理，三維模型構建及三維表面質量快速評估。
本發(fā)明的技術解決方案是，本系統(tǒng)由激光測頭1、由C型測量臂和升降轉臺構成的全息測量儀2、控制器3和主控計算機4組成，其中激光測頭1安裝在全息測量儀2的C型測量臂上，通過通訊電纜與控制器3相連，接受運動指令同時傳遞掃描數據，控制器3通過網口與主控計算機4相連，傳遞控制指令和掃描數據，主控計算機4主要完成測頭在滑軌上的定位及滑行運動軌跡控制決策給出控制指令、數據顯示和處理、模型構建和基于模型與原始模型的比對結果給出質量評估報告等核心任務。待測工件5安放在與系統(tǒng)連接的全息測量儀2的升降轉臺的臺面上，高精度圓弧型滑軌和滑塊固定于全息掃描儀2的C型測量臂上，支撐激光測頭1的支架垂直固定在滑塊上，使線型激光束通過圓弧型滑軌圓心和全息掃描儀2的升降轉臺的中心軸線?；瑝K可以相對于圓弧型滑軌圓心作精確的圓弧運動。固定在滑塊上的支架由U型架、減速步進電機、減速箱和編碼器組成，減速步進電機通過減速箱里的渦輪渦桿驅動滑塊沿滑軌運動，編碼器記錄激光測頭1的空間位置，使得置于支架上的激光測頭1可根據需要由主控計算機4控制沿圓弧軌跡實現(xiàn)精確定位。激光測頭1的電纜置于全息掃描儀2的C型臂背面的拖鏈中，使得激光測頭1不受電纜干擾平滑運動。全息掃描儀2的底座采用可展開式側臂與可調水平的底腳，保證系統(tǒng)運行平穩(wěn)，同時使得線型激光束處于豎直平面。全息掃描儀2的升降轉臺的臺面下面有兩臺減速步進電機和一臺編碼器，側面裝有光柵尺，編碼器記錄臺面旋轉角度，光柵尺記錄臺面高度，由主控計算機4控制兩臺減速步進電機驅動升降轉臺精確水平旋轉和垂直升降。
系統(tǒng)的基本工作流程如下用戶通過主控計算機輸入待測工件的尺寸范圍、材質等基本參數，系統(tǒng)自動進行掃描路徑規(guī)劃；然后控制測頭在滑軌上進行滑動以及待測工件在升降轉臺上進行上下和旋轉運動；同時控制測頭進行三維測量，并對測量數據進行實時三維顯示；最終完成整個工件的測量任務。用戶還可以根據測量結果，通過交互干預修改測量路徑，從而獲得滿意的測量結果。測量結束后系統(tǒng)自動保存測量結果，用戶可以有選擇性的在此基礎上進行點云數據、曲線重建、曲面重建和模型驗證的處理。
激光測頭的測量誤差≤0.03mm，C型測量臂的定位誤差≤0.01mm，升降轉臺的定位誤差為升降≤0.01mm，旋轉≤0.1°。系統(tǒng)的總體測量精度優(yōu)于0.05mm，可以滿足大部分零件加工的在線測量精度要求。測量時間由待測工件的表面復雜程度、掃描面積和掃描精度決定。
為實現(xiàn)上述目的，本系統(tǒng)工作的主要步驟包括a)輸入待測工件的基本幾何尺寸(包裹物體的最小包圍盒)及基本掃描條件(待測物體的材質、表面粗糙度)。
b)自動路徑規(guī)劃。
c)掃描+實時點云數據三維顯示。
d)掃描數據的檢定+掃描路徑調整+局部二次掃描。
e)數據后處理(點云處理、曲線重建、曲面重建、模型驗證)。
自動路徑規(guī)劃的步驟采取基于預測的路徑規(guī)劃方法該方法要首先根據已測出曲面上前十點用最小二乘擬合方法近似預測出Q點的坐標。然后計算出P點與Q點在X、Y、Z坐標的平移距離dx、dy、dz和繞X、Y、Z的旋轉角度α、β、γ。
將這些計算結果作為全息測量儀的調整變量，得出測頭在滑軌上的運動量和平臺的，通過機器人運動學的逆運算，得到機器人各關節(jié)變量，控制機器人到達新的位置并完成Q點的測量。
