3D掃描儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

范偉輝　黃秋東　解乃軍　侯軍明

摘要：3D掃描儀的硬件機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（步進(jìn)電機(jī)）、掃描機(jī)構(gòu)（非接觸式光學(xué)測(cè)頭）和機(jī)械框架（懸臂式）等組成，其軟件一般由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序等構(gòu)成。文章針對(duì)3D掃描儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：3D掃描儀；機(jī)械結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；非接觸測(cè)量；三維數(shù)字化技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334 文章編號(hào)：1009-2374（2016）31-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.003

1 概述

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了三維數(shù)字化技術(shù)的逐步成熟，三維數(shù)字化信息的獲取與處理技術(shù)以各種不同的風(fēng)貌與特色進(jìn)入到各個(gè)不同領(lǐng)域之中。三維掃描儀就是一種能夠直接得到物體的原始三維信息的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，用來(lái)偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀與外觀數(shù)據(jù)，將搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建計(jì)算，創(chuàng)建出實(shí)際物體的數(shù)字模型，對(duì)已有樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，配合反求軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行在線(xiàn)精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進(jìn)行CNC數(shù)控加工或快速成型，為制造業(yè)提供一個(gè)全新、高效的三維制造路線(xiàn)。

2 3D掃描儀技術(shù)方案

本項(xiàng)目技術(shù)方案設(shè)計(jì)內(nèi)容：第一部分為硬件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二部分為軟件程序設(shè)計(jì)。其中，硬件機(jī)構(gòu)部分主要由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（步進(jìn)電機(jī)）、掃描機(jī)構(gòu)（非接觸式光學(xué)測(cè)頭）和機(jī)械框架（箱式）等組成；軟件程序設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)程序和系統(tǒng)控制程序等組成。

整體硬件機(jī)構(gòu)采用盒式翻蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示：

在鎖緊機(jī)構(gòu)上采用了獨(dú)特的彈簧片附以勾頭輔助鎖緊；在掃描底板的設(shè)計(jì)上采用了斜邊處理，可收放的掃描底板支撐架結(jié)構(gòu)和彈簧針軸式的連接方式；獨(dú)特的燕尾導(dǎo)軌、弧型的掃描頭設(shè)計(jì)及可拆解的提手等，以上這些獨(dú)特的設(shè)計(jì)不僅提高了整個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)用性，還大大縮減了機(jī)構(gòu)空間。

3 三維掃描儀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 便攜式箱體組件

便攜式箱體組件包括掃描箱鎖舌掃描箱鎖舌、掃描箱箱體、掃描箱門(mén)鎖檔板、提手、頂端左轉(zhuǎn)軸、頂端轉(zhuǎn)軸彈簧、頂端右轉(zhuǎn)軸和彈簧片等。

掃描儀整體為塑料外殼，箱體的頂端開(kāi)有與提手相配合的卡槽并設(shè)有兩個(gè)螺紋孔，提手用M8螺母與箱體裝配，提手的四面均采用倒邊圓處理，符合人體工程學(xué)，掃描儀總質(zhì)量嚴(yán)格控制在3kg以下，長(zhǎng)久攜帶不會(huì)產(chǎn)生勒手的不適感。箱體的前端設(shè)有與掃描底板軸同樣的鎖緊軸，其使用方式和作用與之相同，在凹槽的斜側(cè)面設(shè)有一片狀的三角型彈片在鎖緊頭進(jìn)行夾緊掃描底板時(shí)，以鎖緊軸為旋轉(zhuǎn)中心。在進(jìn)行裝配時(shí)，彈簧片一端塞入開(kāi)設(shè)在箱體上的卡槽里，另一端塞入鎖舌的卡槽里，通過(guò)彈簧的彈力和鎖舌的側(cè)面產(chǎn)生的抵抗力，從而使鎖舌保持在鎖緊狀態(tài)。在非工作狀態(tài)，彈簧片產(chǎn)生的力將地板往里推，同時(shí)與掃描箱門(mén)檔板限制了底板的位置。這樣的設(shè)計(jì)即使在劇烈的晃動(dòng)下，依然可以保持底板與箱體的相對(duì)位置，從而保護(hù)了儀器，預(yù)防了非人為情況對(duì)掃描儀的破壞。

