一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量的框架

摘要

本发明公开了一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量系统的框架结构，其由底框（1）、主框架（2）、连接柄（3）组成，主框架（2）与底框（1）间通过螺栓连接，且主框架（2）的A面（2a）与底框（1）的A面（1a）接触；连接柄（3）与主框架（2）通过螺栓连接，且连接柄（3）的外圆面（3a）与主框架（2）的内圆面（2b）接触。本发明设计的底框（1）可以可靠固定投射装置（4）；主框架（2）可以可靠固定左相机（51）和右相机（52），具有良好的结构刚性和散热能力，且可以通过修调主框架（2）的A面（2a）方便地微调投射装置（4）与左相机（51）以及右相机（52）之间的相对位置和姿态；连接柄（3）将整个测量系统可靠地与加工设备（如机床）进行连接，便于测量系统与加工设备集成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量的框架，它适用于现场在线三 维测量、光学非接触三维测量、投影栅相位双目立体视觉测量，特别适用于对体积、重量、热 稳定性、测量精度有较高要求的投影栅相位双目立体视觉测量，属于光学三维测量技术领域。

背景技术

光学非接触三维测量以其非接触、高精度、适于在线测量、可获取目标表面稠密点云的优 点，在加工现场在线测量领域获得越来越多的应用。投影栅相位双目立体视觉测量技术具有高 精度、良好的被测对象适应性等特点，已经成为在线光学非接触三维测量的主流技术。

双目立体视觉系统的测量精度尤其是在线测量精度，直接受基线距离和基线精度的影响， 因此必须仔细设计系统基线距离并精密标定实际基线距离。实际测量系统的基线距离由测量系 统的框架结构确定。用于加工现场的在线测量，环境温度的变化以及系统运行时发热导致的温 度升高，会因金属材料的“热胀冷缩”效应而影响基线距离不准，从而影响系统的测量精度。另 一方面，在线测量应用要求双目立体视觉系统体积尽可能小，重量尽可能轻，以便于将测量系 统与加工设备集成。因此，需要对双目视觉测量系统的结构框架进行优化设计，在保证系统尺 寸满足在线测量要求的前提下，可以适应在线测量的要求，仍然保持高精度测量。

目前的双目立体视觉测量系统虽然可以直接应用于加工现场，但其没有与加工设备集成， 所以对系统体积、重量的以及与加工设备集成性方面没有过多的要求。尚未见有关于与加工设 备集成的双目立体视觉三维测量系统结构框架设计方面的专利和文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量的框架，它具有良好 的热稳定性以保证系统的基线精度，同时满足在线测量体积小、重量轻的要求，且具有良好的 与加工设备集成能力。框架结构采用组合式结构，外形似一个带圆手柄的提篮式结构，该框架 结构的底框用来固定投射装置，该框架结构的连接柄用来将测量系统与加工设备连接集成，该 框架结构的主框架连接起底框和连接柄，用来安装左右两个相机，保证基线距离和来年各个相 机与投射装置的相对位置和姿态；主框架采用一体化成型，增设三个筋板增加刚度。主框架和 底框采用硬铝合金材料，重量轻且具有良好的散热能力。实际测试表明采用这种结构构建的投 影栅相位双目立体视觉系统具有良好的精度、热稳定性能和与加工设备集成性能。

本发明一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量的框架，见图1、图2、图3、图 3A和图4，其外形似一个带圆手柄的提篮，它是由底框（1）、主框架（2）和连接柄（3）组 成，主框架（2）与底框（1）间通过螺栓连接，且主框架（2）的A面（2a）与底框（1）的A 面（1a）接触；连接柄（3）与主框架（2）通过螺栓连接，且连接柄（3）的外圆面（3c）、平 面（3a）与主框架（2）的内圆面（2b）配接。

