三维激光定位投影装置的制作方法

1.本发明涉及激光投影技术领域，尤其涉及一种三维激光定位投影装置。


背景技术：

2.定位投影仪主要用于复合材料铺层、高精度零部件安装定位、图案喷涂等方面等工作，通过投射出的激光图样模型来辅助其它加工设备完成铺层、定位和喷涂等工作，定位投影仪能提高工作效率及精度，又能减少人为刻划误差和刻划漏项，实现飞机等重要装备制造生产过程数字化，保障系统的性能。
3.现有技术中的定位投影仪，通过激光对工件进行扫描，从而确定工件的距离实现定位，而激光扫描的方式在针对不同物件结构时，定位时间及效果存在一定的差异，从而影响到定位投影的工作。亟需一种针对不同结构工件能够进行快速精准定位投影的装置。


技术实现要素：

4.本发明提供一种三维激光定位投影装置，用以解决现有技术中单一的激光扫描定位方式适用范围小的缺陷，实现对不同结构工件的快速精准定位投影，提高适用范围。
5.本发明提供一种三维激光定位投影装置，包括：
6.激光测距模块，包括测距激光光源、激光收发单元、扫描单元以及数据处理单元，用于扫描测量工件的特征，建立无合作靶标的工件与投影系统坐标转换关系，实现工件定位；
7.双目立体视觉模块，包括双目相机、图像处理单元以及计算单元，用于识别靶标和测量靶标位置，建立有合作靶标的工件与投影系统坐标转换关系，实现工件定位；
8.激光投影模块，包括投影激光光源、动态聚焦单元、投射单元，用于投射三维激光图样；
9.控制模块，包括电控单元，与所述激光测距模块、所述双目立体视觉模块以及所述激光投影模块连接，基于所述激光测距模块或所述双目立体视觉模块的信息控制所述激光投影模块将激光图样投射到靶标上。
10.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述激光测距模块与所述双目立体视觉模块之间可切换独立运行，以对不同类型工件进行定位。
11.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述控制模块基于所述双目立体视觉模块识别的靶标类型对所述激光测距模块与所述双目立体视觉模块进行切换。
12.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述扫描单元和所述投射单元包括不同轴向设置的第一振镜和第二振镜，以及控制所述第一振镜和所述第二振镜的振镜驱动器。
13.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述测距激光光源为绿光或红光激光器。
14.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述测距激光光源为红光激光器或红
外激光器，且测距激光光源的波长与所述投影激光光源的波长不同。
15.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述动态聚焦单元包括准直镜、调焦镜和调焦控制器，所述调焦控制器连接所述电控单元。
16.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述控制模块还包括信息存储单元和通讯单元，所述信息存储单元对定位投影信息进行存储，所述通讯单元用于远程连接外部控制终端。
17.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，还包括壳体，所述壳体表面设有激光投影窗口，所述激光投影窗口的两侧设有双目相机窗口。
18.根据本发明提供的三维激光定位投影装置，所述壳体上端设有散热风机。
19.本发明提供的三维激光定位投影装置，通过设置激光测距模块，用于测量靶标到装置本体的距离；设置双目立体视觉模块，用于识别靶标以及测量靶标到装置本体的距离；设置激光投影模块，用于定位后的投射激光图样；设置控制模块，可以基于激光测距模块或双目立体视觉模块的信息控制激光投影模块将三维激光图样投射到靶标上。本发明采用视觉和激光测距两种定位方法，可实现既能有合作目标工件的定位，也可实现无合作目标工件的定位，实用性强，适应范围广；采用动态聚焦单元可实现不同工作距离工作状态下光斑最小化，基于电控单元控制投射单元实现快速三维激光图样投射。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的三维激光定位投影装置内部结构连接示意图；