掃描儀箱體的內(nèi)側(cè)設(shè)有與燕尾型導(dǎo)軌相配合的5個(gè)螺紋孔，螺紋孔的位置經(jīng)我們測(cè)量后確定了在掃描過(guò)程中，除去外部原因（主要包括掃描過(guò)程中的微動(dòng)、外部陽(yáng)光的干涉和掃描物體在放射后的漫射等）之后，確定的5個(gè)比較合適的位置，輔以M8螺母固定。

同時(shí)在箱體的側(cè)邊設(shè)有一個(gè)螺紋孔，用以安裝M8的螺紋，當(dāng)放下掃描底板時(shí)，工作臺(tái)應(yīng)與箱體的底部保持平行，同時(shí)旋轉(zhuǎn)螺母，輔助固定，若掃描底板支撐架所支撐的平面有凸點(diǎn)、或掃描過(guò)程中出現(xiàn)輕微的晃動(dòng)，則螺母可以減少工作臺(tái)的晃動(dòng)。

箱體的表面均采用磨砂處理，四邊進(jìn)行的倒邊圓處理，在對(duì)直角的碰撞對(duì)比中，與對(duì)類(lèi)似的圓角進(jìn)行分析后，我們大膽地采用了R5的大圓角，不僅在外觀上看上去比較大氣，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，R5的圓角在碰撞中也有很不錯(cuò)的表現(xiàn)，在這種設(shè)計(jì)下，箱體在耐用度上得到了很大的提升。

3.2 可調(diào)掃描平臺(tái)機(jī)構(gòu)組件

可調(diào)掃描平臺(tái)機(jī)構(gòu)組件包括掃描頭支座、燕尾式滑軌、緊定螺釘、鎖緊螺栓、激光固定架、激光發(fā)生器和攝像頭等。

光電轉(zhuǎn)換器件CCD集成有眾多光敏器件芯片表面，這些光敏器件在一條直線(xiàn)上排列，當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)鏡頭會(huì)聚成像在CCD表面上時(shí)，每個(gè)光敏器件會(huì)因感受到光強(qiáng)的不同而感應(yīng)出不同數(shù)量的電荷，譯碼電路根據(jù)每一光敏器件耦合的電荷量形成與入射光強(qiáng)度成比例的模擬電信號(hào)（指大小連續(xù)變化的電信號(hào)）輸出。光電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)沿掃描頭上橫向放置，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)掃描頭沿掃描儀縱向每移動(dòng)一個(gè)單位距離，光電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)就采集掃描圖稿上一條橫線(xiàn)上的圖形數(shù)據(jù)，當(dāng)掃描頭沿縱向掃過(guò)原稿以后，掃描儀就采集并傳輸了原稿上的全部圖形信息。

掃描頭整體為片狀圓弧型，攝像頭安裝在上方位置，攝像頭位置由測(cè)量后給出具體位置。左右上方兩小孔用于安裝激光發(fā)生器，中間大螺紋孔安裝鎖緊螺紋。燕尾導(dǎo)軌提供給掃描頭移動(dòng)的定向和Z向坐標(biāo)，附以螺母旋轉(zhuǎn)后靠螺母的連接產(chǎn)生一個(gè)與導(dǎo)軌相反的力，使掃描頭固定。在設(shè)計(jì)之初，采用市場(chǎng)主流掃描儀相同的固定式掃描頭，但測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不能準(zhǔn)確地掃描出各種零件的尺寸，從而大大浪費(fèi)了掃描頭的價(jià)值。經(jīng)我們精密計(jì)算后，采用燕尾式導(dǎo)軌與螺母連接，增加了掃描頭的靈活性和測(cè)量的精度，同時(shí)掃描頭弧形的設(shè)計(jì)使激光更加集中，在測(cè)試的過(guò)程中，我們不斷模擬、測(cè)量、調(diào)試，最終選定了現(xiàn)有圓弧，從而大大利用了現(xiàn)有的掃描頭的弧形價(jià)值，使掃描出的零件尺寸與現(xiàn)實(shí)尺寸的相似度達(dá)到了理想狀態(tài)。

