范伟辉　黄秋东　解乃军　侯军明

摘要：3D扫描仪的硬件机构主要由旋转工作台（步进电机）、扫描机构（非接触式光学测头）和机械框架（悬臂式）等组成，其软件一般由数据采集、数据处理和数据转换程序等构成。文章针对3D扫描仪的机械结构展开研究与设计。

关键词：3D扫描仪；机械结构；旋转工作台；非接触测量；三维数字化技术 文献标识码：A

中图分类号：TP334 文章编号：1009-2374（2016）31-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.003

1 概述

近年来，计算机技术的飞速发展推动了三维数字化技术的逐步成熟，三维数字化信息的获取与处理技术以各种不同的风貌与特色进入到各个不同领域之中。三维扫描仪就是一种能够直接得到物体的原始三维信息的计算机输入设备，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据，将搜集到的数据进行三维重建计算，创建出实际物体的数字模型，对已有样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维点云数据，配合反求软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行CNC数控加工或快速成型，为制造业提供一个全新、高效的三维制造路线。

2 3D扫描仪技术方案

本项目技术方案设计内容：第一部分为硬件机构设计；第二部分为软件程序设计。其中，硬件机构部分主要由旋转工作台（步进电机）、扫描机构（非接触式光学测头）和机械框架（箱式）等组成；软件程序设计主要由上位机程序和系统控制程序等组成。

整体硬件机构采用盒式翻盖机构设计方案，如图1所示：

在锁紧机构上采用了独特的弹簧片附以勾头辅助锁紧；在扫描底板的设计上采用了斜边处理，可收放的扫描底板支撑架结构和弹簧针轴式的连接方式；独特的燕尾导轨、弧型的扫描头设计及可拆解的提手等，以上这些独特的设计不仅提高了整个机构的实用性，还大大缩减了机构空间。

3 三维扫描仪机构设计

3.1 便携式箱体组件

便携式箱体组件包括扫描箱锁舌扫描箱锁舌、扫描箱箱体、扫描箱门锁档板、提手、顶端左转轴、顶端转轴弹簧、顶端右转轴和弹簧片等。

扫描仪整体为塑料外壳，箱体的顶端开有与提手相配合的卡槽并设有两个螺纹孔，提手用M8螺母与箱体装配，提手的四面均采用倒边圆处理，符合人体工程学，扫描仪总质量严格控制在3kg以下，长久携带不会产生勒手的不适感。箱体的前端设有与扫描底板轴同样的锁紧轴，其使用方式和作用与之相同，在凹槽的斜侧面设有一片状的三角型弹片在锁紧头进行夹紧扫描底板时，以锁紧轴为旋转中心。在进行装配时，弹簧片一端塞入开设在箱体上的卡槽里，另一端塞入锁舌的卡槽里，通过弹簧的弹力和锁舌的侧面产生的抵抗力，从而使锁舌保持在锁紧状态。在非工作状态，弹簧片产生的力将地板往里推，同时与扫描箱门档板限制了底板的位置。这样的设计即使在剧烈的晃动下，依然可以保持底板与箱体的相对位置，从而保护了仪器，预防了非人为情况对扫描仪的破坏。

扫描仪箱体的内侧设有与燕尾型导轨相配合的5个螺纹孔，螺纹孔的位置经我们测量后确定了在扫描过程中，除去外部原因（主要包括扫描过程中的微动、外部阳光的干涉和扫描物体在放射后的漫射等）之后，确定的5个比较合适的位置，辅以M8螺母固定。

同时在箱体的侧边设有一个螺纹孔，用以安装M8的螺纹，当放下扫描底板时，工作台应与箱体的底部保持平行，同时旋转螺母，辅助固定，若扫描底板支撑架所支撑的平面有凸点、或扫描过程中出现轻微的晃动，则螺母可以减少工作台的晃动。

箱体的表面均采用磨砂处理，四边进行的倒边圆处理，在对直角的碰撞对比中，与对类似的圆角进行分析后，我们大胆地采用了R5的大圆角，不仅在外观上看上去比较大气，在实验模拟中，R5的圆角在碰撞中也有很不错的表现，在这种设计下，箱体在耐用度上得到了很大的提升。

3.2 可调扫描平台机构组件

可调扫描平台机构组件包括扫描头支座、燕尾式滑轨、紧定螺钉、锁紧螺栓、激光固定架、激光发生器和摄像头等。

光电转换器件CCD集成有众多光敏器件芯片表面，这些光敏器件在一条直线上排列，当光线经镜头会聚成像在CCD表面上时，每个光敏器件会因感受到光强的不同而感应出不同数量的电荷，译码电路根据每一光敏器件耦合的电荷量形成与入射光强度成比例的模拟电信号（指大小连续变化的电信号）输出。光电转换机构沿扫描头上横向放置，机械传动机构带动扫描头沿扫描仪纵向每移动一个单位距离，光电转换机构就采集扫描图稿上一条横线上的图形数据，当扫描头沿纵向扫过原稿以后，扫描仪就采集并传输了原稿上的全部图形信息。

