非接触式复合测量仪及其测量方法技术

发明专利技术涉及测量物体的设备和方法领域，尤其是公开了一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X‑Y‑Z三轴移动平台（1），位于X‑Y‑Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X‑Y‑Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）外围朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X‑Y‑Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。该发明专利技术结构简单，测量的精确度高，适于物体二维、三维测量。

【技术实现步骤摘要】
非接触式复合测量仪及其测量方法
本专利技术涉及测量物体的设备和方法领域，尤其是涉及一种非接触式复合测量仪及其测量方法。
技术介绍
基于面结构光的三维轮廓测量装置已经在精密测量领域得到成功应用，然而当前的基于面结构光的三维轮廓仪的载物台均为不透明黑色，只能获取被测物体的表面高度信息，对于被测物体的外轮廓无法准确的获取，因此，被测物体的诸多尺寸无法进行测量，无法满足现代精密制造业中产品日益复杂化，测量更加精细化的需求。如果将载物台用光学玻璃替代，则面结构光的投影信息会部分透过玻璃载物台，少部分镜面反射，这对三维重构引入了噪声，使得三维测量精度降低。而且，现有的测量仪存在结构复杂，制造成本高等缺点。特别的，现有的测量仪仅能够获得被测物体的表面三维轮廓数据，无法适应需要二维数据和三维数据同时获取而且需要将二维、三维数据融合在同一个坐标系下进行分析与处理的要求。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，提供一种测量精确度高，结构简单，适于物体二维、三维测量的非接触式复合测量仪及其测量方法。为了实现上述目的，专利技术采用以下技术方案：一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X-Y-Z三轴移动平台（1），位于X-Y-Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X-Y-Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）外围朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。本专利技术结构简单，设计合理，能够同时进行三维轮廓和二维影像精密测量，易于操作和控制。尤其对于结构复杂，曲面多样的的精密被测物体，通过二维、三维的融合测量能够取得复杂尺寸一站式测量结果，具备高精度、高效率等特点。进一步地，所述图像采集模块（2）包括从上向下依次设置的工业相机（21）、第一透镜模组（22）、光阑（23）及第二透镜模组（24）；所述工业相机（21）为彩色相机或者黑白相机。该设计同时满足双远心平行光路的要求，能够进行高精度测量。进一步地，所述投影模块（4）包括两组对称设于图像采集模块（2）两侧的投影单元；每一投影单元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透镜模组（42），第一光源（41）连接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安装于图像采集模块（2）正下方，与图像采集模块（2）光轴重合，表面光源为环形无影光源，可以发射白色光，也可以发射红、绿、蓝单色光，而且发光区域和发光颜色能够通过集成控制器（5）控制调节，平行背光源（32）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）下方与图像采集模块（2）、表面光源（31）光轴重合，该平行背光源（32）和表面光源（31）均连接集成控制器（5）。该模块通过投影模块的对称设计，能够有效解决单边投影模块的光纤遮挡问题，获得更为全面的数据。通过光源、投影和X-Y-Z移动平台的集中控制能够提高测量效率，节省制造成本。同时、该表面光源能够完成不同方向和不同颜色的照射控制，从而获取被测物体表面更为丰富的图像特征，完成高精度的测量。进一步地，所述X-Y-Z三轴移动平台（1）包括用于安置待测物体的可调光玻璃载物平面（12）和可带动可调光玻璃载物平面（12）沿X轴、Y轴或Z轴方向移动的三轴移动平台本体（11），该三轴移动平台本体（11）和可调光玻璃载物平面（12）均连接集成控制器（5）。另外，本专利技术还公开了一种用于非接触式复合测量仪的测量方法，包括三维测量过程和二维测量过程：所述三维测量过程如下：（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上；（b）PC（6）向集成控制器（5）发送任务，集成控制器（5）接收到任务后，控制投影模块（4）向被测物体照射结构光；（c）集成控制器（5）再控制图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像，并在集成控制器（5）中进行存储；（d）重复步骤（a）-（c），获得所需的所有图像；（e）集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据；（f）集成控制器（5）将该点云数据传输至PC的客户端软件；所述二维测量过程：集成控制器（5）控制外部光源（3）照射被测物体，然后集成控制器（5）触发图像采集模块（1）拍摄被测物体的二维图像，最后集成控制器（5）将图像传输到PC（6）。进一步地，所述三维测量过程还包括步骤（g）：当无法一次性获得被测区域的全部三维轮廓信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）沿X轴、Y轴或Z轴移动，进而带动被测物体相对于光轴移动，重复步骤（a）-（f），使PC（6）能获取所需的所有点云数据。