CN108827187A - 一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量*** - Google Patents

Abstract

本发明一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，该测量***包括工作台、控制器和数据处理及分析***，以及设置在工作台上的结构光测量***、顶尖与转台***和三坐标测量***；结构光测量***用于高速测量工件的复杂曲面；三坐标测量***用于测量工件的复杂精细部分，保证该部分高精度、可靠的测量数据的获取；该三坐标测量***的测量数据还被用以建立工件的测量基准；顶尖与转台***用以夹持及带动工件旋转，结合结构光测量***，获取工件不同角度下的测量数据；最后，三坐标测量***与结构光测量***的测量数据进行坐标***一，获取工件的全型面三维轮廓。本发明集成了三坐标测量***的高精度、可靠的优点与结构光测量***的高速测量等优点。

Description

一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***

技术领域

本发明涉及一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***。

背景技术

随着现代先进制造、航空航天、大型能源动力装备制造等行业的发展，加工零件的尺寸、曲面复杂特征、精度要求、检测速率等均对传统尺寸检测提出了挑战。而应运而生的三维测量技术，通过光学、机械、电子电气等原理，可以直接获得被测物体的三维形貌信息，提供更为精准全面的几何信息、完善的精度评价与质量控制手段，成为现代工业检测不可或缺的重要技术。同时可以广泛应用于工业检测、产品质量控制、反求工程、人体三维建模及文物保护等方面。

根据所采用的原理，三维测量***主要分为接触式与非接触式两种方式。作为接触式测量***的典型代表，三坐标测量机技术相对成熟，具有高精度、通用性强和高可靠性等优点，被广泛应用于各种场合。但该类***由于需要接触式逐点测量，造成其测量速度较低，大大限制生产、检测效率。虽然，近年来有一些搭载光学非接触式测头的三坐标测量机，可实现非接触式扫描测量，一定程度提高了测量速度，但对于尺寸较大的工件，仍无法避免的三轴扫描仍然耗时较长，难以满足企业生产、检测需求。而非接触式测量***以三角测量原理为基础，结构光三维测量***为其典型代表。由于非接触、全场、高速以及较高的测量精度等优点，该类***近年来得到广泛研究和飞速发展。然而，由于目前仍无法有效解决光滑金属工件表面的强烈反光、互反射等影响，该类技术仅限于测量表面曲率变化平缓、高光及互反射影响较小的物体，无法可靠测量复杂精细结构，因而适用范围受限、易受受环境、光照等影响。

综上，该领域一直存在着高速测量与高精度测量无法兼顾的矛盾，尤其是大尺寸复杂曲面工件的高速高精度测量，是目前该领域存在的突出及瓶颈问题之一。因此，十分必要研究一种融合多种测量技术的测量***，集成各测量技术的优点，实现涵盖大尺寸工件在内的各类工件的高速高精度全型面测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，该测量***与现有技术的上述***相比，集成了包括三坐标测量***的接触式测量和结构光测量***的非接触式测量，以结构光测量***测量工件的复杂曲面，保证即使是大尺寸工件复杂曲面的高速测量，同时以三坐标测量***测量工件的复杂精细部分，保证高精度数据获取及基准建立，目的是实现工件的高速、高精度及全型面测量。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，该测量***包括工作台、控制器和数据处理及分析***，以及设置在工作台上的结构光测量***、顶尖与转台***和三坐标测量***；其中，

顶尖与转台***，用于对工件的夹持、旋转并提供当前精度角度信息；

结构光测量***包括一个或者多个结构光测头，用于高速测量工件的复杂曲面；

三坐标测量***，用以高精度测量工件的复杂、精细部分或内孔结构；

控制器，用以集成控制结构光测量***、顶尖与转台***以及三坐标测量***保证各***协同工作，顺利完成工件测量；

数据处理及分析***，用以处理结构光测量***、顶尖与转台***以及三坐标测量***所获取的测量数据，包括三维数据获取、各测量数据间的坐标***一、数据存储、显示及误差分析与评定，以及检测报告输出。

本发明进一步的改进在于，结构光测量***包括七个结构光测头，分别为第一结构光测头至第七结构光测头，每个结构光测头至少包括一个相机和一个投影仪；测量时，结构光测头中的投影仪向工件投影预设图案，相机负责拍摄，经过数据处理及分析***处理拍摄图像，得到工件的三维轮廓数据。

