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CN102425996A - 光学三维测量设备精度综合检测方法及检测装置 - Google Patents

光学三维测量设备精度综合检测方法及检测装置 Download PDF

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CN102425996A CN2011102584403A CN201110258440A CN102425996A CN 102425996 A CN102425996 A CN 102425996A CN 2011102584403 A CN2011102584403 A CN 2011102584403A CN 201110258440 A CN201110258440 A CN 201110258440A CN 102425996 A CN102425996 A CN 102425996A
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ball
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measuring equipment
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何万涛
郭延艳
赵灿
孟祥林
付茂栗
车向前
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Heilongjiang University of Science and Technology
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Heilongjiang University of Science and Technology
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Abstract

光学三维测量设备精度综合检测方法及检测装置，解决三维测量设备的球面度、球体空间和平面度检测精度的检测问题，采用的方案是，球面度精度检测，利用由单个球体构成的标准单球规，球体空间精度检测，利用由两个球心距离固定的球体构成的标准双球规，平面度检测，利用标准平面规，检测结构与标定值做差实现设备的精度综合检测。检测装置包括支撑底座和一组高度不同的量规支架，支撑底座与量规支架固定，量规支架在测量空间内支撑量规。其优点是，检测方法简单，可靠，检测时间短，检测装置结构简单，使用、安装调整方便。

