（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）快速掃描三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)研究.pdf

東北大學(xué)碩 l 學(xué)位論文摘要 快速掃描三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)研究 摘要 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種測(cè)量?jī)x器 越來越廣泛的應(yīng)用于制造 電子 汽車和航天等工業(yè)中 而月 成為不可缺少的組成部分 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)自 從2 0 世紀(jì)6 0 年代發(fā)展以來 已經(jīng)逐漸成熟 現(xiàn)主要向高效率 高精度非 接觸式方向發(fā)展 本文主要以激光測(cè)距式非接觸三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x為研究對(duì)象 在測(cè)量模型 的建立 控制系統(tǒng) 激光測(cè)頭特性 數(shù)據(jù)采集處理及數(shù)據(jù)接口等方面 以 提高測(cè)量效率和精度為 目的 從實(shí)踐出發(fā)分析采用了一些實(shí)際可行的理論 和方法 并最后對(duì)一實(shí)物進(jìn)行了測(cè)量 在測(cè)量模型建立方面 本文采用了點(diǎn)云和基于曲線的模型重建兩種測(cè) 量模式 并對(duì)這兩種模型的具體建立方法進(jìn)行了研究 給出己知數(shù)學(xué)模型 曲線的建模方式 未知數(shù)學(xué)模型曲線的b樣條建模方式 并針對(duì)這兩種測(cè) 量模式對(duì)整個(gè)測(cè)量過程做了整體規(guī)劃 在控制系統(tǒng)方面 針對(duì)本文研究的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)式非接觸激光測(cè)量?jī)x 采用了上位機(jī)控制的整體控制方案 并對(duì)其誤差給出了補(bǔ)償方案 為了進(jìn) 一步提高測(cè)量效率和精度 本文在控制方面還給出了仿形跟蹤控制原理以 及實(shí)現(xiàn)方法 在激光測(cè)頭特性方面 針對(duì)三角激光測(cè)頭本身所固有的非線性 采用 了先用實(shí)驗(yàn)方式測(cè)得數(shù)據(jù) 再作局部線性化處理的修正方法 對(duì)于激光測(cè) 頭在測(cè)量過程中的動(dòng)態(tài)特性 本文從試驗(yàn)出發(fā) 分析并推導(dǎo)出掃描速度與 被測(cè)面形狀的關(guān)系 在測(cè)量數(shù)據(jù)方面 本文選用國(guó)際流行的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) i g e s標(biāo)準(zhǔn) 作為本系統(tǒng)與其它 c a d軟件的數(shù)據(jù)傳送接口 在此基礎(chǔ)上針對(duì)本系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)特點(diǎn)建立了由采集點(diǎn)到 i g e s實(shí)體數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過 程規(guī)劃與實(shí)現(xiàn) 關(guān)鍵詞 點(diǎn)云 b樣條曲線 激光三角測(cè)頭 非線性補(bǔ)償 仿形跟蹤控制 i g e s標(biāo)準(zhǔn) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 ab s t r a c t t h e s t u d y o n t h r e e c o o r d i n a t e l a s e r me a s u r i n g t e c h n o l o g y ab s t r a c t t h e t h r e e c o o r d i n a t e m e a s u r i n g ma c h i n e s a s a k i n d o f m e a s u r i n g i n s t r u m e n t b e c o me a n i n d i s p e n s a b l e p a r t a n d a r e m o r e a n d mo r e a p p l i e d t o m a n u f a c t u r e e l e c t r o n a u t o m o b i l e a n d s p a c e fl i g h t e t c s i n c e 1 9 6 0 s t h e t h r e e c o o r d i n a t e me a s u r i n g t e c h n o l o g i e s h a v e g r a d u a l l y g r o w n u p no w i t t r e n d t o w a r d t h e n o n c o n t a c t t y p e w i t h h i g h e f f i c i e n c y a n d h i g h a c c u r a c y t h e t h r e e c o o r d i n a t e l a s e r m e a s u r i n g m a c h i n e a s t h e o b j e c t o f t h i s a r t i c l e i t s c o n t r o l s y s t e m m e a s u r e m o d e l i n g s a m p l i n g a n d d e a l i n g w i t h d a t a a n d d a t a s i n t e r c h a n g i n g i n t e r f a c e a r e m a i n l y r e s e a r c h e d i n t h i s a r t i c l e s o m e p r a c t i c a l a n