专利名称：回转式扫描测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量物体三维形貌的仪器，具体地说是一种回转式扫描测量仪，其利用激光线进行扫描并通过数控回转台的转动来测量复杂物体全貌的仪器，其属于光机电一体化技术领域。
背景技术：
现有技术中，传统的用于测量物体三维形貌的设备主要有两种，一种是三坐标测量机。其是以接触式测量方法。该方法测量精度高，但测量效率很低。这是因为安装在Z轴上的触发测头(接触式)要与工件接触，该测头和工件接触一次完成对一个点的测量，而这个过程包括与工件接近—碰撞—回退；这三个阶段，至少需要1--2秒的时间。对物体三维形貌的测量需要几万个点以上，显而易见，利用接触测量的效率很低。另一种是光学扫描测量仪。其是以非接触测量方法。该测量仪主要通过激光单点测头，线结构光测头和光栅投影实现扫描测量。其中，线结构光测头因具有测量速度快，效率高等特点而被广泛应用。对结构复杂的物体需要从多个视角进行测量，而线结构光测头在不同视角下测量所得的数据具有不同的基准，在变换物体的角度时会使物体的位置发生变化，而且这个变化是在测量过程中发生的。这样不同视角下因物体位置发生了变化而使测量基准发生了变化，测量数据就不能自动拼合到一起。这需要通过手工方法利用专用CAD系统对这些数据进行拼合。这样既降低了工作效率，又降低了整体测量精度。
发明内容
为了克服现有的光学测量系统不能将多视角测量数据进行坐标统一的不足，本实用新型的发明目的是要提供一种回转式扫描测量仪。该测量仪不仅能从多个视角测量物体上的任意区域，而且能自动将各视角下的测量数据拼合在一起，完整描述一个物体。
本实用新型所采用的技术方案是研制了一种回转式扫描测量仪，其包括三维坐标运动机构和线结构光测头。在三维坐标运动机构中的X或Y轴机构上安装一个数控回转台，组成四轴扫描测量系统；其中，该转台的安装相对于该坐标运动机构的Z轴倾斜一个角度；线结构光测头安装在该坐标运动机构的Z轴上；在该转台上固定有一个标准球，该球是利用来测量确定该转台的回转轴线在该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1中的位置和方向的；首先，该测量仪以该转台的回转轴线为Z轴建立起转台初始坐标系O2X2Y2Z2和转台回转坐标系O3X3Y3Z3的，该回转坐标系O3X3Y3Z3仅绕初始坐标系O2X2Y2Z2的Z2轴旋转一个角度；然后建立了从O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的变换关系公式I和从O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的变换关系公式II；在该转台上设置相应的固定设施将被测量物体固定在该转台上，该扫描测头通过该转台的转动可直接测量被测物体的四周和顶部，测量直接所得到的是在该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1中的多片数据P1，应用变换公式III，将上述多视角下测量的多片测量数据P1从该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1转换到该转台转动坐标系O3X3Y3Z3中，实现数据自动拼合，构成了描述被测物体全貌的整体数据P3。
所述的变换公式I如下，它是从该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1到该转台初始坐标系O2X2Y2Z2的变换矩阵T12
T12=cosβ0sinβqxsinαsinβcosα-sinαcosβqy-cosαsinβsinαcosαcosβqz0001]]>式中，(qx，qy，qz)T表示转台初始坐标系O2X2Y2Z2相对于该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1的平移量，在确定转台回转轴线时求出；α和β表示O2X2Y2Z2绕O1X1Y1Z1的X1和Y1的旋转角，它们是根据转台回转轴线的方向确定的。
所述的变换公式II如下，它是从该转台初始坐标系O2X2Y2Z2到该转台转动坐标系O3X3Y3Z3的旋转变换矩阵R23R23=cosθ-sinθ0sinθcosθ0001]]>式中，θ表示转台的当前转动角度。
所述的变换公式III如下,P3=(R23)-1(T12)-1P1,]]>式中，P1表示测量仪直角坐标系中的数据；P3表示转台转动坐标系中的数据，即拼合后的数据；T12是公式I，R23是公式II。
所述的数控回转台，其回转轴线相对于三维坐标运动机构Z轴的倾斜角为20——30度；所述的三维坐标运动机构的坐标轴是采用步进电机驱动丝杠螺母，采用直线导轨作为运动导向机构。