所述底框（1），见图2，其外形是一个没有顶盖的箱式盒体形状，由底板和四个围边组成。 其材料为硬铝合金，其B侧面（1b）和C侧面（1c）上设有四个沉头螺纹孔（101、102、103、 104），用于在水平面内固定卡紧投射装置；底框（1）的D底面（1d）上设有八个尺寸不等带 圆角的方孔（111、112、113、114、115、116、117、118），在减轻重量的同时，有助于提高 散热性能；底框（1）的D底面（1d）上还设有螺纹孔（121），作为备用连接孔，在测量系统 不与加工设备集成时，可与标准的三脚架螺纹连接，用来固定测量系统。底框（1）的E面（1e） 上设有四个沉头通孔（131、132、133、134），用于与主框架（2）的连接；

所述主框架（2），见图3，其外形是一个类似π字形的架式金属结构件。材料为硬铝合金， 其上表面C面（2c）上设置六个通孔（211、212、213；221、222、223）分别用于固定左相机 和右相机的连接；其上表面C面（2c）还设有两个三角形的加强筋板（2e、2f）与2c面垂直 连接；其下表面设有一个三角形的加强筋板（2d）与主框架（2）的底平面（2h）、侧平面（2k） 垂直连接；其上表面C面（2c）设有立方体状凸台（2g）；凸台中部上设有通透的内圆面（2b）， 与连接柄（3）的平面（3a）、外圆面（3c）配接；凸台上部设置有两个沉头螺纹孔（201、202）， 用于与连接柄3固定，保证可靠连接；其下支腿式的底部A面（2a）设置有四个螺纹孔（231、 232、233、234），用于与底框（1）的（1e）面上设有的四个沉头通孔（131、132、133、134） 连接；

所述连接柄（3），见图4，是圆杆式台阶轴。材料为45#钢，其一端切削成平面（3a）和 外圆面（3c），便于与主框架通透的内圆面（2b）配合；平面（3a）上设有连接螺纹孔，连接 柄的中间位置设有浅沟槽（3b），便于固定测量系统的线缆，将线缆的张力传递到连接柄，减 少主框架的受力，减轻线缆张力对测量系统基线的影响。

该测量框架的工作概况简介如下：首先，完成测量框架的装配：将左、右相机分别安装并 固定主框架上表面，将投射装置安装并固定底框内，将底框与主框架连接并固定，将连接柄安 装并固定至主框架相应位置；然后，将该测量框架的连接柄与加工设备相连，实现测量系统与 加工设备的集成；最后，利用基于该测量框架的测量系统实现投影栅相位双目立体视觉三维形 貌测量。

优点及功效：本发明的主要优点是：(1)框架结构的热稳定性高，可保证三维形貌测量系 统的具有良好的基线精度。（2）框架结构的体积小、重量轻，与加工设备集成的能力良好。

附图说明

图1是本发明框架结构的总体结构图

图2是本发明底框的结构图

图2A是图2的A向视图

图3是本发明主框架的结构图

图3A是图3的A向视图

图4是本发明连接柄的结构图

图5是安装于本发明框架结构上的投射装置示意图

图6是安装于本发明框架结构上的相机示意图

图中：1.底框  1a.底框A面  1b.底框B面  1c.底框C面 1d.底框D面  1e.底框E面  101.沉头螺纹孔  102.沉头螺纹孔  103.沉头螺 纹孔  104.沉头螺纹孔  111.圆角方孔  112.圆角方孔  113.圆角方孔 114.圆角方孔  115.圆角方孔  116.圆角方孔  117.圆角方孔  118.圆角 方孔  121.螺纹孔  131.沉头通孔  132.沉头通孔  133.沉头通孔 134.沉头通孔  2.主框架  2a.主框架A面  2b.内圆面  2c.主框 架C面  2d.加强筋板  2e.加强筋板  2f.加强筋板  2g.凸台  2h底平面 2k侧平面  201.沉头螺纹孔  202.沉头螺纹孔  211.通孔  212.通孔  213.通孔 221.通孔  222.通孔  223.通孔  231.螺纹孔  232.螺纹孔 233.螺纹孔  234.螺纹孔  3.连接柄  3a.平面  3b.浅槽  3c. 外圆面