本发明进一步的改进在于，第一结构光测头至第七结构光测头在工件周围不同高度、不同角度下布置，测量时，各个结构光测头在控制器的控制下协同工作，测量不同高度、角度视场下的工件相应部位；第一结构光测头至第七结构光测头相对于三坐标测量***位置固定且相对位置精确已知，这些位置信息用以生成各个结构光测头相对于三坐标测量***的坐标系的旋转、平移变换矩阵，进而根据这些矩阵，将不同高度视场下的测量数据统一到三坐标测量***的坐标系中。

本发明进一步的改进在于，顶尖与转台***包括顶尖及立柱，以及转台，其中，工件的底部设置在转台上，其侧壁及顶部通过顶尖及立柱固定，并能够带动工件旋转，配合结构光测量***以保证工件360度的三维轮廓数据获取；且顶尖与转台***还用以提供高精度的角度定位数据，这些数据用以生成旋转、平移坐标变换矩阵，用以将不同角度视场下的测量数据的坐标系进行统一。

本发明进一步的改进在于，结构光测量***测量工件时，以保证高速、高精度测量为原则，或多个结构光测头同时独立测量，或时间上相互衔接地测量工件，以避免相邻结构光测头间的相互干扰。

本发明进一步的改进在于，三坐标测量***按照典型接触式三坐标测量机的方式，对工件的复杂精细结构进行测量，避免了结构光测量***受工件结构、表面反射特性以及金属高反光表面的影响，提供高精度、可靠的测量数据；且三坐标测量***的测量数据用以建立整个工件的测量基准。

本发明进一步的改进在于，测量时，以三坐标测量***的坐标系为基准，根据各结构光测头相对三坐标测量***的相对位置关系，换算旋转、平移坐标变换矩阵，并经过旋转、平移坐标系转换，将结构光测量***的不同高度、不同角度下的测量数据与三坐标测量***所获取的测量数据进行坐标***一，得到工件的全型面测量数据。

本发明进一步的改进在于，数据处理及分析***集成了数据处理及分析算法，包括结构光测量***所采集图像的分析、处理以及三维轮廓重建，不同视场测量数据的坐标统一与拼接，以及根据测量数据的工件加工质量评估及误差评定。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明是通过开篇提及的测量***及以下事实来实现：三坐标测量***用于测量工件的复杂精细部分以及测量基准的建立，同时结构光测量***用于测量工件的复杂曲面，二者相互独立运行，协同完成工件的测量。

该三坐标测量***依靠精确三轴定位、高精度触点采集等技术，具有稳定、可靠的高精度测量能力，保证了工件基准以及复杂精细结构的高精度测量。该三坐标测量***不限于接触式逐点测量，接触式扫描测量或采用光学非接触测头的三坐标测量同样适用。

为获取工件全型面三维轮廓测量数据，本发明以三坐标测量***的坐标系为基准坐标系，通过将该结构光测量***采集的不同高度、不同角度等视场的测量数据统一到基准坐标系，实现各个测量***的测量数据的融合，获取全型面数据。

上述不同高度、不同角度视场下的数据坐标统一是独立实现的。同高度、不同角度视场下的数据坐标统一中，该顶尖与转台***提供精确的旋转角度定位，据此通过旋转、平移等坐标变换，实现单个结构光测头同一高度、不同角度下测量数据的坐标统一，得到工件每个高度段360度的完整数据。

进一步，该结构光测量***以三角测量原理为基础，由七台结构光测头沿高度方向、不同角度分布于工件周围，且每台结构光测头相对整个测量***的各自位置固定并精确已知。上述结构光测头测量工件不同高度段的三维轮廓数据。每台结构光测头由两台相机和一台投影仪组成，通过投影结构光图案到工件并拍摄，经过算法分析处理，得到工件表面三维轮廓。依靠快速的投影拍摄技术，结合精确的标定参数，可以实现工件表面高速、较高精度的测量。

进一步，该结构光测量***不限于七台结构光测头，可由至少一台或多台结构光测头组成。

进一步，该结构光测头不限于上述结构，可采用至少一台相机和一台投影仪组成，当然，可以多台相机或投影仪。

进一步，上述不同高度下的数据坐标统一中，根据各结构光测头间精确已知的各自位置，对不同高度段的测量数据进行旋转和平移等坐标变换，换算到基准坐标系中，实现三坐标测量***与结构光测量***间坐标系的统一。

