CN201348502Y - 三维均质实体数字化测量装置 - Google Patents

Abstract

本新型公开一种三维均质实体数字化测量装置，包括有装夹装置，容器、排液管道、数据处理及控制***、以及通过数据线与数据处理及控制***相连的精密运动控制***、平衡测重***和配重***。夹持装置上夹持有被测三维物体，容器内盛有液体，装夹装置及其夹持的被测三维物体侵入容器的液体内。容器的内部通过该排液管道与容器外部直接连通。精密运动控制***与排液管道联动，控制所述排液管道进行上下微小位移。平衡测重***杠杆和作为杠杆支点的支架，该杠杆的一端悬挂装夹装置及其夹持的被测三维物体，另一端悬挂配重***。本新型可对一般均质实心体以及含有内部与外部相通的内部轮廓的均质三维实体进行无损测量和轮廓重构。

Description

三维均质实体数字化测量装置

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种实体轮廓的测量装置，尤其是一种三维均质实体数字化测量装置。

(二)背景技术：

随着反求工程技术的深入发展，三维实体无损测量及重构理论的研究有着越来越重要的现实意义。

产品反求工程技术最早出现的是接触式探针测量方法，典型代表是三坐标测量仪，它主要应用于由基本的几何形体(如平面、圆柱面、圆锥面、球面等)构成的实体的数字化过程，适用于测量实体外部的几何形状；该方法有较高的精度，但易于损伤测头、划伤被测零件，需要人工干预，且成本高、测量速度慢，对使用环境也有一定要求。二十世纪八十年代以后出现了应用光栅、全息、二维图像等手段的光学非接触测量三维实体的方法。其中，投影光栅法适用于测量实体外部的几何形状；它的测量范围大、测量精度较低，测量速度快，成本低，但不能测量表面变化过陡的物体；激光三角形法测量速度快、精度较高，但被测三维物体的表面不能过于光滑，且成本较高；二维图像法的精度不高，测量数据处理的算法非常复杂。以上几种方法还存在一个共同的缺陷，即：无法测量物体的内部轮廓，存在光学测量的盲点。

目前国际上能够测量物体的内部轮廓的常用方法有核磁共振成象和CT扫描，但缺点是成本很高，而且，对可测零件的尺寸有限制，测量精度低，特别是对被测实体的材料有限制，不能测量工程领域常用的金属材料。另一种能够对物体内部轮廓测量的方法是美国的一项专有技术枛自动断层扫描，该方法虽然测量精度高，但它的测量速度慢、成本高、测量时间长，且测量时要破坏被测零件，因而使其应用也受到了限制。

目前，在含有内部轮廓的均质实体无损测量和重构方面，国内外还没有成熟的测量方法和成果。申请日为2003年4月16日、专利号为ZL03108989.5的中国实用新型专利，介绍了一种运用阿基米德定律，来重建实心体以及包含有内部与外部相通的内部轮廓的三维物体轮廓的装置，其具体方案是：采用液面逐次上升法和可变支点的杠杆结构，通过测量被测三维物体按不同方向和不同浸泡高度被液体浸泡所产生的浮力的合力大小和作用点的位置，再利用测量数据计算出被测三维物体的轮廓和三维尺寸的测量装置。但其缺点与不足在于：操作及后期算法较复杂，易使测量的稳定性和精度受到影响。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的，即在于提供一种能解决上述不足、不仅对于一般均质实心体、而且对于含有内部与外部相通的内部轮廓的均质三维实体，都能进行无损测量和重构轮廓的装置，具体的说是一种三维均质实体数字化测量装置。

为实现上述目的，本实用新型三维均质实体数字化测量装置包括有用于夹持被测三维物体的装夹装置，装入液体以用于浸泡被测三维物体的容器，以及用于监控本三维均质实体数字化测量装置的其它各组件、收集并处理其它各组件的检测信号、以重构被测三维物体轮廓的数据处理及控制***；以及，