d f e a s i b l e t h e o r i e s a n d m e t h o d s b a s e d o n p r a c t i c e a r e p u t f o r w a r d i n o r d e r t o i m p r o v e t h e me a s u r i n g e f f i c i e n c y a n d p r e c i s i o n i n r e s p e c t o f m e a s u r e m o d e l i n g t w o m o d e s a r e g i v e n a n d a n a l y z e d i n t h i s a r t i c l e d a t a p o i n t c l o u d s a n d r e m o d e l i n g b a s e d o n c u r v e t h e n i t m a k e s i n t e g r a l p r o g r a m mi n g i n t h e c o u r s e o f t h e w h o l e m e a s u r e m e n t i n r e s p e c t o f t h e c o n t r o l s y s t e m i n t h e l i g h t o f t h e r o t a t i o n w o r k i n g d e s k t y p e a n d n o n c o n t a c t l a s e r me a s u r i n g a p p a r a t u s t h i s a r t i c l e p u t s f o r w a r d t o u s e t h e w h o l e c o n t r o l s c h e m e o f l o c a t i o n g o i n g t o m a c h i n e a n d t h e s c h e m e o f c o m p e n s a t i n g t o e r r o r i s a l s o p r o p o s e d i n t h i s a r t i c l e mo r e o v e r i n o r d e r t o f u r t h e r i m p r o v e m e a s u r i n g e f f i c i e n c y a n d p r e c i s i o n i t s u g g e s t s t h e p r o f i l e m o d e l i n g f o l l o w s t h e p r i n c i p l e o f c o n t r o l l i n g a n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s i n c o n t r o l l i n g i n r e s p e c t o f t h e l a s e r m e a s u r i n g m a c h i n e s c h a r a c t e r i s t i c t h i s a r t i c l e o f f e r s r e v i s i o n m e t h o d o f e x a m i n i n g d a t a b y e x p e r i m e n t a n d d e a l i n g w i t h s o m e l i n e a r i z a t i o n f o r t h e i n h e r e n t n o n l i n e a r i t y o f t h e l a s e r m e a s u r i n g m a c h i n e a n d f r o m t h e a n g l e o f e x p e r i m e n t i t a n a l y s e s a n d c o n c l u d e s t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e s p e e d o f s c a n n i n g a n d t h e s h a p e o f e x a m i n i n g s u r f a c e f o r t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c i n t h e c o u r s e o f m e a s u r i n g o f t h e l a s e r me a s u r i n g ma c h i n e i i i 東北大學(xué)碩 卜 學(xué)位論文 ab s tr a c t i n r e s p e c t o f d a t a me a s u r e m e n t t h i s a r t i c l e s e l e c t s t h e f i g u r e a n d d a t a c o n v e r s i o n s t a n d a r d i g e s w h i c h i s p o p u l a r i n t e r n a t i o n a l l y a s t h e d a t a t r a n s m i s s i o n i n t e r f a c e b e t w e e n t h i s s y s t e m a n d o t h e r c a d s o f t w a r e o n f a c i n g t h e d a t a c h a r a c t e r i s t i c o f t h i s s y s t e m i t s e t s u p t h e f o r m o f e n t i t y s d a t a f r o m g a t h e r i n g t o i g e s a n d t h e n f o r ms t h e c o u r s e p r o g r a m mi n g a n d r e a l i z a t i o n o f i g e s f i l e ke y w o r d s no n l i ne a r p o i n t c l o u d