本发明涉及自动化宝石加工技术领域，尤其涉及一种基于激光的精密宝石三维测量装置。
背景技术：
我国是珠宝使用和珠宝制造大国，由于珠宝加工工艺复杂，自动化程度低，目前还大量停留在手工加工阶段。随着工业4.0、中国制造2015与传统制造业的融合，智能制造不断深入；为契合2014年武汉市正式启动的“武汉·中国宝谷”千亿珠宝产业集群综合体建设工程，研究宝石加工的智能制造技术具有重要的现实意义。
宝石的设计与加工都离不开原石的原始数据获取，因此实现精确的宝石三维测量与建模是自动化宝石加工中重要的一个环节，对此提出一个基于激光传感器的装置实现宝石三维测量与建模，此装置能够获取精确的宝石原石的三维模型，并能够导出点云文件以供后续加工使用。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光的精密宝石三维测量装置，能够精确地对宝石原石进行三维测量，并根据扫描数据在PC机上生成对应的三维模型，实现对宝石原石的原始数据的获取和处理。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种基于激光的精密宝石三维测量装置，所述基于激光的精密宝石三维测量装置包括控制器模块；与所述控制器模块连接的激光传感器、电机驱动模块、PC机；与所述电机驱动模块连接的旋转平台模块；
所述控制器模块控制所述电机驱动模块运转，带动所述旋转平台模块上的宝石旋转；所述控制器模块控制所述激光传感器对旋转的宝石进行扫描并同步采集扫描数据；所述激光传感器采集的扫描数据通过所述控制器模块传输至所述PC机，所述PC机对扫描数据进行处理，并根据数据处理结果构建宝石的三维模型；
所述旋转平台模块包括夹持部、转盘和平台，所述夹持部安装在所述转盘上用于固定宝石，并随转盘旋转，所述转盘安装在所述平台的上平面；所述夹持部为夹具或支撑结构，所述夹具包括至少一个螺母、至少一个螺栓和夹具台，所述螺栓固定在夹具台上且其位置固定，所述螺母穿过所述螺栓，通过调节各个螺母的位置以固定宝石；所述支撑结构包括至少一个支撑柱、至少一个垫片和支撑台，所述支撑柱设有螺纹，且固定在所述支撑台上，所述垫片穿过所述支撑柱，通过所述支撑柱上的螺纹来调整各个垫片的高度以固定宝石。
进一步地，所述控制器模块包括通讯单元，所述PC机通过所述通讯单元分别与所述控制器模块、激光传感器进行通讯。
进一步地，所述控制器模块包括液晶显示单元，用于显示或设置所述激光传感器和电机驱动模块的参数。
进一步地，所述电机驱动模块包括电机和电机编码器，所述转盘与电机连接，并由所述电机带动其旋转，所述电机编码器分别向所述控制器模块和PC机反馈所述电机的位置信息。
进一步地，所述PC机上安装有配套软件和数据采集卡，所述激光传感器采集的扫描数据传输至所述数据采集卡中，通过所述配套软件对所述数据采集卡中的扫描数据进行处理和构建宝石的三维模型。
进一步地，所述配套软件包括传感器设置模块、图像数据处理模块和电机设置模块，所述传感器设置模块和电机设置模块分别设置所述激光传感器和电机驱动模块的参数，所述图像数据处理模块对扫描数据进行处理和构建宝石的三维模型。
进一步地，所述激光传感器的参数包括发射激光的时间段和时长、发射激光的频率和强度、采样形式、采样频率、激光上电、激光调节、亮度调节、阈值调节以及扫描的有效区间；所述电机驱动模块的参数包括所述电机驱动模块的位置、转动方向、转速、旋转圈数、工作时间段和工作时长。
进一步地，所述夹具台安装在所述转盘上，所述夹具台为圆柱体，所述螺母和螺栓的数量均为三个，且三个螺栓在所述夹具台上均匀分布以围成一个圆。
进一步地，所述支撑台安装在所述转盘上，所述支撑柱和支撑台均为圆柱体，所述垫片为中间带有圆柱孔的长方体，所述支撑柱和垫片的数量均为六个，且六个支撑柱在所述支撑台上均匀分布以围成一个圆。
进一步地，所述基于激光的精密宝石三维测量装置还包括插座和开关，通过所述插座进行插电以对整个装置进行供电，所述开关控制整个装置的开启或关闭。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、能精确的采集宝石的轮廓数据，由此建立精准的宝石模型，且建立的模型与实际的物件偏差为±0.01mm，高精度的模型对于后期自动化加工宝石有着十分重要的意义；