22.图2是本发明提供的三维激光定位投影装置的外观图；
23.附图标记：
24.1：投影激光光源；
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2：准直镜；
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3：调焦镜；
25.4：分光镜；
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5：分色镜；
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6：x轴振镜；
26.7：y轴振镜；
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8：调焦控制器；
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9：功率探测器；
27.10：反射镜；
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11：测距激光光源；
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12：振镜驱动器；
28.13：第一相机；
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14：第二相机；
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15：电控单元；
29.16：激光束；
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17：壳体；
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18：散热风机；
30.19：激光投射窗口；
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20：相机窗口。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.如图1和图2所示，本发明实施例提供一种三维激光定位投影装置，该装置本体包
括壳体17，在壳体17内设置有激光测距模块、双目立体视觉模块、激光投影模块和控制模块，因此，本发明实施例提供的三维激光定位投影装置包括了定位测量和激光投影两大功能。基于导入的工件三维模型，首先基于双目立体视觉模块或激光测距模块对工件进行定位，建立工件与装置本体的坐标系关系。在定位基础上，利用激光投影模块对工件铺层定位或加工装配所需的位置进行三维激光投射，为工件制造过程提供定位信息。
33.其中，激光测距模块，用于扫描测量工件的特征，建立无合作靶标的工件与投影系统坐标转换关系，实现工件定位；双目立体视觉模块，用于识别靶标和测量靶标位置，建立有合作靶标的工件与投影系统坐标转换关系，实现工件定位；激光投影模块，用于投射三维激光图样；控制模块，可以基于激光测距模块或双目立体视觉模块的信息控制激光投影模块将激光图样投射到靶标上，实现对工件上所设计位置的精准投影。
34.本实施例中，如图1所示，图1中箭头表示激光的走向，激光测距模块包括测距激光光源11、激光收发单元、扫描单元以及数据处理单元。测距激光光源11采用红光或红外激光与投影激光波长不同，便于与激光投影模块的激光区分。在定位测量过程中，测距激光光源11将测距激光通过激光收发单元和扫描单元投射到工件上，扫描单元对工件进行扫描得到工件三维位置信息，由激光收发单元接收激光并将信息传递给数据处理单元，数据处理单元计算出工件的定位信息。本实施例中，激光收发单元还包括反射镜10和分色镜5，测距激光经反射镜10和分色镜5由扫描单元投射出去。扫描单元优选为二维振镜，包括第一振镜和第二振镜，分别为x轴振镜6和y轴振镜7，x轴振镜6和y轴振镜7通过振镜驱动器12控制进行扫描，利用x轴振镜6和y轴振镜7的二维振镜实现三维激光扫描。
35.双目立体视觉模块包括双目相机、图像处理单元以及计算单元，其中，双目相机包括对称设置在壳体1内部两侧的第一相机13和第二相机14。第一相机13和第二相机14优选采用工业相机，主要对相机的分辨率、视场和成像质量有较高的要求；配合使用低畸变大视场镜头，使得双目立体视觉模块的工作范围能够覆盖工件全貌。对应的，在壳体1表面两侧设有对称布置的相机窗口20，窗口设有玻璃，窗口玻璃用于对第一相机13和第二相机14的防护。第一相机13和第二相机14通过高速线缆将图像传输至图像处理单元，在图像处理单元做简单处理，再将图像上传至计算单元进行显示和深度处理。