与现有同类测量***相比，本发明结合了三坐标测量与结构光测量等多种测量***，形成了多种技术间的优势互补，即保证了复杂精细结构的高精度测量以及高精度基准建立，也保证了复杂曲面的高速测量，尤其对于大尺寸复杂曲面工件，其测量速度将大大提高，兼顾了高速、高精度、全型面测量等优点，能够为工业检测、产品质量控制等高速、高精度测量场合提供有力的技术支撑，大大提升制造企业检测、生产效率。

综上所述，本发明集成了三坐标测量***的高精度、可靠的优点与结构光测量***的高速测量等优点，是一种具有普遍适用性、能够实现大型复杂曲面工件的高速高精度、全型面测量的全新测量设备。

附图说明

图1展示了本发明的测量***的实施例的简化示意图；

图2展示了本发明的测量***中三坐标测量***及顶尖与转台***的简化示意图；

图3展示了本发明的测量***中结构光测头的简化示意图；

图4展示了三坐标测量***操作的简化示意图；

图5展示了结构光测量***操作的简化示意图；

图6展示了不同高度视场下测量数据的坐标***一的简化示意图；

图7展示了高度段d下、初始角度视场的数据获取简化示意图；

图8展示了相同高度段d、转台相对初始角度旋转角度后对应视场下的数据获取及坐标***一简化示意图。

附图标记说明：1为结构光测量***，100为测量***，1a～1g为第一结构光测头至第七结构光测头，10a为第一相机，10b为第二相机，11为投影仪，2为顶尖与转台***，20为顶尖及立柱，21为转台，3为工件，4为三坐标测量***，工作台5，控制器6，数据处理及分析***7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为根据本发明的测量***的示例性实施例的简化示意图。本发明提供的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，该测量***100的主要部分包括结构光测量***1、顶尖与转台***2、三坐标测量***4、工作台5、控制器6以及数据处理及分析***7。

结构光测量***1用以实现工件3的复杂曲面高速测量。结构光测量***1由第一结构光测头1a～第七结构光测头1g组成，本示例中采用了7个结构光测头。当然，同样可以采用其他数量的结构光测头。

如图2所示，每个结构光测头由第一相机10a、第二相机10b和投影仪11组成。图3仅展示了含两个相机和一个投影仪的示例，当然可以包含至少一个或多于两个的相机以及至少一个投影仪。第一结构光测头1a～第七结构光测头1g结构相同。测量时，结构光测头中的投影仪11向工件3投影预设图案，相机负责拍摄，经过数据处理及分析***7处理拍摄图像，得到工件的三维轮廓数据。此外，测量时，各个结构光测头在控制器6的控制下协同工作，测量不同高度、角度等视场下的工件相应部位。第一结构光测头1a～第七结构光测头1g相对于三坐标测量***4位置固定且相对位置精确已知，这些位置信息用以生成各个结构光测头相对于三坐标测量***的坐标系的旋转、平移等变换矩阵，进而根据这些矩阵，将不同高度视场下的测量数据统一到三坐标测量***的坐标系中。结构光测量***1测量工件时，以保证高速、高精度测量为原则，或多个结构光测头同时独立测量，或时间上相互衔接地测量工件，以避免相邻结构光测头间的相互干扰。

图3展示了顶尖与转台***2以及三坐标测量***4。顶尖与转台***2用于夹持工件3，并带动工件3旋转不同角度，以获得其全型面数据。顶尖与转台***2包括顶尖及立柱20和转台21。测量时，顶尖与转台***2配合结构光测量***1测量工件，并带动工件3旋转，以保证工件360度的三维轮廓数据获取。顶尖与转台***2还用以提供高精度的角度定位数据，这些数据用以生成旋转、平移等坐标变换矩阵，用以将不同角度视场下的测量数据的坐标系进行统一。

三坐标测量***4可视为一台常规三坐标测量机，由三个正交的平移运动轴及测头***组成。测头***可用典型的点触式测头，也可为连续扫描式接触测头或者光学非接触测头。三坐标测量***4按照典型接触式三坐标测量机的方式，对工件的复杂精细结构进行测量，避免了结构光测量***1受工件结构、表面反射特性以及金属高反光表面的影响，提供高精度、可靠的测量数据。三坐标测量***4的测量数据用以建立整个工件的测量基准。此外，三坐标测量***4与结构光测量***1在控制器6的集成控制下，协同工作，对工件进行测量。