排液管道，用于所述容器的排液；所述排液管道与容器外部直接连通，该排液管道中的上端液面与容器中液面在同一水平面；

精密运动控制***，用于控制所述排液管道进行上下微小位移，以实现对所述容器的排液量的控制；

平衡测重***，为杠杆式结构，用于测量液面变化时杠杆两端受力变化值，即本次液面下降时所致的浮力变化值，以进而算出排出液体的体积；同时，还可通过记录液面变化时为保持杠杆平衡，配重***的在杠杆上的移动量和配重的变化值，测出液面变化时被测三维物体对应薄片层所致的浮力变化值和重力矩，从而推算出被测三维物体浸入液体不同深度时单元薄片层的重心位置；

配重***，用于所述杠杆配重，以保持所述平衡测重***的平衡。

上述三维均质实体数字化测量装置技术方案中所述的平衡测重***，包括杠杆和作为杠杆支点的支架，该杠杆的一端悬挂装夹装置及其夹持的被测三维物体，另一端悬挂配重***。作为对本实用新型三维均质实体数字化测量装置的进一步改进，上述配重***还包括精密配重***，用于当液面变化时，为保持杠杆平衡而进行动态配重；根据液面变化时该动态配重值的变化，即可获知浮力的变化值，进而算出排出液体的体积。

为了对润湿效应和液体表面张力带来的影响进行补偿和修正，作为对本实用新型三维均质实体数字化测量装置的另一改进，在所述容器的排液管道的另一端，还接有用于测出容器排出液体的重量，以算出浮力变化值及排出液体体积的精密测重***。

作为对本实用新型三维均质实体数字化测量装置的再进一步改进，所述三维均质实体数字化测量装置还包括有图像采集***，用于在被测三维物体浸入液体不同深度时，对被测三维物体露出液面的部分进行摄像，以获取液面变化时被测三维物体对应薄片层及被测三维物体边缘轮廓的径向变化数据；进而再利用图像处理软件获得被测三维物体纵向的大概轮廓，以及相应的空间坐标信息。此时，所用浸泡被测三维物体的液体优选为有色液体，且密度均匀、表面张力系数很小。

作为对本实用新型三维均质实体数字化测量装置的再进一步改进，为提高检测的自动化，所述配重***还可包括有注液控制机构，所述精密测重***包括有抽液控制机构，以实现对液体配重及称重进行自动控制。

本实用新型三维均质实体数字化测量装置的使用方法及测量步骤为：

1)将被测三维物体离散为有限小的正方体单元实体的集合，每一层正方体单元实体构成一个单元薄片层。

2)将该三维物体完全浸入液体中。

3)使液面逐层等距下降，被测三维物体逐层等距露出液面，其液面每次的下降值为所述单元薄片层的厚度。

具体为：开始测量时，所述排液管中的上端液面与容器中液面在同一水平面。所述排液管受所述精密运动控制***控制可作上下微小位移，从而利用连通器原理，在排液管上端液面位置下降时，容器中液体从排液管排出，容器中液面随之下降。

4)测量液面每次下降时相应薄片层的浮力变化值和重力矩，进而计算出相应薄片层的体积和重心位置。

具体测量通过所述杠杆式平衡测重***实现：所述杠杆的一端为被测三维物体，另一端为可沿杠杆移动的可实现动态配重的配重***；通过记录液面变化时为保持杠杆平衡，配重***的在杠杆上的移动量和配重的变化值，测出相应薄片层的浮力变化值和重力矩。液面每次下降时所致的所述动态配重的变化值，即为本次液面下降时所致的浮力变化值。

为了对润湿效应和液体表面张力带来的影响进行补偿和修正，本步骤4)还可包括使用所述精密测重***，通过该***测量的液面每次下降时排出的液体重量，计算出浮力变化值和体积。结合两次测出的浮力变化值，对算出的所测单元薄片层的体积进行补偿和修正。

在测量中，还可包括图像采集步骤，即在三维物体浸入液体不同深度时，对三维物体露出液面的部分进行摄像，计算出各单元薄片层的大概轮廓。

为便于拍摄，及减少润湿效应和表面张力等因素的影响，上述方案中所用的浸泡被测三维物体的液体取有色液体，且密度均匀、表面张力系数很小。

为了提高测量的精度，所述测量包括对被测三维物体的X、Y、Z三个相互垂直方向的测量，即分别将被测三维物体沿X、Y、Z三个方向浸入液体中，并对每个方向上的物体的轮廓进行重建，构建出三维物体的几何模型。

