CN112268506B - 基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法 - Google Patents

基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，先将待测产品与两个定位块保持相对静止，从而确保扫描检测得到的任一幅数据图像中同时包括待测产品与两个定位块的数据，进行多角度采集后得到全部数据，然后将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，利用数据采集软件的注册功能对两个定位块的数据进行注册，从而完成两个定位块的位置计算和数据拼接，由于每幅数据图像中均同时包括待测产品和两个定位块的数据，当两个定位块完成数据拼接后，意味着待测产品的数据也完成了数据拼接，数据拼接精度高，并且无需贴参考点，省时省力，降低了使用成本，可以很好地适用于小尺寸零件、叶片、薄壁件等零件的数据拼接。

Description

基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法
技术领域
本发明涉及非接触式光学扫描检测技术领域，特别地，涉及一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法。
背景技术
非接触式光学扫描检测在汽车零部件及航天航空毛坯产品的尺寸测量方面应用十分广泛，光学扫描检测设备在检测时需要对产品进行多角度、全方位的检测，检测过程中产生的多幅数据需要利用产品重合区域注册拼接或者贴参考点定位拼接。
具体地，利用产品重合区域注册拼接的方式是基于特征进行数据拼接，例如，现有专利CN106767524A即采用了三维高精度扫描仪获得产品各个角度下的三维点云数据，然后根据点云数据特征进行拼接，从而生成完整的三维点云数据。但是，这种方式对于扫描检测设备的精度要求较高，设备价格昂贵，并且叶片数据在拼接时因自身结构导致叶盆、叶背、两边 R角无重合部分的数据，从而导致拼接精度较低。而在产品上贴参考点定位拼接的方式是需要先在产品上贴参考点，后续基于参考点定位进行数据拼接。但是，这种方式需要在产品的多个方位贴参考点，数据拼接精度受产品形状和参考点的密集度影响，贴参考点的过程繁琐且耗时耗力，且参考点为一次性使用，使用成本较高，并且也不适用于尺寸小而导致无法贴参考点的零件。
发明内容
本发明提供了一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，以解决目前的数据拼接方式存在的数据拼接精度低、不适于小尺寸零件测量的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，包括以下步骤：
步骤S1：将顶部定位块固定在支撑架上，将支撑架和底部定位块固定在测量平台上，将夹具固定在底部定位块上，将待测产品夹持在夹具上；
步骤S2：利用非接触式光学扫描检测设备对待测产品、顶部定位块、底部定位块进行多角度数据采集直至采集到待测产品、顶部定位块和底部定位块的全部数据；
步骤S3：将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，对多幅数据图像中顶部定位块和底部定位块的数据进行注册，完成顶部定位块和底部定位块的数据拼接，从而间接完成多幅数据图像中待测产品的数据拼接。
进一步地，还包括以下步骤：
步骤S4：将数据拼接完成后的顶部定位块和底部定位块的完整数据与其预存的标准数据进行比对，根据比对结果快速判断数据拼接误差以及误差来源。
进一步地，所述顶部定位块和底部定位块为不规则多面体结构、圆柱体结构、球体结构或者正多面体结构。
进一步地，所述顶部定位块和底部定位块由连续交错的八个型面构成。
进一步地，所述顶部定位块和底部定位块为梯型面连续斜交错的不规则八面体结构。
进一步地，在所述步骤S2中，每间隔45°采集一次数据，共采集8 次后完成360°数据采集。
进一步地，所述步骤S3中对多幅数据图像中顶部定位块和底部定位块的数据进行注册的过程具体包括以下内容：
利用数据采集软件的注册功能对每两次相邻采集的数据图像中顶部定位块和底部定位块的重合区域进行注册，在数据采集软件中设置参数目标后，数据采集软件进行迭代计算达到设定参数目标后即完成数据的定位和拼接。