Description

光学三维测量设备精度综合检测方法及检测装置
技术领域
发明为光学三维测量设备的精度效验与检测提供一种灵活、方便的实现方法及装置，涉及光学三维测量领域。
背景技术
三维测量设备是记录物体形貌的基础工具，在工业制造、科学研究、生物医学、文物数字化等多个领域具有重要价值。比如：在工业制造领域，三维测量技术能够应用于产品制造的全生命周期，是制造前期逆向设计、制造过程质量控制和制造后期质量检测所必需的工具；在科学研究领域，三维测量设备能够记录生物外形的三维数据，以帮助研究人员利用仿生学原理开发性能更为卓越的产品；在生物医学领域，三维测量设备能够测量人体的三维数据，供后续虚拟手术或伤患修复使用。
光学三维测量设备与方法是信息光学研究的前沿技术，具有非接触、无破坏、数据获取速度快、操作简单等优点。目前，此技术设备正在逐步成为逆向设计与质量检测的主要手段。设备精度的效验与检测是设备能够出厂和满足测量检测要求的关键环节。
根据光学三维测量设备精度的效验与检测的标准，需要对光学三维测量设备的三个主要参数进行检测。
1.球面度精度检测，2. 球体空间精度检测，3. 平面度检测
现有三维测量设备精度的效验与检测都是采用对一组标准检测球的单个或测量检测球之间的测量与标定值进行核对来确定三维测量设备精度，现有技术的确定是，检测装置要求精度高，调整、标定稳定性差，检测麻烦，检测时间长，检测不准确。
发明目的
为克服现有检测装置要求精度高，调整、标定稳定性差，检测麻烦，检测时间长，检测不准确的缺点，本发明公开光学三维测量设备精度综合检测装置与方法。
本发明实现三维测量设备精度综合检测装置方法的发明目的是：该检测方法包括：球面度精度检测、球体空间精度检测和平面度检测。
A、所述的球面度精度检测，利用由单个球体构成的标准单球规，标准单球规球圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径                                                
Figure 2011102584403100002DEST_PATH_IMAGE001
为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 440887DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的十个位置空间分别固定设置标准单球规，三维测量设备分别对标准单球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球面，通过计算点到球面的径向偏差与标准单球规标定值做差，计算得到三维测量设备球面度测量误差值；
B、所述的球体空间精度检测，利用由两个球心距离固定的球体构成的标准双球规，标准双球规的球心间距
Figure 2011102584403100002DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 834959DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 59267DEST_PATH_IMAGE002
，球直径=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 467432DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的四个体对角线上和测量空间内的上下和垂直面上按三维坐标的Ｘ、Ｙ和Ｚ轴方向设置七个标准双球规，三维测量设备分别对标准双球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球心，测量获得的两个球心的距离与标定过的标准双球规的值做差，计算得三维测量设备球空间的测量误差值；
Ｃ、所述的平面度检测，利用宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5的标准平面规，在测量空间内上下面的对角线上、在测量空间内其中一个体对角线上和测量空间内的三个不同高度上，共计设置六个标准平面规，三维测量设备分别对平面规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出平面，计算测量获得的点云数据拟合平面与标定的标准平面规的值做差，计算的三维测量设备平面度测量值误差。
本发明实现光学三维测量设备精度综合检测装置的发明目的是：光学三维测量设备精度综合检测装置，机架和检测量规。
机架包括：支撑底座和一组高度不同的量规支架，所述的支撑底座为大于三维测量设备测量空间水平面的矩形，在支撑底座的对角线和以对角线交点为中心的＋字线上，设置有一组量规支架的插接槽，规支架的下端与插接槽，规支架的上端与检测量规连接。
检测量规包括：标准单球规、标准双球规和标准平面规，所述的标准单球规由单检测球固定在单球规支撑板构成，所述的标准双球规由双检测球固定在双球规支撑板构成，所述的标准平面规为矩形平面规。
量规支架的上端，分别与单球规支撑板、双球规支撑板或矩形平面规构成固定连接。
单检测球圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径
Figure 501433DEST_PATH_IMAGE001
为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度。
标准双球规的双检测球之间的球心间距为
Figure 834828DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 400939DEST_PATH_IMAGE002
，球直径
Figure 171448DEST_PATH_IMAGE001
=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 125498DEST_PATH_IMAGE002
。
矩形平面规宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5。
量规支架的上端，分别与单球规支撑板、双球规支撑板或矩形平面规构成磁力固定连接。
本发明的有益效果是，检测方法简单，可靠，检测时间短，检测装置结构简单，使用、安装调整方便。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
附图说明
附图1为本发明球面度精度检测时单检测球在检测空间位置示意图。
    附图2为本发明球体空间精度检测时双检测球在检测空间位置示意图。
附图3为本发明平面度检测时矩形平面规在检测空间位置示意图。
附图4为本发明标准单球规结构示意图。
附图5为本发明标准双球规结构示意图。
附图6为本发明和标准平面规结构示意图。
附图7为本发明支撑底座示意图。
附图8为本发明球面度精度检测时检测装置结构示意图。
附图9为本发明球体空间精度检测时检测装置结构示意图。
附图10为本发明平面度精度检测时检测装置结构示意图。
附图中，1-1支撑底座，1-2量规支架，1-3插接槽，2-1单检测球，2-2单球规支撑板，3-1双检测球，3-2双球规支撑板，4矩形平面规。
具体实施方式
光学三维测量设备精度综合检测方法，该检测方法包括：球面度精度检测、球体空间精度检测和平面度检测。
参看附图1，球面度精度检测，利用由单个球体构成的标准单球规，标准单球规球圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径
Figure 351260DEST_PATH_IMAGE001
为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 241856DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的十个位置空间分别固定设置标准单球规，三维测量设备分别对标准单球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球面，通过计算点到球面的径向偏差与标准单球规标定值做差，计算得到三维测量设备球面度测量误差值。
如有一次球面度精度检测（只能有一次）超过精度设定值，则可以重新测量一次，重测值如不大于精度设定值则该指标合格，否则为不合格。
参看附图2，球体空间精度检测，利用由两个球心距离固定的球体构成的标准双球规，标准双球规的球心间距
Figure 632386DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 241221DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 883555DEST_PATH_IMAGE002
，球直径
Figure 894237DEST_PATH_IMAGE001
=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 455668DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的四个体对角线上和测量空间内的上下和垂直面上按三维坐标的Ｘ、Ｙ和Ｚ轴方向设置七个标准双球规，三维测量设备分别对标准双球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球心，测量获得的两个球心的距离与标定过的标准双球规的值做差，计算得三维测量设备球空间的测量误差值。
如有一次球体空间精度检测（只能有一次）超过精度设定值，则可以重新测量一次，重测值如不大于精度设定值则该指标合格，否则为不合格。
参看附图3，平面度检测，利用宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度
Figure 551800DEST_PATH_IMAGE002
，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5的标准平面规，在测量空间内上下面的对角线上、在测量空间内其中一个体对角线上和测量空间内的三个不同高度上，共计设置六个标准平面规，三维测量设备分别对平面规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出平面，计算测量获得的点云数据拟合平面与标定的标准平面规的值做差，计算的三维测量设备平面度测量值误差。
如有一次平面度检测（只能有一次）超过精度设定值，则可以重新测量一次，重测值如不大于精度设定值则该指标合格，否则为不合格。
参看附图4-7，光学三维测量设备精度综合检测装置，包括机架和检测量规，其特征在于：所述的机架包括：支撑底座1-1和一组高度不同的量规支架1-2，所述的支撑底座1-1为大于三维测量设备测量空间水平面的矩形，在支撑底座的对角线和以对角线交点为中心的＋字线上，设置有一组量规支架1-2的插接槽1-3，规支架1-2的下端与插接槽1-3，规支架1-2的上端与检测量规连接。量规支架1-2的上端，分别与单球规支撑板2-2、双球规支撑板3-2或矩形平面规4构成固定连接。
使用时，根据检测时对量规安装位置的要求，将一组高度不同的量规支架1-2分别插入支撑底座1-1上的插接槽1-3内，量规支架1-2的上端与检测量规连接，构成量规在检测空间的位置固定。
检测量规包括：标准单球规、标准双球规和标准平面规，所述的标准单球规由单检测球2-1固定在单球规支撑板2-2构成，所述的标准双球规由双检测球3-1固定在双球规支撑板3-2构成，所述的标准平面规为矩形平面规4。
球面度精度检测时使用标准单球规，标准单球规经量规支架1-2固定在支撑底座1-1上。
球体空间精度检测时使用标准双球规，标准双球规经量规支架1-2固定在支撑底座1-1上。
平面度检测时使用标准平面规，标准平面规经量规支架1-2固定在支撑底座1-1上。
本发明实施例为满足测量精度要求，单检测球2-1圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 597434DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明实施例为满足测量精度要求，标准双球规的双检测球3-1之间的球心间距
Figure 329766DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 913194DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度，球直径
Figure 617025DEST_PATH_IMAGE001
=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 520259DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明实施例为满足测量精度要求，矩形平面规（4）宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度
Figure 590983DEST_PATH_IMAGE002
，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5。
本发明实施例为便于量规支架1-2的上端与检测量规连接及检测量规的安装角度，量规支架1-2的上端，分别与单球规支撑板2-2、双球规支撑板3-2或矩形平面规4构成磁力固定连接。即量规支架1-2的上端和单球规支撑板2-2、双球规支撑板3-2或矩形平面规4分别永磁体，相互吸合成一体。
量规支架1-2的上端，分别与单球规支撑板2-2、双球规支撑板3-2或矩形平面规4构成槽孔配合的连接结构。