nu r b s t h e l a s e r me a s u r i n g ma c h i n e c o mp e n s a t i o n t h e c o n t r o l l i n g b y s u r f a c e o f t h e o b j e c t i ge s i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的 論文 中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外 不包含其他人己 經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使 用過的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已 在論文中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文作者簽名 日期 7 c 令 7 z 2 3 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué) 位論文的規(guī)定 即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)東北大學(xué)可以將學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 交流 如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流 請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?否則視為不同意 學(xué) 位 論 文 作 者 簽 礴 簽 字日 期 zo a 令 z z 了 導(dǎo)師簽名 簽 字 日 期 城 二 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 第一章 緒論 1 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及國(guó)內(nèi)外背景 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是隨著2 0 世紀(jì)6 0 年代第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn)而 逐漸發(fā)展成熟起來的 現(xiàn)在已經(jīng)涉及到應(yīng)用光學(xué) 電子技術(shù) 控制技術(shù) 新材料技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域 并且隨著這些技術(shù)的發(fā)展日 益完善 在三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的推動(dòng)下 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造 電子 汽車和航天等工業(yè)中 而且成為這些工業(yè)中不可缺少的組成部分 三坐標(biāo)測(cè)量在測(cè)量方法上主要有兩大類1 2 1 一是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量法 二是非接觸測(cè)量法 其中非接觸測(cè)量法隨著光學(xué)測(cè)頭技術(shù) 及數(shù)字圖形圖 像技術(shù)的引入而發(fā)展迅速 而且根據(jù)利用光學(xué)原理的不同在測(cè)量方法及理 論上又有很大的差別 如投影光柵法 激光三角形法 全息法 距離圖像 三維測(cè)量法等 接觸式三坐標(biāo)測(cè)量主要是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接觸探頭 有各種不同 直徑和形狀的探針 逐點(diǎn)地捕捉樣品表面數(shù)據(jù) 當(dāng)探頭上的探針沿樣件表面 運(yùn)動(dòng)時(shí) 樣件表面的反作用力使探針發(fā)生形變 這種形變通過連接到探針 上的三個(gè)坐標(biāo)的彈簧產(chǎn)生位移反應(yīng)出來 其大小和方向由傳感器測(cè)出 經(jīng) 模擬轉(zhuǎn)換 將測(cè)出的信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī) 經(jīng)相關(guān)的處理得到所測(cè)量點(diǎn)的三 維坐標(biāo) 采用該方法可以達(dá)到很高的測(cè)量精度 士 5 u m 對(duì)被測(cè)物體的材 質(zhì)和色澤一般無特殊要求 對(duì)于沒有復(fù)雜內(nèi)部型腔 特征幾何尺寸多 只 有少量特征曲 面的零件該測(cè)量方法非常有效13 1 其缺點(diǎn)主 要表現(xiàn)在 由于 該方法是接觸式測(cè)量 易于損傷探頭和劃傷被測(cè)樣件表面 不能對(duì)軟質(zhì)材 料和超薄形物體進(jìn)行測(cè)量 對(duì)細(xì)微部分測(cè)量精度也受到影響 應(yīng)用范圍受 到限制 始終需要人工干預(yù) 不可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量 由于測(cè)頭的半徑而 存在三維補(bǔ)償問題 價(jià)格較高 對(duì)使用環(huán)境有一定要求 測(cè)量速度慢 效 率低 典型接觸式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)有英國(guó) r e n i s h a w公司生產(chǎn)的r e t r o s c a n 測(cè)量系統(tǒng)和c y c f o n e 高速測(cè)量機(jī)及法國(guó)l e m o i n e 測(cè)量系統(tǒng) r e t r o s c a n 測(cè)量 系統(tǒng)可方便地安裝在加工中心和數(shù)控銑床上 與大多數(shù)本身不配備測(cè)量功 能的普通數(shù)控系統(tǒng)兼容 c y c l o n e高速測(cè)量機(jī)可以快速地采集復(fù)雜的二維 曲線和三維表面數(shù)據(jù) 為模具制造廠提供了一種快速 