进一步地，所述非接触式光学扫描检测设备为三维结构光检测设备、激光扫描仪、蓝光扫描仪中的任一种。
进一步地，所述支撑架和底部定位块固定在数控转台上，进行数据采集时，保持检测设备不动，控制数控转台转动以进行多角度数据采集。
进一步地，所述夹具采用虎钳。
本发明具有以下效果：
本发明的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，先将待测产品与顶部定位块、底部定位块保持相对静止，从而确保扫描检测得到的任一幅数据图像中同时包括待测产品与顶部定位块、底部定位块三者的数据，进行多角度采集后得到三者的全部数据，然后将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，利用数据采集软件的注册功能对顶部定位块和底部定位块的数据进行注册，从而完成顶部定位块和底部定位块的位置计算和数据拼接，由于每幅数据图像中均同时包括待测产品与顶部定位块、底部定位块三者的数据，当顶部定位块和底部定位块完成数据拼接后，意味着待测产品的数据也完成了数据拼接。本发明的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，基于上下两个定位块进行定位和数据拼接，上下两个定位块的形状轮廓明显，确保了在任意相邻角度下采集的两幅数据图像中均存在重合区域，从而数据拼接精度高，并且无需贴参考点，省时省力，降低了使用成本，可以很好地适用于小尺寸零件、叶片、薄壁件等零件的数据拼接。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法的流程示意图。
图2是本发明优选实施例的待测产品、夹具、顶部定位块、底部定位块以及支撑架的固定结构示意图。
图3是本发明优选实施例的非接触式光学扫描检测设备在每个角度下采集到的数据图像。
图4是本发明优选实施例的非接触式光学扫描检测设备在相邻三个角度下采集到的数据图像的重合情况。
图5是本发明优选实施例的非接触式光学扫描检测设备在八个角度下采集到的数据图像的重合情况。
图6是本发明优选实施例的八个角度下采集到的数据图像最终拼接完成后的数据图像。
图7是本发明优选实施例的顶部定位块和底部定位块的结构示意图。
图8是图1中的步骤S4中将拼接完成后定位块的完整数据图像与其预存的标准数据图像进行比对的示意图。
附图标记说明
1、顶部定位块；2、待测产品；3、夹具；4、底部定位块；5、支撑架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其包括以下步骤：
步骤S1：将顶部定位块1固定在支撑架5上，将支撑架5和底部定位块4固定在测量平台上，将夹具3固定在底部定位块4上，将待测产品 2夹持在夹具3上；
步骤S2：利用非接触式光学扫描检测设备对待测产品2、顶部定位块 1、底部定位块4进行多角度数据采集直至采集到待测产品2、顶部定位块 1和底部定位块4的全部数据；
步骤S3：将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，对多幅数据图像中顶部定位块1和底部定位块4的数据进行注册，完成顶部定位块1和底部定位块4的数据拼接，从而间接完成多幅数据图像中待测产品 2的数据拼接。
可以理解，本实施例的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，先将待测产品2与顶部定位块1、底部定位块4保持相对静止，从而确保扫描检测得到的任一幅数据图像中同时包括待测产品2与顶部定位块1、底部定位块4三者的数据，进行多角度采集后得到三者的全部数据，然后将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，利用数据采集软件的注册功能对顶部定位块1和底部定位块4的数据进行注册，从而完成顶部定位块1和底部定位块4的位置计算和数据拼接，由于每幅数据图像中均同时包括待测产品2与顶部定位块1、底部定位块4三者的数据，当顶部定位块1和底部定位块4完成数据拼接后，意味着待测产品2的数据也完成了数据拼接。本发明的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，基于上下两个定位块进行定位和数据拼接，上下两个定位块的形状轮廓明显，确保了在任意相邻角度下采集的两幅数据图像中均存在重合区域，从而数据拼接精度高，并且无需贴参考点，省时省力，降低了使用成本，可以很好地适用于小尺寸零件、叶片、薄壁件等零件的数据拼接。