2、能将建模结果在PC机上以点云文件形式导出，便于后续加工时对模型数据的分析；
3、能在线对测量的宝石模型进行处理，便于处理测量过程中产生的噪声信息；
4、能通过控制器模块控制电机的转速、旋转方向、旋转的圈数等；
5、电机转速的控制采用的反馈控制，使得电机的运行更为稳定；
6、能在线的对采集的数据进行处理，方便获取精确的宝石轮廓数据；
7、能将形态各异的宝石固定在转盘上，避免了在测量过程中因转盘旋转而导致宝石滑动，进而造成测量的准确度不足；
8、能单独操作装置上的液晶显示屏完成宝石的测量，并将扫描数据传输至PC机中，适合PC机和控制器模块相隔较远的情况。
附图说明
图1是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的硬件结构图；
图2是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的组成框图；
图3是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的硬件结构主视图；
图4是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的硬件结构右视图；
图5是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的夹具结构图；
图6是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的支撑结构图；
图7是本发明的基于激光的精密宝石三维测量装置的PC机组成框图。
图中：1-控制器模块，11-通讯单元，111-串口插头，112-USB，12-电机控制单元，13-液晶显示单元，131-液晶显示，132-液晶键盘，14-激光传感器控制单元，2-激光传感器，3-电机驱动模块，31-电机，32-电机编码器，4-旋转平台模块，41-夹具，411-螺母，412-螺栓，413-夹具台，42-支撑结构，421-支撑柱，422-垫片，423-支撑台，43-转盘，44-平台，45-夹持部，5-PC机，51-配套软件，511-传感器设置模块，512-图像数据处理模块，513-电机设置模块，52-数据采集卡，6-插座，7-开关。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
如图1-4所示，本发明提供了一种基于激光的精密宝石三维测量装置，所述基于激光的精密宝石三维测量装置包括控制器模块1、激光传感器2、电机驱动模块3、旋转平台模块4和PC机(personal computer)5。所述控制器模块1分别与所述激光传感器2、电机驱动模块3、PC机5连接，以分别控制其工作，例如控制所述激光传感器2发射激光的时间段和工作时长、发射激光的频率和强度、采集扫描数据的时间和频率等；又例如，控制所述电机驱动模块3的转动方向、转速、旋转圈数、工作时间段和工作时长等。同时，也可以通过所述PC机5将控制命令发送给所述控制器模块1，以此来实现对所述激光传感器2、电机驱动模块3的控制。
所述控制器模块1包括通讯单元11、电机控制单元12、液晶显示单元13、激光传感器控制单元14。所述通讯单元11包括串口插头111和USB112，例如，所述USB112可以是USB3.0。所述PC机5可通过接入所述串口插头111与所述控制器模块1进行通讯，所述PC机5可通过接入所述USB112与所述激光传感器2进行通讯。所述电机控制单元12与电机驱动模块3电性连接，用于控制所述电机驱动模块3的运转。所述液晶显示单元13包括液晶显示131和液晶键盘132，所述液晶显示131用于显示信息，例如所述电机驱动模块3的旋转方向、转速、圈数、工作时间段和工作时长等，所述激光传感器2的发射激光的时间段和时长、发射激光的频率和强度等参数；同时，可通过所述液晶键盘132设置所述电机驱动模块3和所述激光传感器2的参数，达到对所述电机驱动模块3和激光传感器2等进行控制的目的。所述激光传感器控制单元14与激光传感器2电性连接，用于控制所述激光传感器2的扫描和采集扫描数据。