可靠的將模型轉(zhuǎn)換 為零件程序的設(shè)備 其測(cè)量接觸力小 掃描速度快 最高可達(dá) 1 4 0點(diǎn) m i n 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 第一章 緒論 1 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及國(guó)內(nèi)外背景 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是隨著2 0 世紀(jì)6 0 年代第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn)而 逐漸發(fā)展成熟起來的 現(xiàn)在已經(jīng)涉及到應(yīng)用光學(xué) 電子技術(shù) 控制技術(shù) 新材料技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域 并且隨著這些技術(shù)的發(fā)展日 益完善 在三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的推動(dòng)下 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造 電子 汽車和航天等工業(yè)中 而且成為這些工業(yè)中不可缺少的組成部分 三坐標(biāo)測(cè)量在測(cè)量方法上主要有兩大類1 2 1 一是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量法 二是非接觸測(cè)量法 其中非接觸測(cè)量法隨著光學(xué)測(cè)頭技術(shù) 及數(shù)字圖形圖 像技術(shù)的引入而發(fā)展迅速 而且根據(jù)利用光學(xué)原理的不同在測(cè)量方法及理 論上又有很大的差別 如投影光柵法 激光三角形法 全息法 距離圖像 三維測(cè)量法等 接觸式三坐標(biāo)測(cè)量主要是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接觸探頭 有各種不同 直徑和形狀的探針 逐點(diǎn)地捕捉樣品表面數(shù)據(jù) 當(dāng)探頭上的探針沿樣件表面 運(yùn)動(dòng)時(shí) 樣件表面的反作用力使探針發(fā)生形變 這種形變通過連接到探針 上的三個(gè)坐標(biāo)的彈簧產(chǎn)生位移反應(yīng)出來 其大小和方向由傳感器測(cè)出 經(jīng) 模擬轉(zhuǎn)換 將測(cè)出的信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī) 經(jīng)相關(guān)的處理得到所測(cè)量點(diǎn)的三 維坐標(biāo) 采用該方法可以達(dá)到很高的測(cè)量精度 士 5 u m 對(duì)被測(cè)物體的材 質(zhì)和色澤一般無特殊要求 對(duì)于沒有復(fù)雜內(nèi)部型腔 特征幾何尺寸多 只 有少量特征曲 面的零件該測(cè)量方法非常有效13 1 其缺點(diǎn)主 要表現(xiàn)在 由于 該方法是接觸式測(cè)量 易于損傷探頭和劃傷被測(cè)樣件表面 不能對(duì)軟質(zhì)材 料和超薄形物體進(jìn)行測(cè)量 對(duì)細(xì)微部分測(cè)量精度也受到影響 應(yīng)用范圍受 到限制 始終需要人工干預(yù) 不可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量 由于測(cè)頭的半徑而 存在三維補(bǔ)償問題 價(jià)格較高 對(duì)使用環(huán)境有一定要求 測(cè)量速度慢 效 率低 典型接觸式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)有英國(guó) r e n i s h a w公司生產(chǎn)的r e t r o s c a n 測(cè)量系統(tǒng)和c y c f o n e 高速測(cè)量機(jī)及法國(guó)l e m o i n e 測(cè)量系統(tǒng) r e t r o s c a n 測(cè)量 系統(tǒng)可方便地安裝在加工中心和數(shù)控銑床上 與大多數(shù)本身不配備測(cè)量功 能的普通數(shù)控系統(tǒng)兼容 c y c l o n e高速測(cè)量機(jī)可以快速地采集復(fù)雜的二維 曲線和三維表面數(shù)據(jù) 為模具制造廠提供了一種快速 可靠的將模型轉(zhuǎn)換 為零件程序的設(shè)備 其測(cè)量接觸力小 掃描速度快 最高可達(dá) 1 4 0點(diǎn) m i n 東北大學(xué)碩十學(xué)位論文 第一章 緒論 或3 m m i n l e m o i n e 測(cè)量系統(tǒng)由探頭 軸向控制盒 數(shù)控機(jī)床接口板 微 機(jī)和相應(yīng)的軟件所組成 軸向控制盒用來控制數(shù)控機(jī)床三軸的運(yùn)動(dòng) 4 1 基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸式測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要分支 它 是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ) 融合電子學(xué) 計(jì)算機(jī)圖像學(xué) 信息處理 計(jì)算機(jī)視 覺等科學(xué)技術(shù)為一體的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù) 相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法 它 具有很多優(yōu)點(diǎn) 非接觸 掃描速度快 可達(dá)到 1 0 0 0 0 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn) 每秒 掃描 精度高 對(duì)細(xì)微部分的掃描精度也不受影響 現(xiàn)代 曲面測(cè)量的研究己越來 越集中在計(jì)算機(jī)視覺的無接觸檢測(cè)上 圖1 