工作台5承载了整个测量***，是整个***的基座。其材质一般为花岗岩。

控制器6负责了整个测量***的***控制，在测量过程中负责了三坐标测量***4的各轴运动控制、测头***逐点扫描工件表面测量数据、顶尖与转台***2的转台转动、顶尖升降以及结构光测量***1中第一结构光测头1a～第七结构光测头1g等的控制，保证***各组成协同工作，顺利完成测量任务。

数据处理及分析***7一般以计算单元为载体，如计算机，其核心是数据处理及分析算法，包括结构光测量***所采集图像的分析、处理以及三维轮廓重建，不同视场测量数据的坐标统一与拼接，以及根据测量数据的工件加工质量评估及误差评定等。同时，数据处理及分析***7其他如数据存储、显示以及报告输出等功能。

基于本发明的测量***，测量时，三坐标测量***4负责工件中复杂精细结构的测量以及工件测量基准的建立，保证获取高精度、可靠的测量数据，结构光测量***1负责工件中大型复杂曲面的测量，保证高速数据获取；最后，将各***的测量数据进行坐标***一，得到工件高精度的全型面数据。

图4展示了三坐标测量***4的测量工件的示例示意图。工件3放置于转台21之上，经由必要的夹具固定，再加之顶尖及立柱20对工件3进行夹持。

三坐标测量***4对工件中结构光测量***无法有效测量的部分，如无法正常照射或拍摄的复杂精细结构或内孔结构等，如图4中3a阴影部分，进行测量，由于不受限于光照及视角等因素，以及三坐标测量***4可深入内孔等复杂结构中，可以保证高精度稳定测量。同时由于三坐标测量***4仅测量结构光测量***无法有效测量的小部分表面，因此可以保证具有较高的测量速度。此外，三坐标测量***4的测量数据由于精度高、稳定可靠，将用于建立整个工件的测量基准。基准建立方法参考常见的“3-2-1”法则或其他相关方法等。

图5展示了结构光测量***1的测量工件的示例示意图。结构光测量***1用于测量工件的大尺寸复杂曲面部分。第一结构光测头1a～第七结构光测头1g分布于工件周围不同高度(3d阴影部分)、不同角度处，各自间的相对三坐标测量***的位置固定且精确已知。测量时，这些结构光测头分别从不同高度、不同角度对工件表面进行测量。最终，将各个结构光测头的测量数据进行坐标***一，得到工件的全型面数据。由于无需逐点扫描，即使对于大尺寸复杂曲面，结构光测量***1能够实现工件高速、高精度的测量。

各测头间的坐标***一分为不同高度段测量数据的坐标***一以及不同角度视场下测量数据的坐标***一两个过程。

图6示出了不同高度下的测量数据坐标统一示意图。测量时，第一结构光测头1a～第七结构光测头1g按照各自的测量视场将工件3分为不同的高度段，如图6中的高度段a～高度段f，每个测头负责测量各自高度段所涵盖的工件3相应的部分，得到不同高度段的测量数据。由于各结构光测头相对三坐标测量***4的位置精确已知，根据这些位置信息，即可换算出每个测头坐标系相对三坐标测量***4的坐标系间的旋转、平移矩阵。进而以三坐标测量***4的坐标系为基准坐标系，根据换算出旋转、平移矩阵，对不同高度段的测量数据进行旋转和平移等坐标变换，换算到基准坐标系中，使不同高度段测量数据与三坐标测量***测量数据间的坐标系得到统一。

图7和图8示出了同高度、不同角度视场下的数据坐标统一。以高度段d、第六结构光测头1f为例进行阐述，其他高度段采用相同操作。图7显示了初始角度视场下(高度段d范围内)的测量示意图。该角度可为任意角度，如选定初始角度为α，后续所有转动角度均以该角度为基准计算，即相对转动角度。或选定初始角度α后，对其进行归零，以该角度为0。第六结构光测头1f在初始角度下对工件相应部分进行测量。进而，转台带动工件旋转角度 由转台提供并精确已知，第六结构光测头1f再次测量此角度视场下的工件相应部分，如图8所示。根据转台提供的角度数据，即可换算角度下相对初始角度下的坐标转换关系，继而对角度视场下的测量数据进行旋转、平移等坐标变换，即可将角度下的测量数据拼接到初始角度下的测量数据。重复旋转、测量、向初始角度的坐标***一等操作，即可获得高度段d下工件360度的三维轮廓。之后，再结合上述的不同高度段测量数据的坐标***一等操作，即可将所有视场下的测量数据进行坐标***一，获得工件全型面三维轮廓数据。