這種路徑規(guī)劃方法是實時在線完成的，只需要一次掃描就可以完成整個測量任務，速度較快。缺點是對于曲面形狀突變的地方無法準確測量。
自動路徑規(guī)劃的步驟采取基于掃描數據的路徑規(guī)劃方法該方法將掃描過程分成兩個階段粗掃和精掃。首先固定測頭的姿態(tài)，采用階梯狀預測方法對測頭的位置進行調整，完成對待測工件表面的粗略測量過程。預測函數Δh＝(Mmax+Mmin)/2-PZ其中Mmax和Mmin分別是激光測頭的最大和最小測量范圍，PZ是P點的Z坐標。
然后根據粗掃的結果估算各測量點的法向量。根據被測點的實際法向量和三維坐標值重新進行一次掃描，以糾正粗掃過程中的測量誤差，得到最終的測量結果。被測點的法向量估計函數如下nρ=BρE⊗CρD]]>實現(xiàn)點云數據三維顯示的步驟a)獲取測頭深度數據d；b)根據測頭與機器人腕部的坐標變換矩陣A和機器人的腕部位姿矩陣B得到被測點相對于機器人基座的坐標；c)利用基于OpenGL的三維引擎實現(xiàn)點云的三維繪制。
由于所有測量點的坐標都是基于機器人基座的，所以對待測工件的各面進行測量時測量數據可實現(xiàn)無縫彌合，不需要點云的配準和融合，有效地提高了測量精度。
本發(fā)明所達到的有益效果是本發(fā)明利用并行機器人控制的靈活性及定位的精確性實現(xiàn)了快速高效的無盲點三維表面掃描，使得整個系統(tǒng)具有靈活性、開發(fā)性、適應性、多功能性和集成度高的特點。由于該系統(tǒng)具有極強的環(huán)境適應能力和抗噪聲能力，使得可以在工業(yè)現(xiàn)場使用。系統(tǒng)以靈活主動及自動化的檢測模式打破現(xiàn)有的被動的或手動的檢測模式，以此實現(xiàn)逆向工程實時化。取得通過實現(xiàn)檢測過程全自動化推動加工設計自動化、加工質量監(jiān)測自動化和貴重工件修復自動化的結果。作為一種新型的在檢測裝備，該系統(tǒng)將在龐大的國際國內市場上具有強大的競爭力。該裝備將推動制造業(yè)自動化的發(fā)展。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的結構圖。
圖2是本發(fā)明的C型測量儀右視圖。
圖3是本發(fā)明的C型測量儀左視圖。
圖4是本發(fā)明的掃描結果圖。
圖5是本發(fā)明的掃描結果圖。
具體實施例方式
下面結合前述的操作步驟說明最佳實施實例如下
激光測頭1為非接觸式雙目激光測頭，激光光源采用650nm半導體激光器一臺，線型激光束寬度小于1mm，CCD信號采集系統(tǒng)采用成一定夾角的兩路CCD攝象頭，CCD信號采集系統(tǒng)的CCD攝象頭與其支架之間采用可以調整CCD攝象頭的俯仰角與轉向角的連接接頭。高精度圓弧型滑軌和滑塊固定于全息掃描儀2的C型測量臂上，支撐激光測頭1的支架垂直固定在滑塊上，使線型激光束通過圓弧型滑軌圓心和全息掃描儀2的升降轉臺的中心軸線。滑塊可以相對于圓弧型滑軌圓心作精確的圓弧運動。固定在滑塊上的支架由U型架、減速步進電機、減速箱和編碼器組成，減速步進電機通過減速箱里的渦輪渦桿驅動滑塊沿滑軌運動，編碼器記錄激光測頭1的空間位置，使得置于支架上的激光測頭1可根據需要由主控計算機4控制沿圓弧軌跡實現(xiàn)精確定位。激光測頭1的電纜置于全息掃描儀2的C型臂背面的拖鏈中，使得激光測頭1不受電纜干擾平滑運動。全息掃描儀2的底座采用可展開式側臂與可調水平的底腳，保證系統(tǒng)運行平穩(wěn)，同時使得線型激光束處于豎直平面。全息掃描儀2的升降轉臺的臺面為直徑200mm，厚40mm的大理石，臺面下面有兩臺減速步進電機和一臺編碼器，側面裝有光柵尺，編碼器記錄臺面旋轉角度，光柵尺記錄臺面高度，由主控計算機4控制兩臺減速步進電機驅動升降轉臺精確水平旋轉和垂直升降。