Claims (6)

1.光学三维测量设备精度综合检测方法，该检测方法包括：球面度精度检测、球体空间精度检测和平面度检测，其特征在于：
A、所述的球面度精度检测，利用由单个球体构成的标准单球规，标准单球规球圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径                                                
Figure 2011102584403100001DEST_PATH_IMAGE001
为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 542735DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的十个位置空间分别固定设置标准单球规，三维测量设备分别对标准单球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球面，通过计算点到球面的径向偏差与标准单球规标定值做差，计算得到三维测量设备球面度测量误差值；
B、所述的球体空间精度检测，利用由两个球心距离固定的球体构成的标准双球规，标准双球规的球心间距
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 863995DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 87166DEST_PATH_IMAGE002
，球直径=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 409880DEST_PATH_IMAGE002
，在测量空间内的四个体对角线上和测量空间内的上下和垂直面上按三维坐标的Ｘ、Ｙ和Ｚ轴方向设置七个标准双球规，三维测量设备分别对标准双球规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出球心，测量获得的两个球心的距离与标定过的标准双球规的值做差，计算得三维测量设备球空间的测量误差值；
Ｃ、所述的平面度检测，利用宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度
Figure 839724DEST_PATH_IMAGE002
，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5的标准平面规，在测量空间内上下面的对角线上、在测量空间内其中一个体对角线上和测量空间内的三个不同高度上，共计设置六个标准平面规，三维测量设备分别对平面规进行测量，每次获得大于3000点的稠密点云数据，利用最小二乘方法拟合出平面，计算测量获得的点云数据拟合平面与标定的标准平面规的值做差，计算的三维测量设备平面度测量值误差。
2.一种光学三维测量设备精度综合检测装置，包括机架和检测量规，其特征在于：
Ａ、所述的机架包括：支撑底座（1-1）和一组高度不同的量规支架（1-2），所述的支撑底座（1-1）为大于三维测量设备测量空间水平面的矩形，在支撑底座的对角线和以对角线交点为中心的＋字线上，设置有一组量规支架（1-2）的插接槽（1-3），规支架（1-2）的下端与插接槽（1-3），规支架（1-2）的上端与检测量规连接；
Ｂ、所述的检测量规包括：标准单球规、标准双球规和标准平面规，所述的标准单球规由单检测球（2-1）固定在单球规支撑板（2-2）构成，所述的标准双球规由双检测球（3-1）固定在双球规支撑板（3-2）构成，所述的标准平面规为矩形平面规（4）；
C、所述的量规支架（1-2）的上端，分别与单球规支撑板（2-2）、双球规支撑板（3-2）或矩形平面规（4）构成固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种光学三维测量设备精度综合检测装置，其特征在于：所述的单检测球（2-1）圆度小于三维测量设备设定测量精度的1/5，球直径
Figure 409246DEST_PATH_IMAGE001
为（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 418790DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求2所述的一种光学三维测量设备精度综合检测装置，其特征在于：所述的标准双球规的双检测球（3-1）之间的球心间距
Figure 655736DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 990903DEST_PATH_IMAGE003
≥0.3三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 188666DEST_PATH_IMAGE002
，球直径
Figure 267480DEST_PATH_IMAGE001
=（0.1～0.2）×三维测量设备测量空间长方体的体对角线长度
Figure 358933DEST_PATH_IMAGE002
。
5.根据权利要求2所述的一种光学三维测量设备精度综合检测装置，其特征在于：所述的矩形平面规（4）宽度大于为50mm，长度大于0.5×测量空间长方体的体对角线长度，平面精度小于三维测量设备精度设定值的1/5。
6.根据权利要求2所述的一种光学三维测量设备精度综合检测装置，其特征在于：所述的量规支架（1-2）的上端，分别与单球规支撑板（2-2）、双球规支撑板（3-2）或矩形平面规（4）构成磁力固定连接。
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