3.3 底板平臺(tái)組件

底板平臺(tái)組件包括掃描底板鎖止螺栓、掃描底板、掃描底板支撐架、步進(jìn)電機(jī)連接軸套、掃描轉(zhuǎn)盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)支座、掃描底板右轉(zhuǎn)軸、掃描底板轉(zhuǎn)軸彈簧和掃描底板左轉(zhuǎn)軸等。

掃描底板是整體機(jī)構(gòu)的重要組成部分，主要是用于安裝電機(jī)支座同時(shí)對(duì)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音進(jìn)行吸收。在對(duì)不同的材料分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn)亞克力材料相對(duì)于其他材料在吸音降噪上有很好的表現(xiàn)，同時(shí)能滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的力學(xué)要求，所以確定以亞克力為主要材料的掃描底板主體。在掃描底板的前端有一個(gè)掃描底板支撐架，掃描底板支撐架主要是用來(lái)支撐掃描底板，同時(shí)掃描底板支撐架可隨其軸與軸孔的配合旋轉(zhuǎn)，在電機(jī)工作時(shí)可將掃描底板支撐架旋轉(zhuǎn)90度，使其平行于桌面，關(guān)閉電機(jī)后掃描底板支撐架可旋轉(zhuǎn)，并收入掃描底板卡槽內(nèi)部，從而充分的利用空間。掃描底板的前端還設(shè)有與鎖緊頭相配合的卡座，同時(shí)斜邊的處理使掃描底板在鎖緊的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生干涉，顯得更加個(gè)性化。掃描底板的尾部設(shè)有通孔，用以安裝彈底板軸，底板軸共有兩枚，中間塞一與孔洞相配合的彈簧，兩底板軸的工作長(zhǎng)度可隨壓力變化。在安裝時(shí)借用壓力使底板軸向反方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，當(dāng)?shù)装遢S塞入軸孔后，彈簧借用自身彈力使底板軸回彈，進(jìn)而塞入軸孔完成配合。整套機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)上很是獨(dú)特，不僅運(yùn)用了彈簧軸式的安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便易于制造，便于維修，還設(shè)計(jì)了掃描底板支撐架的節(jié)約化設(shè)計(jì)，使整體看起來(lái)更加人性化，簡(jiǎn)約風(fēng)格一覽無(wú)遺。

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主要由電機(jī)、電機(jī)座、掃描轉(zhuǎn)盤(pán)、旋轉(zhuǎn)支撐座和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部件組成。掃描轉(zhuǎn)盤(pán)為金屬件，表面附著防滑紋，防止被掃描物件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。掃描轉(zhuǎn)盤(pán)由一個(gè)掃描底板支撐架支撐，并設(shè)有凹槽用以安裝小磁鐵，吸附掃描轉(zhuǎn)盤(pán)，同時(shí)在支撐的表面粘有少量的膠水用以固定掃描轉(zhuǎn)盤(pán)，從而帶動(dòng)掃描轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)；在旋轉(zhuǎn)支撐座的末端設(shè)有與電機(jī)主軸相應(yīng)的卡槽用以安裝支撐座，同時(shí)保證在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中帶動(dòng)支撐座旋轉(zhuǎn)，間接地帶動(dòng)掃描轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，以配合完成掃描工作。電機(jī)支座設(shè)有與電機(jī)外尺寸相應(yīng)的卡座，同時(shí)在開(kāi)設(shè)與電機(jī)耳邊相應(yīng)的螺紋孔，通過(guò)螺紋連接實(shí)現(xiàn)電機(jī)與支座的連接，并在支座的一邊設(shè)置了兩個(gè)相應(yīng)的螺紋通孔，用以安裝在支座上，從而保證支座的定位。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在我們團(tuán)隊(duì)所有成員的努力下，在我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下終于順利做出了實(shí)物模型。在該模型的基礎(chǔ)上我們對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，制作出一套成品以及完成上位機(jī)軟件的編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了團(tuán)隊(duì)的重要性，同時(shí)體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，讓團(tuán)隊(duì)的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻(xiàn)

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