具体实施方式

本发明一种用于投影栅相位双目立体视觉三维形貌测量的框架，见图1、图2、图2A、图 3、图3A和图4，其外形似一个带园手柄的提篮，它是由底框（1）、主框架（2）、和连接柄（3） 组成，主框架（2）与底框（1）间通过螺栓连接，且主框架（2）的A面（2a）与底框（1） 的A面（1a）接触；连接柄（3）与主框架（2）通过螺栓连接，且连接柄（3）的外圆面（3c）、 平面（3a）与主框架（2）的内圆面（2b）接触。

所述底框（1），见图2、图2A，其外形是一个没有顶盖的箱式盒体形状，由底板和四个 围边组成。。其材料为硬铝合金，质轻、刚度大、导热系数高，其作用是安装固定投射装置4， 并通过面1a与主框架2连接；其B侧面（1b）和C侧面（1c）上设有四个沉头螺纹孔（101、 102、103、104），用来在水平面内固定卡紧投射装置；底框（1）的D底面（1d）上设有八个 尺寸不等带圆角的方孔（111、112、113、114、115、116、117、118），在减轻重量的同时， 有助于提高散热性能；底框（1）的D底面（1d）上还设有螺纹孔（121），作为备用连接孔， 在测量系统在不与加工设备集成时，可与标准的三脚架螺纹连接，用来固定测量系统。底框（1） 的E面（1e）上设有四个沉头通孔（131、132、133、134），用于与主框架（2）的连接；

所述主框架（2），见图3、图3A，其外形是一个类似π字形的架式金属结构件。材料为 硬铝合金，质轻、刚度大、导热系数高，其上表面C面（2c）上设置六个通孔（211、212、213； 221、222、223），分为两组，分别用来固定左相机和右相机，可实现可靠固定又便于安装时调 节相机角度；安装相机时，可在相机与上表面间均匀涂抹导热硅胶，提高散热性能；其上表面 C面（2c）还设有两个三角形的加强筋板（2e、2f）与2c面垂直连接；其下表面设有一个三角 形的加强筋板（2d）与主框架（2）的底平面（2h）、侧平面（2k）垂直连接；其上表面C面 （2c）设有立方体状凸台（2g），增加主框架的强度，满足与连接柄固定时承力要求；凸台中 部上设有通透的内圆面（2b），与连接柄（3）的平面（3a）、外圆面（3c）固接配合，通过凸 台上部设置的两个沉头螺纹孔（201、202）与连接柄3固定，保证可靠连接；其下支腿式的底 部A面（2a）设置有四个螺纹孔（231、232、233、234），用于与底框（1）的（1e）面上设有 的四个沉头通孔（131、132、133、134）连接固定；

所述连接柄（3），见图4，是圆杆式台阶轴。材料为45#钢，且经过高频淬火处理，保证 足够的表面硬度，以承受与加工设备连接时的夹紧力；其一端切削成平面（3a）和外圆面（3c）， 便于与主框架通透的内圆面（2b）配合，平面（3a）上设有连接螺纹孔，连接柄的中间位置设 有浅沟槽（3b），便于固定测量系统的线缆，将线缆的张力传递到连接柄，减少主框架的受力， 减轻线缆张力对测量系统基线的影响。图5是安装于底框上的投射装置示意图，通过向图2中 底框的B侧面（1b）和C侧面（1c）上的四个沉头螺纹孔（101、102、103、104）内安装沉 头螺钉来固定并卡紧投射装置；图6是安装于主框架上的相机示意图，相机安装在图3中主框 架的上表面C面（2c）上，通过向该表面的六个通孔（211、212、213；221、222、223）内安 装沉头螺钉以分别固定左、右两个相机。

测量系统装配顺序：首先将左、右相机分别通过主框架上表面上的六个通孔分别固定；然 后将连接柄与主框架通过外圆配合面安装到位，然后用两个螺栓固定；接着将投射装置装入底 框，并通过B侧面和C侧面上的沉头螺纹孔固定；最后，通过底框1e面上的四个沉头通孔和 主框架上的螺纹孔，用四个螺栓将底框与主框架固定，完成测量系统装配。