1非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量分類 f i g 1 1 t h e c l a s s e s o f n o n c o n t a c t me a s u r i n g 在非接觸式測(cè)量中 按照測(cè)量過程所采用的照明方式的不同 主要可 分為被動(dòng)式方法和主動(dòng)式方法 2 l 其詳細(xì)分類見圖1 1 被動(dòng)式方法是指不 向被測(cè)物體發(fā)射可控制的光束 而是直接利用自然光得到的圖像來獲取物 體三維信息 該方法得到的深度數(shù)據(jù)精度較低 某些方法只能得到景物相 對(duì)距離的一些模糊概念 如遮擋分析法 它以顏色 紋理等為依據(jù) 將圖 象分割成諸區(qū)域并分析其相互遮擋關(guān)系 采用松弛算法求出各區(qū)域之間的 相對(duì)距離 該方法所得到的物體與攝像頭光學(xué)中心距離信息只是 在 前 面 在 二 后面 與 等距 等一些定性的描述 這類深度獲取技術(shù)主 要應(yīng)用于早期的圖像識(shí)別及作三維景物識(shí)別的場(chǎng)景分析 另外如紋理梯度 法 根據(jù)物體距相機(jī)光學(xué)中心距離的增大而紋理基元變小的原理測(cè)距 它 只能獲得物體表面上的點(diǎn)與攝像機(jī)光學(xué)中心之間的相對(duì)距離 而且要求物 體表面有一定的紋理 被動(dòng)式方法中較有前途的方法是立體視覺法 主要 可分為雙目視覺方法 三目視覺方法和單目視覺方法 雙目視覺方法是人 東北大學(xué)碩 學(xué)位論文第一章 緒論 類獲取距離信息的主要方式 它是根據(jù)立體視差 即被測(cè)點(diǎn)在左右攝像機(jī) c c d像面上成像點(diǎn)位置的差異來進(jìn)行測(cè)距 其中立體匹配問題始終是雙目 視覺測(cè)量的一個(gè)主要難點(diǎn)所在 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行深入而持久的研 究 提出了大量的匹配算法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 如利用外極線約束 相容 性約束 唯一性約束 連續(xù)性約束 形狀連續(xù)性約束 偏差梯度約束等約 束條件減小匹配搜索范圍和確定正確對(duì)應(yīng)關(guān)系的原則 以及很有影響和代 表性的 m p g 匹配方法和多通道結(jié)構(gòu)匹配方法 另外 m h e r m a n h s 1 j y w e n g e 6 l y n z h a n g l s b m a r a p a n e 18 j 等 學(xué) 者 都 對(duì)立 體匹 配問 題 進(jìn) 行 了研究并提出了相應(yīng)的算法 目前也有不少實(shí)際應(yīng)用的雙目視覺測(cè)量系 統(tǒng) 如 y c k i m 1 9 的雙目 視覺測(cè)量系統(tǒng) 在 3 0 0 c m距離處測(cè)量誤差為 2 6 m m 在7 0 0 c m距離處測(cè)量誤差為3 1 9 m m 三目 視覺方法主要是為了 增加幾何約束條件 減小雙目視覺中立體匹配的困難 但結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性 也引入了測(cè)量誤差 降低了測(cè)量效率 在實(shí)際中應(yīng)用較少 單目視覺方法 只采用一個(gè)攝像機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 相應(yīng)的對(duì)攝像機(jī)的標(biāo)定也較為簡(jiǎn)單 同時(shí) 避免了雙目視覺中立體匹配的困難 它又可分為聚焦法和離焦法 尋求精確 的聚焦位置是聚焦法的關(guān)鍵所在 離焦法可以避免聚焦法因?qū)で缶_的聚 焦位置而降低測(cè)量效率的問題 但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)定是該方法的主要難 點(diǎn) 相對(duì)于被動(dòng)三維傳感而言 主動(dòng)三維傳感是基于向場(chǎng)景發(fā)射能量 如激 光 超聲波 x射線等 利用特別光源所提供的結(jié)構(gòu)信息來獲取距離信息 的技術(shù) 該方法測(cè)距精度高 抗干擾性能強(qiáng) 實(shí)時(shí)性強(qiáng) 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣 泛 較易直接得到被測(cè)物體三維輪廓信息 主動(dòng)三維傳感可分為時(shí)間調(diào) 制和空間調(diào)制 時(shí)間調(diào)制分為相位測(cè)量法和飛行時(shí)間法 相位測(cè)量法是將基準(zhǔn)柵板投 影到被測(cè)物表面 形成被測(cè)物表面調(diào)制的變形柵線圖像 變形柵線圖像中 的相位值與被測(cè)表面高度值建立起一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 通過相位值求得 曲面三維信息 飛行時(shí)間法是利用光速和聲速在空氣中恒速傳播的原理 由測(cè)距器主動(dòng)發(fā)出光 電脈沖 在遇到物體表面時(shí)反射回來 根據(jù)脈沖在 測(cè)距器與物體之間的飛行時(shí)間測(cè)量距離 空間調(diào)制又稱為主動(dòng)三角法 該方法是近年來研究較多 發(fā)展比較成 熟的一種測(cè)距方法 該方法通過向被測(cè)物體表面發(fā)射一聚集光束 點(diǎn) 結(jié)構(gòu) 光 線光或莫爾條紋 在被測(cè)表面上形成具有某一特定形狀光斑 半徑約 0 5 m m 左右的光點(diǎn) 窄細(xì)光帶 光帶族或其它結(jié)構(gòu)光 然后根據(jù)反射光 信息計(jì)算測(cè)量點(diǎn)或點(diǎn)群的三維坐標(biāo)值 其基本原理是利用具有規(guī)則幾何形 狀的激光束沿樣品表面連續(xù)掃描被測(cè)表面 被測(cè)表面形成的漫反射光點(diǎn) 帶 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一童 緒論 在光路中安置的圖像傳感器上成像 按照三角形原理 