针对某一时刻静止在所述旋转平台模块4上的宝石，所述激光传感器2发射一定宽度的扫描激光束扫描宝石，并获取通过宝石后的扫描激光束宽度，通过扫描激光束的宽度差值便可得到宝石的一侧尺寸；同时，针对尺寸较大的宝石，可通过扫描激光束由上至下移动的方式，以测出宝石的一侧的轮廓曲线。当从上到下对宝石进行扫描时，获得宝石的多个横向截面的投影轮廓，将多个横向截面叠加起来即获得一个完整的由横向截面组成的投影轮廓。随着宝石的旋转，实现对宝石的360°的扫描，从而获取不同角度的宝石的投影轮廓，再通过算法(例如，插值算法)将多个角度的横向截面的边缘连接起来，以形成一个整体的宝石的三维轮廓，即绘制出整个宝石的三维模型。
所述电机驱动模块3包括电机31和电机编码器32，优选的，所述电机31为步进电机。所述电机编码器32为反馈装置，可向所述控制器模块1反馈所述电机31的位置信息，使得所述电机31的控制过程更为稳定，同时也能给所述PC机5发送所述电机31的位置信息，结合各个位置上的所述激光传感器2采集的扫描数据，令所述PC机5对模型的构建更为精确。
所述旋转平台模块4用于固定和旋转宝石，使得所述激光传感器2发射出的激光可对宝石进行360°的扫描，所述旋转平台模块4包括转盘43、平台44和夹持部45，所述夹持部45用于固定宝石，可以是夹具41或支撑结构42，所述夹具41和支撑结构42分别针对形态不同的宝石，所述夹持部45安装在所述转盘43上，并可随所述转盘43旋转，所述转盘43位于所述平台44的上平面，同时，所述激光传感器2也位于所述平台44的上平面，且与所述转盘43的位置相邻，以使得其发射的激光能照射到宝石上。所述平台44可以是带有内部空间的多面体，优选的，所述平台44为带有内部空间的长方体。所述控制器模块1和电机驱动模块3位于所述平台44的内部(因此在图1中，所述控制器模块1和电机驱动模块3用虚线表示)，所述电机31位于转盘43的正下方，且与所述转盘43连接，以通过所述电机31的运转来带动所述转盘43旋转。
如图5所示，所述夹具41包括至少一个螺母411、至少一个螺栓412和夹具台413，其中所述螺栓412固定在所述夹具台413上且其位置固定，所述螺母411穿过所述螺栓412，通过调整所述螺母411来适应宝石的各异形态以固定宝石，利用所述螺母411和螺栓412的共同作用来夹住宝石，主要针对较小的宝石。优选的，所述夹具台413为圆柱体。优选的，所述螺母411和螺栓412的数量均为三个，且三个螺栓412在所述夹具台413上均匀分布以围成一个圆。
如图6所示，所述支撑结构42包括至少一个支撑柱421、至少一个垫片422和支撑台423，所述支撑柱421设有螺纹，且固定在所述支撑台423上，所述垫片422穿过所述支撑柱421，且通过所述支撑柱421上的螺纹来调整其高度。至少一个的支撑柱421在所述支撑台422上均匀分布，通过调整所述垫片422的高度用以固定宝石。优选的，所述支撑柱421和支撑台423均为圆柱体，所述垫片422为中间带有圆柱孔的长方体。优选的，所述支撑柱421和垫片422的数量均为六个，且六个支撑柱421在所述支撑台423上均匀分布以围成一个圆。
所述基于激光的精密宝石三维测量装置还包括插座6和开关7，通过所述插座6进行插电以对整个装置进行供电，例如对所述控制器模块1、激光传感器2、电机驱动模块3、PC机5等进行供电，所述开关7用以控制整个装置的开启或关闭。所述通讯单元11、液晶显示单元13、插座6和开关7等均可设在所述平台44的相同或不同的侧面上。
