3D掃描儀機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

范偉輝　黃秋東　解乃軍　侯軍明

摘要：3D掃描儀的硬件機構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)工作臺（步進電機）、掃描機構(gòu)（非接觸式光學測頭）和機械框架（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3D掃描儀的機械結(jié)構(gòu)展開研究與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：3D掃描儀；機械結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)工作臺；非接觸測量；三維數(shù)字化技術(shù) 文獻標識碼：A

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

1 概述

近年來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動了三維數(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)以各種不同的風貌與特色進入到各個不同領(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算機輸入設(shè)備，用來偵測并分析現(xiàn)實世界中物體或環(huán)境的形狀與外觀數(shù)據(jù)，將搜集到的數(shù)據(jù)進行三維重建計算，創(chuàng)建出實際物體的數(shù)字模型，對已有樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維點云數(shù)據(jù)，配合反求軟件進行曲面重構(gòu)，并對重構(gòu)的曲面進行在線精度分析、評價構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進行CNC數(shù)控加工或快速成型，為制造業(yè)提供一個全新、高效的三維制造路線。

2 3D掃描儀技術(shù)方案

本項目技術(shù)方案設(shè)計內(nèi)容：第一部分為硬件機構(gòu)設(shè)計；第二部分為軟件程序設(shè)計。其中，硬件機構(gòu)部分主要由旋轉(zhuǎn)工作臺（步進電機）、掃描機構(gòu)（非接觸式光學測頭）和機械框架（箱式）等組成；軟件程序設(shè)計主要由上位機程序和系統(tǒng)控制程序等組成。

整體硬件機構(gòu)采用盒式翻蓋機構(gòu)設(shè)計方案，如圖1所示：

在鎖緊機構(gòu)上采用了獨特的彈簧片附以勾頭輔助鎖緊；在掃描底板的設(shè)計上采用了斜邊處理，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；獨特的燕尾導軌、弧型的掃描頭設(shè)計及可拆解的提手等，以上這些獨特的設(shè)計不僅提高了整個機構(gòu)的實用性，還大大縮減了機構(gòu)空間。

3 三維掃描儀機構(gòu)設(shè)計

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，箱體的頂端開有與提手相配合的卡槽并設(shè)有兩個螺紋孔，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，掃描儀總質(zhì)量嚴格控制在3kg以下，長久攜帶不會產(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行夾緊掃描底板時，以鎖緊軸為旋轉(zhuǎn)中心。在進行裝配時，彈簧片一端塞入開設(shè)在箱體上的卡槽里，另一端塞入鎖舌的卡槽里，通過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，同時與掃描箱門檔板限制了底板的位置。這樣的設(shè)計即使在劇烈的晃動下，依然可以保持底板與箱體的相對位置，從而保護了儀器，預防了非人為情況對掃描儀的破壞。

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

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

箱體的表面均采用磨砂處理，四邊進行的倒邊圓處理，在對直角的碰撞對比中，與對類似的圓角進行分析后，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，在實驗?zāi)M中，R5的圓角在碰撞中也有很不錯的表現(xiàn)，在這種設(shè)計下，箱體在耐用度上得到了很大的提升。

3.2 可調(diào)掃描平臺機構(gòu)組件

可調(diào)掃描平臺機構(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上排列，當光線經(jīng)鏡頭會聚成像在CCD表面上時，每個光敏器件會因感受到光強的不同而感應(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度成比例的模擬電信號（指大小連續(xù)變化的電信號）輸出。光電轉(zhuǎn)換機構(gòu)沿掃描頭上橫向放置，機械傳動機構(gòu)帶動掃描頭沿掃描儀縱向每移動一個單位距離，光電轉(zhuǎn)換機構(gòu)就采集掃描圖稿上一條橫線上的圖形數(shù)據(jù)，當掃描頭沿縱向掃過原稿以后，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。燕尾導軌提供給掃描頭移動的定向和Z向坐標，附以螺母旋轉(zhuǎn)后靠螺母的連接產(chǎn)生一個與導軌相反的力，使掃描頭固定。在設(shè)計之初，采用市場主流掃描儀相同的固定式掃描頭，但測量過程中發(fā)現(xiàn)不能準確地掃描出各種零件的尺寸，從而大大浪費了掃描頭的價值。經(jīng)我們精密計算后，采用燕尾式導軌與螺母連接，增加了掃描頭的靈活性和測量的精度，同時掃描頭弧形的設(shè)計使激光更加集中，在測試的過程中，我們不斷模擬、測量、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值，使掃描出的零件尺寸與現(xiàn)實尺寸的相似度達到了理想狀態(tài)。

3.3 底板平臺組件

底板平臺組件包括掃描底板鎖止螺栓、掃描底板、掃描底板支撐架、步進電機連接軸套、掃描轉(zhuǎn)盤、步進電機、步進電機支座、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。

掃描底板是整體機構(gòu)的重要組成部分，主要是用于安裝電機支座同時對電機工作時產(chǎn)生的振動和噪音進行吸收。在對不同的材料分析的時候發(fā)現(xiàn)亞克力材料相對于其他材料在吸音降噪上有很好的表現(xiàn)，同時能滿足機構(gòu)的力學要求，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掃描底板支撐架，掃描底板支撐架主要是用來支撐掃描底板，同時掃描底板支撐架可隨其軸與軸孔的配合旋轉(zhuǎn)，在電機工作時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，同時斜邊的處理使掃描底板在鎖緊的過程中不會產(chǎn)生干涉，顯得更加個性化。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，兩底板軸的工作長度可隨壓力變化。在安裝時借用壓力使底板軸向反方向運動，同時，當?shù)装遢S塞入軸孔后，彈簧借用自身彈力使底板軸回彈，進而塞入軸孔完成配合。整套機構(gòu)在機構(gòu)上很是獨特，不僅運用了彈簧軸式的安裝，結(jié)構(gòu)簡便易于制造，便于維修，還設(shè)計了掃描底板支撐架的節(jié)約化設(shè)計，使整體看起來更加人性化，簡約風格一覽無遺。

旋轉(zhuǎn)平臺主要由電機、電機座、掃描轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)支撐座和旋轉(zhuǎn)工作臺等部件組成。掃描轉(zhuǎn)盤為金屬件，表面附著防滑紋，防止被掃描物件在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。掃描轉(zhuǎn)盤由一個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，同時在支撐的表面粘有少量的膠水用以固定掃描轉(zhuǎn)盤，從而帶動掃描轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)；在旋轉(zhuǎn)支撐座的末端設(shè)有與電機主軸相應(yīng)的卡槽用以安裝支撐座，同時保證在電機旋轉(zhuǎn)的過程中帶動支撐座旋轉(zhuǎn)，間接地帶動掃描轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，以配合完成掃描工作。電機支座設(shè)有與電機外尺寸相應(yīng)的卡座，同時在開設(shè)與電機耳邊相應(yīng)的螺紋孔，通過螺紋連接實現(xiàn)電機與支座的連接，并在支座的一邊設(shè)置了兩個相應(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

本設(shè)計在我們團隊所有成員的努力下，在我的指導老師的悉心指導下終于順利做出了實物模型。在該模型的基礎(chǔ)上我們對設(shè)計方案進行了驗證，制作出一套成品以及完成上位機軟件的編寫。本設(shè)計體現(xiàn)出了團隊的重要性，同時體現(xiàn)了學生的創(chuàng)新能力，讓團隊的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻

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