測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的空間 坐標(biāo) 三角法的測(cè)量速度很快 其精度取決于感光設(shè)備的敏感程度 與被 測(cè)表面的距離 被測(cè)物表面的光學(xué)特性等 當(dāng)被測(cè)表面反射率較低時(shí) 則 這種方法會(huì)造成較大的測(cè)量誤差 反之 如果表面的吸收率較低 反射率 較高 也會(huì)造成較大的測(cè)量誤差甚至根本無法測(cè)量 因此如果被測(cè)表面特 性不符合測(cè)量要求 測(cè)量前需對(duì)被測(cè)表面作適當(dāng)處理 基于三角法測(cè)量原 理的測(cè)量方法有很多 根據(jù)光源不同 可分為 點(diǎn)光源法 線光源法 面 光源法 全息激光等 點(diǎn)光源的激光測(cè)量如d i g i b o t i c s 的d i g i b o t 1 1 系統(tǒng) 配有旋轉(zhuǎn)土作臺(tái)并在導(dǎo)軌上布置兩個(gè)以上的攝像機(jī) 其工作空間為直徑為 4 5 0 m m高為4 5 0 m m的圓柱空間 它可以對(duì)幾乎所有形狀的工件進(jìn)行測(cè)量 m e n s i 的s o i s i c 鋇 頭在許多工業(yè)場(chǎng)合得到了應(yīng)用 面激光測(cè)量如c y b e r w a r e 的mo d e l 3 0 3 0 測(cè)頭連同兩臺(tái)攝像機(jī)可以對(duì) 3 0 0 m m x 3 0 0 m m x l m空間內(nèi)的 7 件進(jìn)行測(cè)量 b r a d l e y 和v i c k e r s 及mi l o r y 等將h y m a r e d 的h y s c a n 4 5 c 型測(cè)頭用于快速原型制造和反求工程 另外如k r e o n的k l s 5 1 和k l s 1 7 1 測(cè)頭 l a s e r d e s i g n 的r p s 測(cè)頭 m i n o l t a 的v i 7 0 0 測(cè)頭等在曲 面零件的 測(cè)量中都得到了應(yīng)用 川 目 前國(guó)內(nèi)在激光三角形測(cè)量法研究中走在前列的 有重慶大學(xué) 大連理工大學(xué) 天津大學(xué) 上海大學(xué) 華中科技大學(xué)和國(guó)防 科技大學(xué)等 但是國(guó)內(nèi)尚沒有成熟的激光測(cè)量產(chǎn)品面世 還存在性能穩(wěn)定 性低 測(cè)量精度低 配套技術(shù)不完善 測(cè)頭與三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)的接口 自 動(dòng) 測(cè)量控制策略 等缺陷 1 2三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 實(shí)踐證明 在過去的幾十年中三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)給制造 電子 汽 車和航天等工業(yè)帶來了巨大的效益 隨著科技 與生產(chǎn)的發(fā)展 三坐標(biāo)測(cè) 量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V 同時(shí)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)也要求越來越高 這主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)1 1 2 1 1 提高精度 三坐標(biāo)測(cè)量本身就屬于高精度測(cè)量的范疇 目前接觸式的三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)測(cè)量精度能達(dá)到 l t l m 非接觸的也在 1 0 1 0 0 x m 1 3 1 然而當(dāng)前隨著加 工精度的顯著提高 尤其是電子 精密儀器的領(lǐng)域 對(duì)測(cè)量的高精度要求 就顯得更為突出 對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來說 提高精度最主要的是機(jī)械主體 的基本結(jié)構(gòu)問題 而對(duì)測(cè)量技術(shù)本身理論上來講 主要是建立整個(gè)測(cè)量系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償模型 動(dòng)態(tài)誤差與測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)程有關(guān) 在 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一童 緒論 在光路中安置的圖像傳感器上成像 按照三角形原理 測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的空間 坐標(biāo) 三角法的測(cè)量速度很快 其精度取決于感光設(shè)備的敏感程度 與被 測(cè)表面的距離 被測(cè)物表面的光學(xué)特性等 當(dāng)被測(cè)表面反射率較低時(shí) 則 這種方法會(huì)造成較大的測(cè)量誤差 反之 如果表面的吸收率較低 反射率 較高 也會(huì)造成較大的測(cè)量誤差甚至根本無法測(cè)量 因此如果被測(cè)表面特 性不符合測(cè)量要求 測(cè)量前需對(duì)被測(cè)表面作適當(dāng)處理 基于三角法測(cè)量原 理的測(cè)量方法有很多 根據(jù)光源不同 可分為 點(diǎn)光源法 線光源法 面 光源法 全息激光等 點(diǎn)光源的激光測(cè)量如d i g i b o t i c s 的d i g i b o t 1 1 系統(tǒng) 配有旋轉(zhuǎn)土作臺(tái)并在導(dǎo)軌上布置兩個(gè)以上的攝像機(jī) 其工作空間為直徑為 4 5 0 m m高為4 5 0 m m的圓柱空間 它可以對(duì)幾乎所有形狀的工件進(jìn)行測(cè)量 m e n s i 的s o i s i c 鋇 頭在許多工業(yè)場(chǎng)合得到了應(yīng)用 