进一步地，所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光包括黑白条纹编码和正弦编码；所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像的具体过程为：（A）所述投影模块（4）向被测物体投影黑白条纹编码，移动黑白条纹编码的位置，图像采集模块（2）拍摄每一种黑白条纹编码对应的图像；（B）所述投影模块（4）向被测物体再投影正弦编码，并移动正弦编码的位置，图像采集模块（2）再一次拍摄每一种正弦编码对应的图像。进一步地，所述步骤（e）集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据的过程如下：（C）将步骤（A）获得的图像进行解码，获得被测物体表面轮廓的点云数据，通过判断点云数据的法向量获得被测物体表面高度突变的坐标信息；（D）以发生高度突变的坐标作为分界线，将步骤（B）的图像分成不同区块，利用相移法解码得到各个区块的轮廓。进一步地，所述步骤（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上之后；当需要获取被测物体三维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（11）处于不透光模式；而当需要获取被测物体二维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（12）处于透光模式。基于面结构光的原理，通过利用可调光玻璃的引用，使得做投影三维测量时，载物台为非透明，需要获得被测物体二维外轮廓信息时，能够使用使可调光载物台为透明；采用双侧远心光路，使得光线的平行度大大增强，二维、三维数据的融合能够显著提高三维轮廓测量精度，特别的，由于以往单纯依靠某一种三维投影编码和解码方法进行三维重构时均存在不同程度的缺陷，本专利技术提出一种结合黑白条纹编码和正弦的方法，通过法向信息将图像进行精准分区，因此能够结合各种方法的有点，进而对被测物体表面进行精密三维重构和测量成为可能。综上所述，专利技术结构简单，测量的精确度高，适于物体二维、三维测量。附图说明图1为专利技术实施例1的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的图像采集模块结构示意图；图3为本专利技术实施例1的投影模块结构示意图；图4为本专利技术实施例1的外光源结构示意图；图5为本专利技术实施例1的X-Y-Z三轴移动平台结构示意图；图6为本专利技术实施例2的黑白条纹编码示意图；图7为本专利技术实施例2的正弦编码示意图。具体实施方式为了使本
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【技术保护点】
一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X‑Y‑Z三轴移动平台（1），位于X‑Y‑Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X‑Y‑Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）外围朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X‑Y‑Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X-Y-Z三轴移动平台（1），位于X-Y-Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X-Y-Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）外围朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。2.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述图像采集模块（2）包括从上向下依次设置的工业相机（21）、第一透镜模组（22）、光阑（23）及第二透镜模组（24）；所述工业相机（21）为彩色相机或者黑白相机。3.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述投影模块（4）包括两组对称设于图像采集模块（2）两侧的投影单元；每一投影单元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透镜模组（42），第一光源（41）连接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安装于图像采集模块（2）正下方，与图像采集模块（2）光轴重合，表面光源为环形无影光源，平行背光源（32）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）下方与图像采集模块（2）、表面光源（31）光轴重合，该平行背光源（32）和表面光源（31）均连接集成控制器（5）。4.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述X-Y-Z三轴移动平台（1）包括用于安置待测物体的可调光玻璃载物平面（12）和可带动可调光玻璃载物平面（12）沿X轴、Y轴或Z轴方向移动的三轴移动平台本体（11），该三轴移动平台本体（11）和可调光玻璃载物平面（12）均连接集成控制器（5）。5.一种用于非接触式复合测量仪的测量方法，包括三维测量过程和二维测量过程：所述三维测量过程如下：将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上；PC（6）向集成控制器（5）发送任务，集成控制器（5）接收到任务后，控制投影模块（4）向被测物体照射结构光；集成控制器（5）再控制图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像，并在集成控制器（5）中进行存储；重复步骤（a）-（c），获得所需的所有图像；集成控制器（5）利用解码算法对...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈贵，文双全，蔡春明，
申请(专利权)人：杭州汉振科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33