36.本实施例中的双目立体视觉模块具有识别和测量双重功能，第一相机13和第二相机14均可用于对工件靶标标志点的图像识别，通过对靶标标志点的识别获得标志点的图像，由双目视觉系统进行靶标标志点的三维位置测量，从而由计算单元计算出工件靶标的距离。同样，双目立体视觉模块也可以与激光测距模块相结合，由靶标标志的图像坐标换算出标志点相对于装置本体坐标系的方位，从而控制x轴振镜6和y轴振镜7带动测距激光照射靶标标志点，从而获得靶标点距离信息。从获得的靶标标志点的三维信息，定位出工件的位置，从而给投影区域提供定位信息。
37.值得一提的是，本实施例中，双目立体视觉模块具有对特定工件进行备案的数据库，数据库中的工件为合作目标工件，数据库之外的工件为非合作目标工件，双目立体视觉模块的识别功能既是对有合作目标工件和非合作目标工件的区分。双目立体视觉模块识别到工位为有合作目标工件，即通过双目立体视觉模块的测距功能进行定位测量，快速方便，效率高。当双目立体视觉模块识别到工位为非合作目标工件时，则激光测距模块运作，通过激光测距模块的激光扫描进行测量，弥补对非合作目标工件的测量需求。
38.基于此，本发明实施例具有控制模块，主要包括电控单元15，电控单元15与激光测距模块、双目立体视觉模块以及激光投影模块连接，电控单元15基于双目立体视觉模块识别的靶标类型对激光测距模块与双目立体视觉模块进行切换，进行适应性的定位测量，并基于激光测距模块或双目立体视觉模块的信息控制激光投影模块将三维激光图样投射到靶标上。
39.本实施例中，也可以人为的切换定位测量方式，可以直接判断工件是有合作目标工件还是非合作目标工件，将激光测距模块与双目立体视觉模块进行切换，使其独立运行，适应性的对工件进行定位测量。
40.激光投影模块包括投影激光光源1、动态聚焦单元和投射单元。投影激光光源1采用532nm绿光固体激光器，可采取ttl电平快速控制激光的通断，连续输出高稳定激光功率的激光束，要求具有可控可调、激光束准直性好、单频输出等特点。动态聚焦单元包括准直镜2、调焦镜3以及分光镜4，调焦镜3对应设有调焦控制器8，分光镜4连接功率探测器9，动态聚焦单元用于整形优化投影激光，进一步降低光束发散角；动态聚焦单元形成投影系统的光学系统，实现基于距离的动态聚焦，通过聚焦投射确保照射在工件上的激光线条最窄，从而保障定位精度。
41.本实施例中，投射单元与扫描单元相同，优选为共用的同一结构，包括x轴振镜6、y轴振镜7以及控制x轴振镜6和y轴振镜7的振镜驱动器12。投射单元是影响激光投影模块性能的关键部件，采用两个一维振镜组合而成，振镜扫描精度高、速度快和扫描范围大，振镜及其控制器用于在工件上形成事先设定的稳定激光图样，对振镜快速和精确的控制是实现高质量激光图样的重要前提。
42.如图2所示，壳体17的表面位于两个相机窗口20中间位置处设有激光投射窗口19，该激光投射窗口是激光投影模块和激光测距模块的激光束16共同投射窗口。进一步地，壳体17上端设有散热风机18，用于装置本体内部通风散热。
43.本实施例中，电控单元15是本仪器数据的交换中心，是实时定位、瞄准控制的决策机构，是三维激光定位投影装置的核心组成部分。电控单元15主要由电源、数据接口单元、数据采集与处理单元、仪器主控单元和嵌入式软件等组成，控制模块还包括信息存储单元和通讯单元，信息存储单元对定位投影信息进行存储，通讯单元用于远程连接外部控制终端，用于采集、存储、处理的测试数据，仪器的工作流程控制，振镜的驱动和控制等，具备内/外触发、数据统计、上位机通讯等功能。
44.本发明提供的三维激光定位投影装置，通过设置激光测距模块、双目立体视觉模块和激光投影模块实现定位和投影两大功能，通过控制模块可以基于激光测距模块或双目立体视觉模块的信息控制激光投影模块将激光图样投射到靶标上，激光测距模块和双目立体视觉模块两种定位方法，可实现既能有合作目标的定位，也可实现无合作目标的定位，实用性强，适应范围广；采用动态聚焦单元可实现不同工作距离工作状态下光斑最小化，基于电控单元控制投射单元实现快速三维激光图样投射。
45.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。