CN217953421U - 一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置 - Google Patents

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李文龙
张晋华
郑雪松
田亚明
陈锐
杨文韬
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Abstract

本实用新型公开了一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,包括转台、专用夹具和支撑架,其中,支撑架包括具有水平横向导轨的第一板条和第二板条;专用夹具装配于第一板条上,专用夹具具有第一安装位和第二安装位,第一安装位具有水平朝向的安装孔,激光发射器嵌于第一安装位中的安装孔后发射水平激光,第二安装位具有垂直朝向的安装孔,振镜嵌于第二安装位中的安装孔后调节水平激光的扫描方向;转台装配于第二板条上,转台具有可于水平面内旋转的旋转座以用于安装工业相机,工业相机安装于转台后采集激光条纹图像。通过振镜的旋转反射线激光以扫描整个被测物体,借助单目工业相机完成物体的重建和测量。

Description

一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置
技术领域
本实用新型属于三维测量技术领域,更具体地,涉及一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置。
背景技术
目前,三维测量已经成为现代工业领域必不可少的一部分,可应用于零件的合格性检测,场景的三维重建等。尤其是在设计和检测零件时,对于零件物理尺寸的获得是不可或缺的,其一,三维测量的结果可以为设计者提供指导性的意见,其二,测量结果直接反应了加工的合格与否,因此三维测量显的尤为重要。
利用工业相机和激光完成测量的策略多种多样。传统的测量手段具有一定的局限性,例如,单线激光加工业相机的测量,只能重建一个条纹,需要被测物体或者传感器运动以实现扫描,效率较低,适用性较差;面阵激光虽能重建整体,但是其测量范围是固定的,无法针对不同大小的物体实现合适的测量。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本实用新型提供了一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其目的在于通过振镜的旋转反射线激光,从而使得线激光能扫描整个被测物体,借助单目工业相机完成物体的重建和测量,由此解决传统测量适应性差的技术问题。
为实现上述目的,按照本实用新型的一个方面,提供了一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,包括转台、专用夹具和支撑架,其中,
支撑架包括底板、立柱以及具有水平横向导轨的第一板条和第二板条;
专用夹具装配于所述第一板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,专用夹具具有用于安装激光发射器的第一安装位和用于安装振镜的第二安装位,所述第一安装位具有水平朝向的安装孔,激光发射器嵌于所述第一安装位中的安装孔后发射水平激光,所述第二安装位具有垂直朝向的安装孔,振镜嵌于所述第二安装位中的安装孔后调节水平激光的扫描方向;
转台装配于所述第二板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,转台具有可于水平面内旋转的旋转座以用于安装工业相机,工业相机安装于转台后采集激光条纹图像。
在其中一个实施例中,还包括激光发射器、振镜和工业相机,其中,
激光发射器嵌于专用夹具的第一安装位中的安装孔中;
振镜嵌于专用夹具的第二安装位的安装孔中;
工业相机安装于转台的旋转座上;
其中,振镜的物理转轴与反射表面中心线重合;激光发射器的出射线激光平面平行于振镜的物理转轴,出射线激光打在振镜的反射表面中心线上。
在其中一个实施例中,工业相机的光轴、振镜的中心点和线激光发射器的轴心线处于同一水平高度。
在其中一个实施例中,专用夹具的第二安装位包括朝垂直方向相对设置的上板面和下板面以及连接所述上板面和下板面的第一侧板面,所述上板面和所述下板面具有正投影重合的安装孔;所述第一侧板面上具有水平凸起的第一安装条,所述第一安装条与所述第一板条固定;
专用夹具的第一安装位包括位于上板面上的第二侧板面,所述第二侧板面上具有沿水平方向贯穿所述第二侧板面的安装孔。
在其中一个实施例中,所述第一板条的高度低于所述第二板条的高度。
在其中一个实施例中,转台包括第二安装条、水平纵向导轨以及旋转座,其中,所述第二安装条与所述第二板条固定,所述水平纵向导轨位于所述第二安装条上并沿水平纵向延伸,所述旋转座位于所述水平纵向导轨上,所述旋转座可沿所述水平纵向导轨纵向滑动以及围绕所述旋转座的纵向轴旋转。
在其中一个实施例中,激光发射器为STR-520-50-T-HR-L01-60-S-XX,长度为95mm,直径为19.1mm,电压为0.5-5V。
在其中一个实施例中,工业相机为300万像素精度的acA1920-40gm。
在其中一个实施例中,振镜为QS30Y-AG振镜。