面激光測(cè)量如c y b e r w a r e 的mo d e l 3 0 3 0 測(cè)頭連同兩臺(tái)攝像機(jī)可以對(duì) 3 0 0 m m x 3 0 0 m m x l m空間內(nèi)的 7 件進(jìn)行測(cè)量 b r a d l e y 和v i c k e r s 及mi l o r y 等將h y m a r e d 的h y s c a n 4 5 c 型測(cè)頭用于快速原型制造和反求工程 另外如k r e o n的k l s 5 1 和k l s 1 7 1 測(cè)頭 l a s e r d e s i g n 的r p s 測(cè)頭 m i n o l t a 的v i 7 0 0 測(cè)頭等在曲 面零件的 測(cè)量中都得到了應(yīng)用 川 目 前國(guó)內(nèi)在激光三角形測(cè)量法研究中走在前列的 有重慶大學(xué) 大連理工大學(xué) 天津大學(xué) 上海大學(xué) 華中科技大學(xué)和國(guó)防 科技大學(xué)等 但是國(guó)內(nèi)尚沒有成熟的激光測(cè)量產(chǎn)品面世 還存在性能穩(wěn)定 性低 測(cè)量精度低 配套技術(shù)不完善 測(cè)頭與三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)的接口 自 動(dòng) 測(cè)量控制策略 等缺陷 1 2三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 實(shí)踐證明 在過去的幾十年中三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)給制造 電子 汽 車和航天等工業(yè)帶來了巨大的效益 隨著科技 與生產(chǎn)的發(fā)展 三坐標(biāo)測(cè) 量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V 同時(shí)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)也要求越來越高 這主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)1 1 2 1 1 提高精度 三坐標(biāo)測(cè)量本身就屬于高精度測(cè)量的范疇 目前接觸式的三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)測(cè)量精度能達(dá)到 l t l m 非接觸的也在 1 0 1 0 0 x m 1 3 1 然而當(dāng)前隨著加 工精度的顯著提高 尤其是電子 精密儀器的領(lǐng)域 對(duì)測(cè)量的高精度要求 就顯得更為突出 對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來說 提高精度最主要的是機(jī)械主體 的基本結(jié)構(gòu)問題 而對(duì)測(cè)量技術(shù)本身理論上來講 主要是建立整個(gè)測(cè)量系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償模型 動(dòng)態(tài)誤差與測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)程有關(guān) 在 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎(chǔ)上 既可以改進(jìn)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 又可以按照測(cè)量 機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償 從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量 2 提高測(cè)量效率 生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快 要求測(cè)量機(jī)在保證鋇 量精度的同時(shí) 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)存在的問題 在保證精度時(shí) 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 掃描速度慢 一般為 1 4 0點(diǎn) m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機(jī) c c d技術(shù)的測(cè)量機(jī) 測(cè)量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測(cè)量誤差可達(dá)2 6 m m 為了提高測(cè)量效率 從目前來看側(cè)重于非接觸測(cè)量技術(shù)的研究 正因 為非接觸測(cè)量具有一些突出的優(yōu)點(diǎn) 歐洲共同體已專門立項(xiàng)對(duì)非接觸的核 l 部分 測(cè)頭的性能檢定方法進(jìn)行研究 以期在短期內(nèi)制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī) 程 4 另一方面對(duì)己具有高效率的雙目視覺攝像測(cè)量系統(tǒng)來說 在數(shù)據(jù)處 理及排除外部干涉等方面也可作為提高精度的突破口 3 智能化 1 5 1 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動(dòng)編程 自動(dòng)編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對(duì)于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照?qǐng)D 紙的要求 利用存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫與決策庫確定測(cè)量策略 自動(dòng)選 擇配置 安排測(cè)量路徑 編排測(cè)量程序 目前對(duì)有 c a d圖紙的情況 相 對(duì)來說有一些成功的經(jīng)驗(yàn) 