5)结合步骤4)所得信息，推算出被测三维物体各单元薄片层上微小正方体单元实体的数量及其在三维坐标系中的位置；

6)利用计算机软件重构出被测三维物体的轮廓。

与现有的三维实体测量及重构方法及设备相比，本实用新型三维均质实体轮廓数字化测量装置的优点为：

(1)可以无损测量带有通孔等内部轮廓的三维实体测量；

(2)可测量各种不被液体浸泡破坏的所有均匀材料的三维物体，特别是金属材料物体；

(3)测量方法简单，测量数据少，成本低，对被测三维物体的尺寸无限制；

(4)用测量数据实现数字化三维物体的计算方法简单、计算量小；

(5)可操作性、稳定性及可行性高，而且，成本较低，精度较高。

(6)可实现非接触自动化测量。

(四)附图说明：

图1是本实用新型三维均质实体数字化测量装置的一个实施例的基本结构示意图。

图2是本实用新型三维均质实体数字化测量装置一个实施例的硬件控制关系框图。

图3是本实用新型三维均质实体数字化测量装置的一个计算机处理程序的初始化处理***框图。

图4是本实用新型三维均质实体数字化测量装置的一个计算机处理程序的测量控制***框图。

图5是本实用新型三维均质实体数字化测量装置的一个计算机处理程序的图像采集控制***框图。

图6是本实用新型三维均质实体数字化测量装置的一个计算机处理程序的边缘提取处理与测量计算***框图。

附图标记：

1-平衡测重***                2-装夹装置        3-容器(浸泡被测物用)

4-数据处理及控制***          5-排液管道        6-精密运动控制***

7-配重***                    8-精密配重***    9-精密测重***

10-图像采集***               11-被测三维物体   12-容器(收集排液用)

(五)具体实施方式：

以下结合附图对本实用新型三维均质实体数字化测量装置作进一步的说明。

图1和图2分别是本实用新型三维均质实体轮廓测量方法和三维均质实体数字化测量装置的一个实施例的基本结构示意图和硬件控制关系框图。

本实用新型三维均质实体数字化测量装置，可用于测量实心体、以及包含有内部与外部相通的内部轮廓的三维物体的轮廓。如图所示的三维均质实体数字化测量装置，包括有装夹装置2、浸泡被测三维物用的容器3、杠杆式平衡测重***1、配重***7、精密运动控制***6、精密测重***9、图像采集***10及数据处理及控制***4等；杠杆式平衡测重***1的一端为装夹装置2及其夹持的被测三维物体11，另一端悬挂配重***7。容器3的排液管道5，与容器3外部直接连通，并可受精密运动控制***9控制作上下微小位移。精密运动控制***9，利用连通器原理，通过控制排液管道5中的上端液面的位置，实现对容器3排液量的控制；排液管道5的另一端接至精密测重***9；测试过程中，排液管道5中的上端液面与容器3中液面在同一水平面，从容器3中排出的液体，通过排液管道5，进入收集排液用的容器12。

测试过程中，当容器3中液面下降、被测三维物体11浸入液体中的深度改变时，被测三维物体11受到的液体的浮力也相应发生变化。此时配重***7中的精密配重***8可测出浮力变化值。液面变化时杠杆两端受力的变化值，即本次液面下降时所致的浮力变化值，进而可算出本次排液的体积；同时，当测试时设置液面为逐层等距下降，被测三维物体逐层等距露出液面，液面每次的下降值为所述单元薄片层的厚度，则每次液面下降时所致的浮力变化值，即为相应薄片层导致的浮力变化值，亦即该薄片层的体积。由阿基米德定律：浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体的重量：F₁＝G₁＝p₁gV₁。通过精密测重***9测出容器12收集到的液面每次下降时容器排出液体的重量，即可计算出浮力变化值，从而算出排出液体的体积，再结合测得的重力矩，从而可推算出被测三维物体浸入液体不同深度时单元薄片层的重心位置。

图1中，通过精密测重***9测出容器12收集到的液面每次下降时容器排出液体的重量，结合精密配重***8所测相应层的浮力变化值，用于对润湿效应和液体表面张力带来的影响进行补偿和修正。