所述的数控回转台，其由蜗轮蜗杆机构组成。
所述的数控回转台，其转台上设有安装固定设施的螺孔，该螺孔中安装有夹持重量较大物体的专用夹具；或直接采用胶粘剂将重量较轻的物体粘固在该转台面上。
所述的标准球固定在球座上，该球座的底部设有螺纹且固定在该转台面上的螺孔中。
所述的数控回转台，其以60度为间隔，旋转六个角度；在每个位置下由线结构光测头对固定在转台上的标准球进行扫描测量，依据在六个位置下测量得到的六片数据分别拟合球得到六个球心坐标；再由这六个球心坐标拟合圆得到空间的一个圆，则过该圆圆心且与该圆平面垂直的直线即为该转台的回转轴线，圆心坐标是转台初始坐标系O2X2Y2Z2的坐标原点。
本实用新型的有益效果是在测量物体全貌的同时，该测量仪能自动将各个视角下测量的多片数据自动拼合到一起，实现对一个物体的完整描述。该测量仪是在建立从O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的变换关系公式I和从O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的变换关系公式II的基础上，利用公式III把所有数据转换到O3X3Y3Z3中实现自动拼合。
为了确定公式I和公式II首先要确定转台回转轴线的在测量仪直角坐标系中的方向。本测量仪通过测量固定在转台上的标准球来确定转台回转轴线的方向，由于以该转台角度为零的位置做为初始位置，在这个位置下标准球离测量仪的Z轴最近。因线结构光测头的方向不变，对标准球的扫描测量只能沿一个方向进行，扫描过程是通过测量仪X轴的移动来完成。然后该转台转动60度，根据标准球相对于该转台台面的高度，以及到转台轴心的距离可计算出测量每个位置的球时测量仪三个轴的移动位置，从而实现对标准球的自动测量。
根据测量球所得到的点利用拟合球的算法可拟合球得到球心位置。所得到的6个球心位置在空间内，因它们是绕该转台的回转轴线旋转得到的，根据这6个球心位置，运用拟合圆的算法可得到空间的一个圆。因球的旋转是绕转台的回转轴线进行的，而球心分布在拟合所得到的圆上，所以该转台的回转轴线过圆心且垂直于该圆平面。
在转台的回转轴线的方向确定后，本实用新型的回转式扫描测量仪是首先确定从该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1到以数控回转台的回转轴线为Z轴的坐标系，即转台初始坐标系O2X2Y2Z2的变换关系，以及从转台初始坐标系O2X2Y2Z2到转台回转坐标系O3X3Y2Z3的变换关系。然后根据这两个关系就将测量得到的数据转换到转台回转坐标系O3X3Y3Z3中，实现多片数据的自动拼合。这两个变换关系的确定方法如下转台初始坐标系O2X2Y2Z2相对于该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1既有平移，又有旋转。平移量就是上面6个球心位置拟合圆得到的圆心位置；旋转量应该包括三个角度，但由于在建立坐标系O2X2Y2Z2时只要求Z2轴与转台的回转轴线一致，对其它两个轴的方向无要求，这样只绕O1X1Y1Z1的X1和Y1轴旋转两个角度并加上平移量就可得到O2X2Y2Z2，设所求出的转台回转轴线的方向矢量为(lzmznz)T，两个坐标系的通用旋转变换矩阵为cosβcosγ-cosβsinγsinβsinαsinβcosγ+cosαsinγ-sinαsinβsinγ+cosαcosγ-sinαcosβ-cosαsinβcosγ+sinαsinγcosαsinβsinγ+sinαcosγcosαcosβ]]>上式中第三列对应的是Z方向的矢量，在本测量仪中是转台回转轴线的方向矢量，因此有sinβ=lZ-sinαcosβ=mZcosαcosβ=nZ]]>根据上式可解出O2X2Y2Z2绕O1X1Y1Z1的两个旋转角α和β，这样就确立了从O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的变换关系，即公式I；转台回转坐标系O3X3Y3Z3只绕转台初始坐标系O2X2Y2Z2的Z2轴发生旋转，旋转角度是转台的当前角度，从O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的变换关系是公式II；本实用新型的回转式扫描测量仪的核心在于建立了这两个变换关系，以及求解其中的未知参数。根据这两个变换关系即公式I和公式II可建立从从测量仪直角坐标系到O1X1Y1Z1到转台回转坐标系O3X3Y3Z3的变换关系，即公式III；利用该公式III就能将多个视角下测量的数据自动拼合到一起，形成的数据整体能完整描述一个物体。
及其具体实施方式