在其中一个实施例中,还包括标定单元,用于通过标定算法对振镜坐标系和工业相机坐标系进行转换。
总体而言,通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1)本实用新型解决了传统线激光传感器受限于环境空间狭小导致扫描范围受限的难题,采用单轴振镜扩展了线激光传感器的扫掠空间,显著提高了自扫描测量***的集成度与自动化程度。
2)本实用新型针对为大尺寸零件,需要更大的扫描范围时,利用单轴振镜旋转的高响应速度可实现快速测量。
3)本实用新型结构简单、紧凑,扫描范围广,操作方便,实用性强。
附图说明
图1为一实施例中的一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置的结构示意图;
图2为一实施例中的支撑架装配示意图;
图3为一实施例中的专用夹具的装配示意图;
图4为一实施例中的振镜的结构示意图;
图5为一实施例中的线激光发射器的结构示意图;
图6为一实施例中的转台的装配示意图;
图7为一实施例中的工业相机的结构示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
100、激光发射器;101、振镜;102、工业相机;103、转台;104、专用夹具;105、支撑架。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。此外,下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置包括转台103、专用夹具104和支撑架105,其中,转台103和专用夹具104安装于支撑架105上,转台103用于安装工业相机102,专用夹具104用于安装激光发射器100和振镜101。
具体的,如图2所示,支撑架105包括底板、立柱以及具有水平横向导轨的第一板条和第二板条。底板用于支撑所有结构,两个立柱实现结构的上下调整,若干板条实现结构在水平面上的位置调整。
专用夹具104装配于第一板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,专用夹具104具有用于安装激光发射器100的第一安装位和用于安装振镜101的第二安装位,第一安装位具有水平朝向的安装孔,激光发射器100嵌于第一安装位中的安装孔后发射水平激光,第二安装位具有垂直朝向的安装孔,振镜101嵌于第二安装位中的安装孔后调节水平激光的扫描方向。
转台103装配于第二板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,转台103具有可于水平面内旋转的旋转座以用于安装工业相机102,安装工业相机102安装于转台103后采集激光条纹图像。
具体的,当激光发射器100嵌于专用夹具104的第一安装位中的安装孔中,振镜101嵌于专用夹具104的第二安装位的安装孔中,工业相机102安装于转台103的旋转座上后,振镜101的物理转轴与反射表面中心线重合;激光发射器100的出射线激光平面平行于振镜101的物理转轴,出射线激光打在振镜101的反射表面中心线上。即,专用夹具保证了振镜和线激光发射器的位置关系,使得出射的线激光打在振镜反射表面的中心线上,激光平面平行于振镜转轴。转台连接了支撑架和工业相机,上有调整装置可实现工业相机的旋转。整体的设计使得工业相机光轴,振镜表面中心点,线激光发射器轴心线在一个平面内。
其中,为保证振镜转轴和线激光发射器轴心线的垂直,专用夹具中包含了许多突起的限位结构,以保证对应的约束。振镜的安装和线激光发射器的安装均采用半圆槽的方式,同时限制五个自由度,振镜主体和连接件的面接触保证了剩余一个方向的移动自由度,下方由盖板压紧。具体的,如图3所示,专用夹具104的第二安装位包括朝垂直方向相对设置的上板面和下板面以及连接上板面和下板面的第一侧板面,上板面和下板面具有正投影重合的安装孔。如图4所示的振镜101***第二安装位的安装孔中进行限位。具体的,振镜101选用QS30Y-AG振镜第一侧板面上具有水平凸起的第一安装条,第一安装条与第一板条固定。专用夹具104的第一安装位包括位于上板面上的第二侧板面,第二侧板面上具有沿水平方向贯穿第二侧板面的安装孔。如图5所示的激光发射器100***第二侧板面上的安装孔内进行限位。具体的,激光发射器100选用STR-520-50-T-HR-L01-60-S-XX,长度为95mm,直径为19.1mm,电压为0.5-5V。
如图6所示,转台103包括第二安装条、水平纵向导轨以及旋转座,其中,第二安装条与第二板条固定,水平纵向导轨位于第二安装条上并沿水平纵向延伸,旋转座位于水平纵向导轨上,旋转座可沿水平纵向导轨纵向滑动以及围绕旋转座的纵向轴旋转。如图7所示的工业相机102安装于旋转座上,旋转台右侧的旋钮控制其旋转角度,以调整到更好的视角。工业相机102可以选择300万像素精度的acA1920-40gm。本实施例中,工业相机的内参,外参和畸变参数,采用张正友标定法标定,标定板采用11*8的棋盘格标定板,每个方格的尺寸为30*30mm的正方形。
