[发明专利]一种旋转扫描获得完整外表面3D轮廓的装置和方法

说明书

本发明公开了一种旋转扫描获得完整外表面3D轮廓的装置和方法，装置包括由动圈和静圈构成水平的回转平台，静圈的中心设有两面平整透明且上下表面与回转轴垂直的工件载台；动圈上固定有相机组支架，相机组支架穿过静圈并可转动180°以上；相机组支架上设有两个相对的一字线结构光光源，以及两台相机和两个平行光线的平行光背光源；同一侧的相机和一字结构光源位于工件载台的同一方，平行光背光源与相机相对位于另一方；一字结构光中心线与回转平台的轴心线重合，且一字线方向与相机的图像传感器的水平线平行；相机的镜头轴线与水平面呈20°～70°倾斜。测试方法基于前述装置实施。本发明的有益效果是，装置为消除盲区和快速检测提供了保障；方法操作性强，能够获得精准、完整的3D轮廓数字模型。

技术领域

本发明涉及计算机视觉测量技术领域，具体涉及一种旋转扫描获得完整外表面3D轮廓的装置和方法。

背景技术

目前市场主流的3D轮廓测量仪器主要是以结构光检测的方式实现，一般分为两类，一类是基于光栅扫描通过三角测距原理逐条获得工件厚度/高度轮廓信息，然后把这些轮廓线进行关联在统一的坐标系下，构成工件3D轮廓的点云数据，通过设备固有参数和这些点云数据便可求取工件的外形尺寸、表面粗糙度等信息；另一类则是采用单一线条的结构光，以机械运动作为轮廓信息获取的扫描方式，然后获得工件的3D轮廓信息。两者的区别主要是效率和成本，前者有较高的效率和昂贵的成本，后者效率较低但很廉价，但测量精度相差不大。不过，前述两种轮廓扫描检测方式、会由于光线投影、反光、透射或折射等原因产生检测盲区或检测误区，于是便出现了机械运动和光谱调整(变换颜色)相结合的光栅扫描3D轮廓检测技术，但由于需要进行空间坐标的变换和精密机械的使用，设备总体成本更加昂贵。

虽然这些设备具备3D轮廓重建的能力，但它们基本上都是部分轮廓的重建，占工件总体表面轮廓不到3/4，这对那些需要工件完整轮廓信息进行检测的应用而言仍然满足不了需求。比如光学镜片毛坯的检测，需要对镜片的中心厚度、曲面矢高、圆度、直径、厚薄差、倒角等多种参数进行同时测量，由于工件的凸凹形状是不确定的、加上外形公差决定了工件自身没有理想的参考基准，这对传统的机器视觉检测设备而言是几乎不可能实现的，单一治具和夹具也很难快速的将其装夹到位，相对其几十上百毫米外形尺寸和丝级精度以及秒级检测效率的检测需求而言，这些传统方案几乎没有可行性。

不仅如此，上述设备依然不能获得工件的完整外形轮廓信息，这是因为光线沿直线传播会形成投影遮挡区；而工件一般也需要物理支撑从而构成了支撑物界面和工件界面的交融区，进而形成不可检测区。一种解决办法是给工件外面建立空间关联的特征标识，扫描完成后将工件进行一定角度的翻转再行扫描，通过保证特征标识的可关联性、再通过空间坐标变换得到待测工件的完整3D轮廓点云数据，为进一步的测量提供足够的信息支撑。但该方法设置特征标识费时费力，而且有些工件表面不具有标识设置位置，这就大大限制了该方法的适用范围。

其它诸如三坐标检测、扫描探针、点扫描等方式也普遍存在信息量少、价格昂贵、效率低下等问题，因此，截止目前，仍然没有较好的方案和产品来解决这些问题。

尤其对于工业生产中在线检测而言，动辄要求每天数千甚至上万件的全检需求，这些设备和方法从原理上来讲都不具备可行性。比如光学镜片毛坯的检测就是这样的需求，而且受到表面不稳定的光学质量和内部不确定的散射特征影响，这些传统视觉检测设备连基本信息的获取都变得十分困难。因此，需要对现有检测装置和方法进行改进，以快速精准地获得被测工件的完整外表面的3D轮廓。

发明内容

本发明的第一目的就是针对现有计算机视觉测量技术中测量效率低和不能一次获得完整轮廓信息的不足，提供了一种旋转扫描获得完整外表面3D轮廓的装置，通过一次性扫描高效率获取工件完整外形轮廓信息，该装置特别适用于具有径向对称或中心点对称结构的工件检测，能够全自动一次性扫描获取工件的外形轮廓信息，而无需通过设置特征标识的多次装件扫描。本发明的第二目的是提供一种通过旋转扫描获得完整外表面3D轮廓的方法，该方法基于前述装置实施，从而显著提高检测效率。