所述PC机5通过所述通讯单元11接入，与所述控制器模块1进行实时的信息通讯与传输，给所述控制器模块1发送控制所述电机驱动模块3和激光传感器2的信号以及接收所述控制器模块1传输回的所述电机驱动模块3和激光传感器2的参数，参数包括所述电机驱动模块3的位置、转动方向、转速、旋转圈数、工作时间段等，所述激光传感器2的发射激光的时间段和时长、发射激光的频率和强度等。所述PC机5还要接收并处理所述激光传感器2传输的扫描数据，完成对宝石的三维建模的过程。所述PC机5上安装有配套软件51和数据采集卡52，所述激光传感器2采集的扫描数据传输至所述数据采集卡52中(例如，采集的数据通过所述USB112传输至所述数据采集卡52中)，通过所述配套软件51对所述数据采集卡52中的扫描数据进行处理，构建宝石的三维模型。
如图7所示，所述配套软件51包括传感器设置模块511、图像数据处理模块512和电机设置模块513。所述传感器设置模块511用于设置所述激光传感器2的发射激光的时间段和时长、发射激光的频率和强度、采样形式、采样频率、激光上电、激光调节、亮度调节、阈值调节以及扫描的有效区间等参数；所述图像数据处理模块512用于对所述激光传感器2的扫描数据进行处理，包括剪切、复制、平移、放大缩小、测量两点的距离等功能；所述电机设置模块513用于设置所述电机驱动模块3的转动方向、转速、旋转圈数、工作时间段和工作时长等参数。
本发明的装置有两种控制模式，一种是通过所述PC机5给所述控制器模块1发送控制命令实现所述激光传感器2、电机驱动模块3的控制，采集的数据直接由所述PC机5处理；另一种是直接对所述控制器模块1的操作，控制所述电机驱动模块3的运动以及所述激光传感器2的扫描，并且采集的扫描数据传输至所述PC机5，并由所述PC机5进行建模。具体的工作流程如下：
步骤1：插上所述插座6，并打开所述开关7，使得整个装置上电，在所述PC机5上的配套软件5设置好所述电机驱动模块3的运转参数和所述激光传感器2的参数(或者通过直接操作所述控制器模块1的液晶键盘131，设置好所述电机驱动模块3的运转参数和所述激光传感器2的参数)，点击开始测量；
步骤2：所述控制器模块1开始对所述电机驱动模块3发送脉冲信号，控制所述电机31的运转，当达到设定的旋转圈数时，停止运动；例如，所述电机31旋转180圈时，对应的所述转盘43旋转一圈，若每接收10000个脉冲信号所述电机31旋转一圈，则为了使所述电机31能够完整转一圈，需要所述控制器模块1至少发送出1800000个脉冲信号，因单纯的利用设定好的脉冲信号并不能十分精确的控制所述电机31的转动，因此利用所述电机编码器32作为一个反馈装置，给所述控制器模块1反馈所述电机31的位置信息，使所述电机31的控制过程更为稳定，同时也能给PC发送电机的位置信息结合各个位置上的传感器采集的扫描数据，令PC机对模型的构建更为精确；同时，所述控制器模块1开始对所述激光传感器2发送控制信号，控制所述激光传感器2的工作，此时，所述激光传感器2开始一帧一帧的对宝石的轮廓进行扫描，并将采集的扫描数据传输至所述PC机5上；
步骤3：当达到所述电机驱动模块3或所述激光传感器2的预设值时，所述电机31停止转动，所述激光传感器2的扫描工作结束，所述PC机5对采集的扫描数据进行处理，构建宝石的三维模型，例如生成3D图像。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、能精确的采集宝石的轮廓数据，由此建立精准的宝石模型，且建立的模型与实际的物件偏差为±0.01mm，高精度的模型对于后期自动化加工宝石有着十分重要的意义；
2、能将建模结果在PC机上以点云文件形式导出，便于后续加工时对模型数据的分析；
3、能在线对测量的宝石模型进行处理，便于处理测量过程中产生的噪声信息；
4、能通过控制器模块控制电机的转速、旋转方向、旋转的圈数等；
5、电机转速的控制采用的反馈控制，使得电机的运行更为稳定；
6、能在线的对采集的数据进行处理，方便获取精确的宝石轮廓数据；
7、能将形态各异的宝石固定在转盘上，避免了在测量过程中因转盘旋转而导致宝石滑动，进而造成测量的准确度不足；
8、能单独操作装置上的液晶显示屏完成宝石的测量，并将扫描数据传输至PC机中，适合PC机和控制器模块相隔较远的情况。
值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。