图1中的图像采集***10，用于在被测三维物体11浸入液体不同深度时，对被测三维物体露出液面的部分进行摄像，以获取被测三维物体边缘轮廓的径向变化数据，摄像头可用2个分布在被测物体周围；进而，利用图像处理软件，即可获得被测三维物体纵向的大概轮廓，并转化为相应的空间坐标信息。为便于拍摄，及减少润湿效应和表面张力等因素的影响，测量时所用浸泡被测三维物体的液体为有色液体，且密度均匀、表面张力系数很小；

数据处理及控制***4，包括有计算机，用于监控本三维均质实体数字化测量装置的其余各***，收集并处理其余各***的检测信号，以获取被测三维物体的浮力变化值和重力矩，计算出排液体积及质量、单元薄片层的重心值、三维信息等数据，从而利用CAD三维图形处理软件重构出被测实体的轮廓，通过计算机逆向处理软件以获得产品的几何模型。

为提高检测的自动化，当然还可对上述三维均质实体数字化测量装置作再进一步改进，如图2所示，为配重***7配上注液控制机构，同时为精密测重***8配上抽液控制机构，以实现对液体配重及称重进行自动控制。

与上述三维均质实体轮廓数字化测量装置相对应的三维均质实体轮廓数字化测量方法为：

1)将被测三维物体11离散为有限小的正方体单元实体的集合，每一层正方体单元实体构成一个单元薄片层；

2)将该三维物体11完全浸入容器3内的液体中；液体取有色且密度均匀、表面张力系数很小的混合配制液体；

通过配重***7调节平衡测重***1平衡，计算机软件自动记录此时配重***7及精密配重***8上反馈的测试数据；精密运动控制***6初始状态保证排液管上端液面与容器中液面在同一水平面。精密测重***6把初始重记录在计算机中，摄像头10准备摄像；

3)精密运动控制***6带动排液管5的上端液面下移，使容器3中的液面逐层等距下降，被测三维物体11逐层等距露出液面；液面每次的下降值为所述单元薄片层的厚度；排出液体流入容器12中；

4)精密测重***测9出流入容器12中的液体的重量，即液面每次下降时排出的液体重量，并送入计算机中。由阿基米德定律：浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体的重量。从而，由F₁＝G₁＝p₁gV₁计算得到相应薄片层的浮力变化值和体积；

同时，由于液面的变化，平衡测重***1要维持杠杆平衡，则配重***7的受力将改变，计算机记录平衡时配重***7及精密配重***8的数值及力矩。根据平衡测重***1中杠杆各支点的受力和距离关系，可以测出被测三维物体各单元薄片层的重力矩。当被测材料是均匀材料时，利用材料的比重，可获得三维物体各单元薄片层的重量和重心位置，其重量等于与单元薄片层同等体积的被测三维物体的重量，当单元薄片层的厚度取得很小时，每个单元体素体重心的位置可视为处于单元体素体的中点，重心在水平方向的位置由测量数据求出。通过组合单元体素体还可根据这些单元体素体的重量和重心计算得到需要的组合薄片层的重量和重心位置。据此，通过多次测量，结合材料的比重，即可逐层计算并提取被测三维物体各薄片层的体积、质量、重心信息；

同时，在被测三维物体浸入液体不同深度时，对其露出液面的部分进行摄像，从而可计算出各单元薄片层的大概轮廓；

5)结合步骤4)所得信息，推算出被测三维物体各单元薄片层上微小正方体单元实体的数量及其在三维坐标系中的位置；

6)利用三维图形处理软件重构出被测三维物体的轮廓；

7)利用计算机逆向处理软件获得被测三维物体的几何模型。

为了提高测量的精度，可对被测三维物体的X、Y、Z三个相互垂直方向进行测量，即分别将被测三维物体沿X、Y、Z三个方向浸入液体中，并对每个方向上的物体的轮廓进行重建，构建出三维物体的几何模型。

本实用新型三维均质实体轮廓测量方法和三维均质实体数字化测量装置所用的***软件主要包括初始化处理***、测量控制***、图像采集处理与边缘提取***、测量计算***和三维模型重构***：