Claims (8)

1.一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，该测量***(100)包括工作台(5)、控制器(6)和数据处理及分析***(7)，以及设置在工作台(5)上的结构光测量***(1)、顶尖与转台***(2)和三坐标测量***(4)；其中，

顶尖与转台***(2)，用于对工件(3)的夹持、旋转并提供当前精度角度信息；

结构光测量***(1)包括一个或者多个结构光测头，用于高速测量工件(3)的复杂曲面；

三坐标测量***(4)，用以高精度测量工件(3)的复杂、精细部分或内孔结构；

控制器(6)，用以集成控制结构光测量***(1)、顶尖与转台***(2)以及三坐标测量***(4)保证各***协同工作，顺利完成工件测量；

数据处理及分析***(7)，用以处理结构光测量***(1)、顶尖与转台***(2)以及三坐标测量***(4)所获取的测量数据，包括三维数据获取、各测量数据间的坐标***一、数据存储、显示及误差分析与评定，以及检测报告输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，结构光测量***(1)包括七个结构光测头，分别为第一结构光测头至第七结构光测头(1a-1g)，每个结构光测头至少包括一个相机和一个投影仪；测量时，结构光测头中的投影仪向工件(3)投影预设图案，相机负责拍摄，经过数据处理及分析***(7)处理拍摄图像，得到工件(3)的三维轮廓数据。

3.根据权利要求2所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，第一结构光测头至第七结构光测头(1a-1g)在工件(3)周围不同高度、不同角度下布置，测量时，各个结构光测头在控制器(6)的控制下协同工作，测量不同高度、角度视场下的工件(3)相应部位；第一结构光测头至第七结构光测头(1a-1g)相对于三坐标测量***(4)位置固定且相对位置精确已知，这些位置信息用以生成各个结构光测头相对于三坐标测量***(4)的坐标系的旋转、平移变换矩阵，进而根据这些矩阵，将不同高度视场下的测量数据统一到三坐标测量***(4)的坐标系中。

4.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，顶尖与转台***(2)包括顶尖及立柱(20)，以及转台(21)，其中，工件(3)的底部设置在转台(21)上，其侧壁及顶部通过顶尖及立柱(20)固定，并能够带动工件(3)旋转，配合结构光测量***(1)以保证工件360度的三维轮廓数据获取；且顶尖与转台***(2)还用以提供高精度的角度定位数据，这些数据用以生成旋转、平移坐标变换矩阵，用以将不同角度视场下的测量数据的坐标系进行统一。

5.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，结构光测量***(1)测量工件时，以保证高速、高精度测量为原则，或多个结构光测头同时独立测量，或时间上相互衔接地测量工件，以避免相邻结构光测头间的相互干扰。

6.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，三坐标测量***(4)按照典型接触式三坐标测量机的方式，对工件的复杂精细结构进行测量，避免了结构光测量***(1)受工件结构、表面反射特性以及金属高反光表面的影响，提供高精度、可靠的测量数据；且三坐标测量***(4)的测量数据用以建立整个工件的测量基准。

7.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，测量时，以三坐标测量***(4)的坐标系为基准，根据各结构光测头相对三坐标测量***(4)的相对位置关系，换算旋转、平移坐标变换矩阵，并经过旋转、平移坐标系转换，将结构光测量***(1)的不同高度、不同角度下的测量数据与三坐标测量***(4)所获取的测量数据进行坐标***一，得到工件的全型面测量数据。

8.根据权利要求1所述的一种用于对工件进行三维轮廓测量的测量***，其特征在于，数据处理及分析***(7)集成了数据处理及分析算法，包括结构光测量***所采集图像的分析、处理以及三维轮廓重建，不同视场测量数据的坐标统一与拼接，以及根据测量数据的工件加工质量评估及误差评定。