具体地，如图2所示，在所述步骤S1中，通过将支撑架5和底部定位块4固定在测量平台上，再将夹具3固定在底部定位块4上，将顶部定位块1固定在支撑架5上，然后将待测产品2夹持的夹具3上，从而实现了顶部定位块1、底部定位块4、待测产品2三者之间保持相对静止，从而确保在后续扫描得到的任一幅数据图像中同时包含顶部定位块1、底部定位块4、待测产品2三者的数据。另外，所述夹具3优选采用虎钳，结构简单，成本较低。并且，在夹具3上也可以贴参考点，后续基于参考点定位进行数据拼接，通用性更好。作为优选的，所述支撑架5和底部定位块4均固定在数控转台上，以便于调整位置进行多角度数据采集。
可以理解，在所述步骤S2中，采用的非接触式光学扫描检测设备可以是三维结构光检测设备、激光扫描仪、蓝光扫描仪中的任一种。另外，进行多角度采集的方式为：保持待测产品2固定不动，转动非接触式光学扫描检测设备对待测产品2、顶部定位块1和底部定位块4进行多角度采集；或者保持非接触式光学扫描检测设备不动，通过转动待测产品2、顶部定位块1和底部定位块4进行多角度采集。作为优选的，每间隔45°采集一次数据，一共采集8次后，即完成待测产品2、顶部定位块1和底部定位块4的360°全方位数据采集，至此数据采集完成，每间隔45°进行一次数据采集的方式，既可以确保相邻角度下采集到的数据图像之间存在重合数据，提高了数据拼接精度，并且仅需8次既可完成全部数据的采集，提高了检测效率。图3中所示的是非接触式光学扫描检测设备在每个角度下(即一次数据采集)采集到的数据图像，其每次扫描采集的角度范围约为135°，图4所示的是非接触式光学扫描检测设备在相邻三个角度下采集到的数据图像的重合情况，图5所示的是非接触式光学扫描检测设备在八个角度下采集到的数据图像的重合情况，图6所示的是最终拼接完成后的数据图像。
另外，作为优选的，本发明采用将支撑架5和底部定位块4固定在数控转台上，进行数据采集时，保持非接触式光学扫描检测设备不动，控制数控转台每转动45°后再控制非接触式光学扫描检测设备进行一次数据采集，从而便于实现转动角度的精准化控制和自动化检测。另外，可以理解，在每次扫描检测时还可以同时获取支撑架5和夹具3的数据，但是在输入数据采集软件之前需要将支撑架5和夹具3的数据剔除掉，因为两者的数据对于定位计算和数据拼接无影响，将其剔除掉之后可以提高数据采集软件的迭代计算效率和数据拼接精度。
可以理解，在所述步骤S3中，对多幅数据图像中顶部定位块1和底部定位块4的数据进行注册的过程具体包括以下内容：
利用数据采集软件的注册功能对每两次相邻采集的数据图像中顶部定位块1和底部定位块4的重合区域进行注册，在数据采集软件中设置参数目标后，数据采集软件进行迭代计算达到设定参数目标后即完成数据的定位和拼接。
具体地，利用数据采集软件的注册功能可以一次性对采集到的8组数据图像中的所有重合部位进行抽样和计算，经过迭代计算后可以完成两个定位块的位置计算和数据拼接。为了提高数据拼接精度，作为优选的，采用对每两次相邻采集的数据图像的重合区域进行注册，相邻两次采集的数据图像中的重合区域面积最大，对重合区域进行注册后位置计算和数据拼接的精度更高。其中，数据采集软件的注册功能属于现有软件的自带功能，具体内容在此不再赘述。
其中，所述顶部定位块1和底部定位块4为不规则多面体结构、圆柱体结构、球体结构或者正多面体结构。作为优选的，所述顶部定位块1和底部定位块4由连续交错的八个型面构成，从而保证非接触式光学扫描检测设备在每个角度下扫描检测获得的数据图像中可以采集到尽可能多的质量高的点数据，并且在进行多角度采集数据时，保证重合区域的数据尽可能地多，进一步提高了数据拼接的精度。作为进一步优选的，如图7所示，所述顶部定位块1和底部定位块4为梯型面连续斜交错的不规则八面体结构，即定位块的周向表面上有八个面，而这八个面由正梯形和倒梯形依次规律设置，八个梯形面连续斜交错的设计可以确保数据拼接精度不受 XYZ三个方向平移、Z轴转动、尺寸缩放等影响，进一步提高了数据拼接精度，并且有利于快速判断数据拼接结果的准确性。此时，若采取圆柱体结构、球体结构、正多面体结构或者其它规则多面体结构，其相邻的型面存在对称性，从而其数据拼接精度则会受到XYZ三个方向平移、Z轴转动、尺寸缩放等因素影响，导致数据拼接精度低，而且为了后续快速判断拼接结果的准确性，要求定位块的结构需具有一定的规律，故而定位块不能采用不规则的凹凸设计，因此，本发明的两个定位块通过采用梯型面连续斜交错的不规则八面体结构，既可以保证数据拼接精度不会受到XYZ 三个方向平移、Z轴转动、尺寸缩放等因素影响，进一步提高了数据拼接精度，并且周向表面结构设计具有一定的规律，即正梯形和倒梯形依次规律设置，有利于快速判断数据拼接结果的准确性。