在一实施例中,整个装置还包括标定单元,用于通过标定算法对振镜坐标系和工业相机坐标系进行转换。具体的,以一个激光平面为例,通过拍摄标定板在导轨上不同位置的图片,获得工业相机的外参,再借助交比不变原理将激光条纹中心线从像素坐标系转换到工业相机坐标系中。由于标定板的移动,一个激光平面可获得多个条纹中心线的三维信息,将所有的三维点拟合一个平面即为该激光平面的参数。改变振镜电压获取多个激光平面。所有激光平面拟合一条转轴即为振镜转轴在工业相机坐标系下的向量,再将第一个面的法向量作为第二轴,两轴叉乘获得第三轴,即求解得到了振镜坐标系和工业相机坐标系的变换。
本实施例中,振镜内部参数,即振镜旋转角度和电压的关系也通过标定算法获得。具体的,将各激光平面的法向量投影到转轴垂直的平面上获得若干投影向量,各投影向量的夹角作为振镜的转角,转角与电压拟合一个线性关系作为振镜的内部参数,包含一个比例系数k和一个常量偏置b。
本实施例中,激光条纹中线的提取主要依靠图像预处理和灰度重心法获得,图像预处理获得一个或多个激光条纹的连通域,先在水平方向上求灰度重心,再在所求中心线每处的法向上做灰度重心作为最后的激光条纹中心线。
具体的,测量装置的测量范围最优选300mm,距离越远,重建效果越差,测量精度越低。
具体的,工业相机的位置主要依靠激光中心线条纹再视野中的位置决定,应尽量使其靠近视野最中央。
具体的,可以通过调整激光功率和工业相机曝光获得较好的图片质量。
本领域的技术人员容易理解,以上仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,包括转台(103)、专用夹具(104)和支撑架(105),其中,
支撑架(105)包括底板、立柱以及具有水平横向导轨的第一板条和第二板条;
专用夹具(104)装配于所述第一板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,专用夹具(104)具有用于安装激光发射器(100)的第一安装位和用于安装振镜(101)的第二安装位,所述第一安装位具有水平朝向的安装孔,激光发射器(100)嵌于所述第一安装位中的安装孔后发射水平激光,所述第二安装位具有垂直朝向的安装孔,振镜(101)嵌于所述第二安装位中的安装孔后调节水平激光的扫描方向;
转台(103)装配于所述第二板条上并可在水平横向导轨上横向滑动,转台(103)具有可于水平面内旋转的旋转座以用于安装工业相机(102),工业相机(102)安装于转台(103)后采集激光条纹图像。
2.如权利要求1所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,还包括激光发射器(100)、振镜(101)和工业相机(102),其中,
激光发射器(100)嵌于专用夹具(104)的第一安装位中的安装孔中;
振镜(101)嵌于专用夹具(104)的第二安装位的安装孔中;
工业相机(102)安装于转台(103)的旋转座上;
其中,振镜(101)的物理转轴与反射表面中心线重合;激光发射器(100)的出射线激光平面平行于振镜(101)的物理转轴,出射线激光打在振镜(101)的反射表面中心线上。
3.如权利要求2所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,工业相机(102)的光轴、振镜(101)的中心点和线激光发射器(100)的轴心线处于同一水平高度。
4.如权利要求1所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,专用夹具(104)的第二安装位包括朝垂直方向相对设置的上板面和下板面以及连接所述上板面和下板面的第一侧板面,所述上板面和所述下板面具有正投影重合的安装孔;所述第一侧板面上具有水平凸起的第一安装条,所述第一安装条与所述第一板条固定;
专用夹具(104)的第一安装位包括位于上板面上的第二侧板面,所述第二侧板面上具有沿水平方向贯穿所述第二侧板面的安装孔。
5.如权利要求1所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,所述第一板条的高度低于所述第二板条的高度。
6.如权利要求1所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,转台(103)包括第二安装条、水平纵向导轨以及旋转座,其中,所述第二安装条与所述第二板条固定,所述水平纵向导轨位于所述第二安装条上并沿水平纵向延伸,所述旋转座位于所述水平纵向导轨上,所述旋转座可沿所述水平纵向导轨纵向滑动以及围绕所述旋转座的纵向轴旋转。
7.如权利要求2所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,激光发射器(100)为STR-520-50-T-HR-L01-60-S-XX,长度为95mm,直径为19.1mm,电压为0.5-5V。
8.如权利要求2所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,工业相机(102)为300万像素精度的acA1920-40gm。
9.如权利要求2所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,振镜(101)为QS30Y-AG振镜。
10.如权利要求1所述的基于单轴振镜旋转的线激光自扫描测量装置,其特征在于,还包括标定单元,用于通过标定算法对振镜坐标系和工业相机坐标系进行转换。
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