[发明专利]一种非接触式复杂表面锥体体积测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于线结构光扫描及图像处理算法的非接触式体积测量系统及方法，应用于复杂表面锥体体积的非接触式测量。 

背景技术

三维体积测量技术在许多领域都有着不可忽略的作用，在工业生产、科研等部门，经常会有类似圆锥或棱锥的复杂表面锥体要求快速且准确地测量其体积和重构出三维图。传统手段的体积测量有排水法、三坐标测量法等。 

传统体积测量中应用最为广泛的为排水法，它利用阿基米德原理，浸于液体中的物体所受到的浮力等于该物体排开的液体的重量，即 。测量体积时除了需要测量物体所受到的浮力外，还需要知道当前环境气压、温度、纬度等才可以确定液体密度、重力加速度。利用排水法测量物体体积对物体具有一定的要求，例如：物体密度需要大于水的密度，物体与水不存在物化反应，物体不吸水等。这就使得排水法测量体积具有很大的局限性。 

三坐标测量技术利用笛卡尔坐标系对物体表面进行三坐标测量，获得的物体表面三维信息，从而获得物体体积。此方法精度高，但是该测量技术存在测量力、测量速度慢、测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因此很难满足快速且准确地测量复杂表面物体体积的要求。 

在现代测量技术中，目前非接触式测量技术主要基于超声波、激光三角测距、磁核共振、工业CT等手段， 而且这些技术大多采用海量“点云”数据进行复杂表面锥体的三维还原，再对其进行体积计算。这些方式虽然没有了一些接触测量的局限性，但是存在数据量巨大、环境光照影响大、对环境温湿度要求高、算法复杂、装置成本高等缺点。 

发明内容

本发明的目的是克服目前体积测量技术存在的缺点，提出一种无需求出三维坐标即可获得复杂表面锥体体积的测量系统及方法，依据线结构光光切原理，集光、机、电、算一体化设计，扫描速度快，精度高，系统设备组成简单且成本低。 

为实现上述目的，本发明提供一种非接触式复杂表面锥体体积测量系统，其特征在于：包括一计算机和一底座；底座上设有一竖直升降器，所述竖直升降器上设有一载物台并能实现所述载物台的竖直升降；所述底座上还设有用于使载物台上的待测锥体形成光切平面的线激光器；所述底座上还设有一相机导轨，所述相机导轨上设置一能沿相机导轨滑动的黑白相机，使待测锥体的顶点沿黑白相机拍摄方向能投影在待测锥体底面上；所述计算机能控制所述竖直升降器和所述黑白相机。 

本发明实施例中，所述线激光器具有三个，位于载物台周围，呈一三角状排列。 

本发明实施例中，每个线激光器位于一激光器支撑柱上。 

本发明实施例中，所述竖直升降器包含一竖直丝杆和一步进电机，所述步进电机通过所述竖直丝杆控制所述载物台的升降速度和高度。

本发明实施例中，所述相机导轨为弧形导轨，所述相机导轨一端连接底座，另一端连接竖直升降器顶部。 

本发明实施例中，所述步进电机通过串口与计算机连接，由计算机控制步进电机的运转。 

本发明实施例中，所述黑白相机通过串口与计算机连接，由计算机控制黑白相机的拍摄。 

本发明实施例中，所述黑白相机通过数据传输接口与计算机连接，实现黑白相机与计算机间的数据传输。 

本发明还提供一种非接触式复杂表面锥体体积测量方法，包括如下步骤： 

S1：提供至少三个不同角度的线激光器，位于待测锥体周围，构成光切平面，光切平面法线与水平面夹角为，使待测锥体顶点沿光切平面法线方向能投影在待测锥体底面上，在待测锥体表面形成一个明亮的闭合轮廓光带；

S2：提供一载物台、竖直丝杆和步进电机，所述步进电机通过竖直丝杆带动载物台上的待测锥体沿竖直方向以匀速下降，即光切平面相对于待测锥体由底端至顶端匀速移动，相当于每隔一固定时间光切平面扫过一台体，为采集间隔时间，通过调节采集间隔时间将待测锥体“切”为许多等高薄台体；

S3：提供一黑白相机，拍摄方向与光切平面法线方向相同，光切平面相对待测锥体匀速移动同时，所述黑白相机每间隔时间采集一次图像，即记录待测锥体不同光切平面处的截面轮廓大小及形状，并将采集到的图像、采集间隔时间以及图像张数P数据传送至一计算机；

所述计算机接收所述数据后，包括以下处理步骤：