本实用新型的实施例结合附图进一步说明如下图1本回转式扫描测量仪系统结构示意图；图2本回转式扫描测量仪的该转台上固定一个标准球的装置示意图；图3本回转式扫描测量仪的该转台上固定一物体的装置示意图；图4本回转式扫描测量仪的两个坐标变换关系示意图；参见图1——4制成的回转式扫描测量仪，其包括三维坐标运动机构2和线结构光测头1。在三维坐标运动机构2中的X或Y轴机构上安装一个数控回转台3，组成四轴扫描测量系统；其中，该转台3的安装相对于该坐标运动机构2的Z轴倾斜一个角度；线结构光测头1安装在该坐标运动机构2的Z轴上；在该转台3上固定有一个标准球5，该球5是利用来测量确定该转台3的回转轴线在该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1中的位置和方向的；首先，以该转台的回转轴线为Z轴建立起转台初始坐标系O2X2Y2Z2和转台回转坐标系O3X3Y3Z3，该回转坐标系O3X3Y3Z3仅绕初始坐标系O2X2Y2Z2的Z2轴旋转一个角度；然后建立了从O1X1Y1Z1到O2X2Y2Z2的变换关系公式I和从O2X2Y2Z2到O3X3Y3Z3的变换关系公式II；在该转台3上设置相应的固定设施6将被测量物体4固定在该转台3上，该测头1通过该转台3的转动可直接测量被测物体4的四周和顶部，测量直接所得到的是在该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1中的多片数据P1，应用变换公式III，将上述多视角下测量的多片测量数据P1从该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1转换到该转台3转动坐标系O3X3Y3Z3中，实现数据自动拼合，构成了描述被测物体4全貌的整体数据P3。
在图1中，线结构光测头1安装在运动机构2的Z轴上，可沿Z轴做上下运动，数控回转台3安装在运动机构2的X轴上，可沿X轴左右移动，该转台的回转轴线相对与运动机构2的Z轴倾斜28°。被测物体4放在该转台3上，通过该转台3的转动可使它上面的任一部位和线结构光测头1形成合适的测量视角。在一个视角下的扫描过程是由运动机构2的Z轴的上下运动，X轴左右移动以及Y轴的前后运动共同完成的。
在图2中将一个标准球5固定的数控回转台3上，并对该标准球5进行扫描测量，利用测量所得到的数据拟合球得到一个球心位置，然后以60°为步长使数控回转台3转动5个角度，在每个角度下测量标准球并拟合球心。利用所得到的6个球心的空间位置拟合圆，则过圆心且与该圆平面垂直的直线即为该转台3的回转轴线，圆心坐标是转台3初始坐标系O2X2Y2Z2的坐标原点。。
所述的数控回转台3，其转台3上设有安装固定设施的螺孔8，该螺孔8中安装有夹持重量较大物体4的专用夹具6；或直接采用胶粘剂将重量较轻的物体粘固在该转台3面上。
所述的标准球5固定在球座7上，该球座7的底部设有螺纹且固定在该转台3面上的螺孔8中。
在图3中线结构光测头1测量直接得到的数据是在测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1下，而多视角测量数据应围绕该转台3的回转轴线分布，因此，首先要将这些数据转换到以回转轴线为Z轴的直角坐标系O2X2Y2Z2下，该坐标系是该转台3的初始坐标系，它所对应的转台3回转角度为零，相对于O1X1Y1Z1既有平移，又有旋转。当转台发生旋转后(转台角度不为零)坐标系O2X2Y2Z2变成O3X3Y3Z3，O3X3Y3Z3是转台3的回转坐标系，它相对于O2X2Y2Z2只发生旋转，旋转角度是转台3的角度。当多视角测量数据通过以上这两个步骤变换到转台转动坐标系O3X3Y3Z3后就能自动拼合在了一起。
本实用新型的变换公式I——III应用实施例如下本实用新型的回转式扫描测量仪的数控回转台的安装相对于本测量仪的Z轴倾斜角度为28度，当该转台的安装位置固定后公式I中的参数α和β不再发生变化，即α和β的值只与转台的安装位置有关；通过测量标准球所得到的转台回转轴线的方向矢量为(lzmznz)T＝(0.0288497 0.4729089 0.8806388)T，利用公式sinβ=lZ-sinαcosβ=mZcosαcosβ=nZ]]>求出α＝28.2361°，β＝1.6532°；而公式I中的qx，qy，qz既与转台的位置有关，又与测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1的初始位置有关；当转台位置固定后qx，qy，qz只与O1X1Y1Z1的初始位置有关；在O1X1Y1Z1的五个不同初始位置下公式I的值如下T12=0.99958300.02884923.05670.0136480.8881005-0.472908637.3652-0.0254150.47310590.880638-66.03520001]]>