扫描头整体为片状圆弧型，摄像头安装在上方位置，摄像头位置由测量后给出具体位置。左右上方两小孔用于安装激光发生器，中间大螺纹孔安装锁紧螺纹。燕尾导轨提供给扫描头移动的定向和Z向坐标，附以螺母旋转后靠螺母的连接产生一个与导轨相反的力，使扫描头固定。在设计之初，采用市场主流扫描仪相同的固定式扫描头，但测量过程中发现不能准确地扫描出各种零件的尺寸，从而大大浪费了扫描头的价值。经我们精密计算后，采用燕尾式导轨与螺母连接，增加了扫描头的灵活性和测量的精度，同时扫描头弧形的设计使激光更加集中，在测试的过程中，我们不断模拟、测量、调试，最终选定了现有圆弧，从而大大利用了现有的扫描头的弧形价值，使扫描出的零件尺寸与现实尺寸的相似度达到了理想状态。

3.3 底板平台组件

底板平台组件包括扫描底板锁止螺栓、扫描底板、扫描底板支撑架、步进电机连接轴套、扫描转盘、步进电机、步进电机支座、扫描底板右转轴、扫描底板转轴弹簧和扫描底板左转轴等。

扫描底板是整体机构的重要组成部分，主要是用于安装电机支座同时对电机工作时产生的振动和噪音进行吸收。在对不同的材料分析的时候发现亚克力材料相对于其他材料在吸音降噪上有很好的表现，同时能满足机构的力学要求，所以确定以亚克力为主要材料的扫描底板主体。在扫描底板的前端有一个扫描底板支撑架，扫描底板支撑架主要是用来支撑扫描底板，同时扫描底板支撑架可随其轴与轴孔的配合旋转，在电机工作时可将扫描底板支撑架旋转90度，使其平行于桌面，关闭电机后扫描底板支撑架可旋转，并收入扫描底板卡槽内部，从而充分的利用空间。扫描底板的前端还设有与锁紧头相配合的卡座，同时斜边的处理使扫描底板在锁紧的过程中不会产生干涉，显得更加个性化。扫描底板的尾部设有通孔，用以安装弹底板轴，底板轴共有两枚，中间塞一与孔洞相配合的弹簧，两底板轴的工作长度可随压力变化。在安装时借用压力使底板轴向反方向运动，同时，当底板轴塞入轴孔后，弹簧借用自身弹力使底板轴回弹，进而塞入轴孔完成配合。整套机构在机构上很是独特，不仅运用了弹簧轴式的安装，结构简便易于制造，便于维修，还设计了扫描底板支撑架的节约化设计，使整体看起来更加人性化，简约风格一览无遗。

旋转平台主要由电机、电机座、扫描转盘、旋转支撑座和旋转工作台等部件组成。扫描转盘为金属件，表面附着防滑纹，防止被扫描物件在旋转过程中出现滑移现象。扫描转盘由一个扫描底板支撑架支撑，并设有凹槽用以安装小磁铁，吸附扫描转盘，同时在支撑的表面粘有少量的胶水用以固定扫描转盘，从而带动扫描转盘旋转；在旋转支撑座的末端设有与电机主轴相应的卡槽用以安装支撑座，同时保证在电机旋转的过程中带动支撑座旋转，间接地带动扫描转盘旋转，以配合完成扫描工作。电机支座设有与电机外尺寸相应的卡座，同时在开设与电机耳边相应的螺纹孔，通过螺纹连接实现电机与支座的连接，并在支座的一边设置了两个相应的螺纹通孔，用以安装在支座上，从而保证支座的定位。

4 结语

本设计在我们团队所有成员的努力下，在我的指导老师的悉心指导下终于顺利做出了实物模型。在该模型的基础上我们对设计方案进行了验证，制作出一套成品以及完成上位机软件的编写。本设计体现出了团队的重要性，同时体现了学生的创新能力，让团队的所有成员都得到了一次锻炼。

参考文献

[1] 李清泉，杨必胜，史文中，等.三维空间数据的实 时获取、建模与可视化[M].武汉：武汉大学出版 社，2003.

[2] 陈允芳，叶泽田.基于多传感器融合的车载移动测图 系统研究[J].测绘通报，2007，（1）.