權利要求
1.智能全息三維激光測量系統(tǒng)，其特征在于，a.本系統(tǒng)由激光測頭(1)、由C型測量臂和升降轉臺構成的全息測量儀(2)、控制器(3)和主控計算機(4)組成，其中激光測頭(1)安裝在全息測量儀(2)的C型測量臂上，通過通訊電纜與控制器(3)相連，控制器(3)通過網口與主控計算機(4)相連；b.系統(tǒng)工作的步驟是①通過主控計算機(4)輸入待測工件(5)的幾何尺寸及掃描條件，②由主控計算機(4)規(guī)劃出掃描路徑，③全息測量儀(2)按照規(guī)劃的路徑運動，帶動激光測頭(1)完成掃描，掃描的點云數據實時顯示在主控計算機(4)上，④主控計算機(4)對掃描數據進行檢定，并對掃描路徑進行調整，在局部區(qū)域進行二次掃描，⑤數據后處理。
2.根據權利要求1所述的智能全息三維激光測量系統(tǒng)，其特征在于，高精度圓弧型滑軌和滑塊固定于全息掃描儀(2)的C型測量臂上，支撐激光測頭(1)的支架垂直固定在滑塊上，線型激光束通過圓弧型滑軌圓心和全息掃描儀(2)的升降轉臺的中心軸線；滑塊相對于圓弧型滑軌圓心作精確的圓弧運動。
3.根據權利要求1所述的智能全息三維激光測量系統(tǒng)，其特征在于，C型測量臂通過減速步進電機驅動，通過齒輪齒條傳動，減速步進電機通過減速箱里的渦輪渦桿驅動滑塊沿滑軌運動，編碼器記錄激光測頭(1)的空間位置，置于支架上的激光測頭(1)由主控計算機(4)控制沿圓弧軌跡實現(xiàn)精確定位。
4.根據權利要求1所述的智能全息三維激光測量系統(tǒng)，其特征在于，全息掃描儀(2)的底座采用可展開式側臂與可調水平的底腳。
5.根據權利要求1所述的智能全息三維激光測量系統(tǒng)，其特征在于，升降轉臺安放于C型滑軌的正下方，具有垂直升降和旋轉兩個自由度；待測工件安放在升降轉臺的平臺上；臺面為直徑200mm，厚40mm的大理石，臺面下面有兩臺減速步進電機和一臺編碼器，側面裝有光柵尺，編碼器記錄臺面旋轉角度，光柵尺記錄臺面高度，由主控計算機(4)控制兩臺減速步進電機驅動升降轉臺精確水平旋轉和垂直升降。
全文摘要
智能全息三維激光測量系統(tǒng)屬于先進制造技術領域。這是一項用激光掃描待測物體，并用計算機處理掃描信息數據，最終得到物體形狀三維矢量信息的光機電一體化技術。系統(tǒng)由測頭、C型臂、升降轉臺、控制柜和主控計算機組成，用戶輸入測量基本參數，系統(tǒng)自動進行掃描路徑規(guī)劃，控制激光測頭和升降轉臺完成測量。系統(tǒng)利用C型臂特有的弧型滑軌控制掃描軌跡，從而實現(xiàn)全息無盲點三維激光掃描。系統(tǒng)具有較強的環(huán)境適應能力和抗噪聲能力滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。本發(fā)明可廣泛應用于刑偵，考古，三維動畫制作以及工業(yè)生產等領域。以主動及自動化的檢測模式實現(xiàn)在線檢測和加工質量驗證。
文檔編號G01B21/00GK1987343SQ20061013419
公開日2007年6月27日 申請日期2006年11月4日 優(yōu)先權日2006年11月4日
發(fā)明者馬孜, 胡英, 黃進, 汪洋, 張旭, 林娜, 趙驥 申請人:大連海事大學