作为优选的，所述基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法还包括以下步骤：
步骤S4：将数据拼接完成后的顶部定位块1和底部定位块4的完整数据与其预存的标准数据进行比对，根据比对结果快速判断数据拼接误差以及误差来源。
具体地，通过将数据拼接完成后的两个定位块的完整数据图像与其预存的标准数据图像进行比对，可以根据比较结果快速地判断出数据拼接误差以及误差来源，可以直观快捷地显示拼接精度和误差来源。如图8所示，例如可以直观地体现出具体的误差来源是扫描采集时出现的数据缩放、数据拼接时垂直方向偏移、数据拼接时水平方向平移、数据拼接时角向旋转等因素中的哪一种。因此，本发明的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，通过将数据拼接完后的定位块的完整数据图像与其预存的标准数据图像进行比对，通过定位块的拼接结果可以快速直观地显示数据拼接精度以及误差来源，这是目前的利用产品重合区域注册拼接的方式和贴参考点定位拼接方式均无法实现的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (7)

1.一种基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：将顶部定位块(1)固定在支撑架(5)上，将支撑架(5)和底部定位块(4)固定在测量平台上，将夹具(3)固定在底部定位块(4)上，将待测产品(2)夹持在夹具(3)上；所述顶部定位块(1)和底部定位块(4)为梯型面连续斜交错的不规则八面体结构；
步骤S2：利用非接触式光学扫描检测设备对待测产品(2)、顶部定位块(1)、底部定位块(4)进行多角度数据采集直至采集到待测产品(2)、顶部定位块(1)和底部定位块(4)的全部数据；
步骤S3：将采集到的多幅数据图像导入到数据采集软件中，对多幅数据图像中顶部定位块(1)和底部定位块(4)的数据进行注册，完成顶部定位块(1)和底部定位块(4)的数据拼接，从而间接完成多幅数据图像中待测产品(2)的数据拼接。
2.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
还包括以下步骤：
步骤S4：将数据拼接完成后的顶部定位块(1)和底部定位块(4)的完整数据与其预存的标准数据进行比对，根据比对结果快速判断数据拼接误差以及误差来源。
3.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
在所述步骤S2中，每间隔45°采集一次数据，共采集8次后完成360°数据采集。
4.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
所述步骤S3中对多幅数据图像中顶部定位块(1)和底部定位块(4)的数据进行注册的过程具体包括以下内容：
利用数据采集软件的注册功能对每两次相邻采集的数据图像中顶部定位块(1)和底部定位块(4)的重合区域进行注册，在数据采集软件中设置参数目标后，数据采集软件进行迭代计算达到设定参数目标后即完成数据的定位和拼接。
5.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
所述非接触式光学扫描检测设备为三维结构光检测设备、激光扫描仪、蓝光扫描仪中的任一种。
6.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
所述支撑架(5)和底部定位块(4)固定在数控转台上，进行数据采集时，保持检测设备不动，控制数控转台转动以进行多角度数据采集。
7.如权利要求1所述的基于非接触式光学扫描检测的数据拼接方法，其特征在于，
所述夹具(3)采用虎钳。
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