(1)初始化处理***

主要用于确定、调整或计算各个控制参数，并用这些参数来初始化软件的设置参数，初始化处理***框图如图3所示。主要有排液管与容器液面位置、平衡测重***水平调整、运动控制***每次运行间距和运行次数、计算排液时间间隔、确定采集图像时刻、确定图像采集参数及区域等，通过配重***来调整平衡测重***水平，根据被测实体的尺寸和测量精度计算出每次运动控制***运行的距离和运行次数，排液时间间隔及采集图像时刻根据每次液面下降距离和容器3的大小以及液体从排液管道排出的稳定时间进行推算。采集图像的次数与运动控制***运行次数相等。由于摄像头在采集过程中离被测轮廓面的距离不断增大，因此所摄图像也在不断变化，通过设定采集四个标志来对采集后的图像进行处理，根据这些标志来对图像进行适当的缩放处理以达到相同的标志尺寸，便于后面轮廓追踪处理。

(2)测量控制***

测量控制***主要保证***的协调和稳定等距运行，并控制图像采集***同步采集图像。测量控制***框图如图4所示。同时，为了测量精密仪器过载保护，当达到设定条件时驱动配重***对***配重，对配重前后现场各仪器值进行记录，以便于后面测量运算。可采用美国BAYSIDELM系列运动平台作为精密运动控制***，其重复定位精度达±5微米，通过倾斜一定角度安装工作台以实现***精密定位，精密运动平台通过计算机根据PMAC控制指令，控制排液管上部机构每次下降设定距离，保证被测实体每次露出液体的高度度都一样。记录受力变化的测量仪器可采用瑞士Metter-Toledo AB203-S电子分析天平1，最大称量值为220g，测量精度0.1mg，它通过串口与计算机直接相连，用于测量***受力变化值。

(3)图像采集控制***

图像采集控制***和精密运动控制***协调控制运行，主要用于控制图像实时准确采集及计算机各方面的协调，其框图如图5所示。在测量过程中，摄像头按一定的角度布置，液体颜色为黑色，主要摄取液面交界处的轮廓，通过图像缩放进行定标，以便使每个单元正方体的计算提供方便，所以图像采集的精度不需要很高。

(4)边缘提取处理与测量计算***

边缘提取处理与测量计算***主要是为计算出空间坐标中单元正方体的所在的位置，也就是计算出被测实体所有空间坐标点。边缘提取处理***是为测量计算***计算简化，可以通过边缘提取处理推算出一部分空间单元正方体。测量计算***联合被测实体每层所含实体数量方程、所测每层重心坐标方程、被测实体图形组成上下层的关联性质和所有单元正方体只能取0或1等信息和方程，通过智能计算可以算出空间坐标系中的各单元正方体，达到了被测实体所有点数字化的测量目的。图6为边缘提取处理与测量计算***框图。

(5)三维模型重构***

由于以上测量***和软件***把被测实体所有点的坐标都求出并对误差点进行了相应的处理，即被测三维物体的点云图已求出，三维模型重构***只需进行数据点云模型分析，由点及线，由线及面，来构造特征和重构模型，用常规主流商用CAD软件即可构建出三维产品实体模型。

Claims (4)

1.三维均质实体数字化测量装置，包括有用于夹持被测三维物体的装夹装置，装入液体以用于浸泡被测三维物体的容器，以及监控组件、收集并处理其它各组件的检测信号、重构被测三维物体轮廓的数据处理及控制***；其特征在于：还包括有

排液管道，所述排液管道与容器外部直接连通，该排液管道中的上端液面与容器中液面在同一水平面；

用于控制所述排液管道进行上下微小位移，以实现对所述容器的排液量的控制的精密运动控制***；

平衡测重***，为杠杆式结构，包括杠杆和作为杠杆支点的支架，该杠杆的一端悬挂装夹装置及其夹持的被测三维物体，另一端悬挂保持所述杠杆平衡的配重***。

2.根据权利要求1所述的三维均质实体数字化测量装置，其特征在于：所述配重***还包括进行动态配重的精密配重***。

3.根据权利要求2所述的三维均质实体数字化测量装置，其特征在于：所述容器的排液管道的另一端还接有用于测出容器排出液体的重量，以算出排出液体的体积的精密测重***。

4.根据权利要求3所述的三维均质实体数字化测量装置，其特征在于：精密测重***包括有抽液控制机构。

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