T12=0.99958300.0288496.05450.0136480.8881005-0.47290869.3765-0.0254150.47310590.88063853.74210001]]>T12=0.99958300.0288497.63280.0136480.8881005-0.4729086-41.8634-0.0254150.47310590.8806385.073890001]]>T12=0.99958300.028849-62.85360.0136480.8881005-0.472908616.0854-0.0254150.47310590.8806388.79740001]]>T12=0.99958300.028849-10.96350.0136480.8881005-0.472908654.0975-0.0254150.47310590.880638-4.54310001]]>公式II只与转台的回转角度有关系，当转台角度为0°，90°，180，°270°，56.356°时公式II的值如下R23=100010001,R23=0-10100001,R23=-1000-10001,R23=010-100001]]>R23=0.55403-0.8324900.832490.554030001]]>公式III中利用了公式I和公式II将测量数据从O1X1Y1Z1变换到O3X3Y3Z3实现自动拼合。
本实用新型的测量仪对某一玩具在转台回转角度分别为0°，90°，180°，270°时实施测量所得到的四片数据。
因在测量过程中转台的安装位置固定，O1X1Y1Z1的初始位置也没有发生变化，公式I不发生变化，具体值为T12=0.99958300.02884923.05670.0136480.8881005-0.472908637.3652-0.0254150.47310590.880638-66.03520001]]>在测量过程中转台发生了三次旋转，共对应四个角度，公式II发生了变化；转台角度为0°时 公式II的值为R23=100010001;]]>
转台角度为90°时 公式II的值为R23=1-10100001;]]>转台角度为180°时 公式II的值为R23=-1000-10001;]]>转台角度为270°时 公式II的值为R23=010-100001.]]>综上所述，本实用新型通过转台3的回转实现了利用线结构光测头1测量物体4全貌并将不同视角下的测量自动拼合到了一起，既提高了工作效率又提高了数据整体拼合的精度，很好地解决了对复杂形体的完整测量问题。
本领域的普通技术人员都会理解，在本实用新型的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种回转式扫描测量仪，其包括三维坐标运动机构和线结构光扫描测头，其特征在于在该三维坐标运动机构中的X或Y轴机构上安装一个数控回转台，组成四轴扫描测量系统；其中，该转台的安装相对于三维坐标运动机构的Z轴倾斜一个角度；所述的线结构光扫描测头安装在该运动机构的Z轴上；在该转台上固定有一个用来测量确定该转台的回转轴线在该测量仪直角坐标系O1X1Y1Z1中的位置和方向的标准球；在该转台上还设置将被测量物体固定在该转台上的相应固定设施。
2.根据权利要求1所述回转式扫描测量仪，其特征在于所述的数控回转台，其相对于三维坐标运动机构Z轴的倾斜角为20——30度；所述的三维坐标运动机构的坐标轴是采用步进电机驱动丝杠螺母，采用直线导轨作为运动导向机构。
3.根据权利要求1所述回转式扫描测量仪，其特征在于所述的数控回转台，其由蜗轮蜗杆机构组成。
4.根据权利要求1——3中的任一所述回转式扫描测量仪，其特征在于所述的数控回转台，其转台上设有安装固定设施的螺孔，该螺孔中安装有夹持重量较大物体的专用夹具；或直接采用胶粘剂将重量较轻的物体粘固在该转台面上。
5.根据权利要求1所述回转式扫描测量仪，其特征在于所述的标准球固定在球座上，该球座的底部设有螺纹且固定在该转台面上的螺孔中。
6.根据权利要求1——3中的任一所述回转式扫描测量仪，其特征在于所述的数控回转台，其以60度为间隔，旋转六个角度；该转台的回转轴线是过依据在该六个角度位置下测量所得到的六个球心坐标的拟合圆圆心且与该圆平面垂直的直线，该圆心坐标是该转台初始坐标系O2X2Y2Z2的原点坐标。
专利摘要本实用新型是回转式扫描测量仪其包括三维坐标运动机构，线结构光测头和数控回转台；该转台安装在该坐标运动机构中的X或Y轴上，并相对于该坐标运动机构的Z轴倾斜一角度；该光测头安装在该Z轴上；在该转台上固定有一标准球，通过测量该球确定该转台的回转轴线的方向；该测量仪建立了变换关系公式I和II并求出公式I和II的参数；该光测头所测量得到的多片数据P
文档编号G01B11/24GK2807199SQ20052008056
公开日2006年8月16日 申请日期2005年2月25日 优先权日2005年2月25日
发明者解则晓, 王建国, 周丽芹 申请人:中国海洋大学