對(duì)沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對(duì)于后者 就要利用若干個(gè)攝像頭 大致地測(cè)出工件形狀 然后在此基礎(chǔ) 上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程 二是按測(cè)量任務(wù)對(duì)測(cè)量策略的智能優(yōu)化 確定測(cè)量策略 包括基面的選擇 測(cè)量路徑的選擇 防止碰撞的計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn) 測(cè)量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動(dòng)識(shí)別等 三是環(huán)境的自適應(yīng)性 四是應(yīng)用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡(jiǎn)單的柔性測(cè)量 各主要的體現(xiàn)在使得測(cè)量技 術(shù)成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究?jī)?nèi)容 1 3 1課題來源 本課題是校學(xué)科建設(shè)項(xiàng) 目之一的 大型成套設(shè)備全壽命周期設(shè)計(jì)與可 靠性 下的一個(gè)子課題 在分析大型成套設(shè)備全壽命周期時(shí) 往往需要精 確地知道一些關(guān)鍵的而又具有復(fù)雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計(jì) 算機(jī)進(jìn)行分析 本課題的主要目的就是精確地采集這類零件的三維空間數(shù) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎(chǔ)上 既可以改進(jìn)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 又可以按照測(cè)量 機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償 從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量 2 提高測(cè)量效率 生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快 要求測(cè)量機(jī)在保證鋇 量精度的同時(shí) 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)存在的問題 在保證精度時(shí) 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 掃描速度慢 一般為 1 4 0點(diǎn) m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機(jī) c c d技術(shù)的測(cè)量機(jī) 測(cè)量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測(cè)量誤差可達(dá)2 6 m m 為了提高測(cè)量效率 從目前來看側(cè)重于非接觸測(cè)量技術(shù)的研究 正因 為非接觸測(cè)量具有一些突出的優(yōu)點(diǎn) 歐洲共同體已專門立項(xiàng)對(duì)非接觸的核 l 部分 測(cè)頭的性能檢定方法進(jìn)行研究 以期在短期內(nèi)制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī) 程 4 另一方面對(duì)己具有高效率的雙目視覺攝像測(cè)量系統(tǒng)來說 在數(shù)據(jù)處 理及排除外部干涉等方面也可作為提高精度的突破口 3 智能化 1 5 1 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動(dòng)編程 自動(dòng)編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對(duì)于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照?qǐng)D 紙的要求 利用存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫與決策庫確定測(cè)量策略 自動(dòng)選 擇配置 安排測(cè)量路徑 編排測(cè)量程序 目前對(duì)有 c a d圖紙的情況 相 對(duì)來說有一些成功的經(jīng)驗(yàn) 對(duì)沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對(duì)于后者 就要利用若干個(gè)攝像頭 大致地測(cè)出工件形狀 然后在此基礎(chǔ) 上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程 二是按測(cè)量任務(wù)對(duì)測(cè)量策略的智能優(yōu)化 確定測(cè)量策略 包括基面的選擇 測(cè)量路徑的選擇 防止碰撞的計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn) 測(cè)量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動(dòng)識(shí)別等 三是環(huán)境的自適應(yīng)性 四是應(yīng)用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡(jiǎn)單的柔性測(cè)量 各主要的體現(xiàn)在使得測(cè)量技 術(shù)成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究?jī)?nèi)容 1 3 1課題來源 本課題是校學(xué)科建設(shè)項(xiàng) 目之一的 大型成套設(shè)備全壽命周期設(shè)計(jì)與可 靠性 下的一個(gè)子課題 在分析大型成套設(shè)備全壽命周期時(shí) 往往需要精 確地知道一些關(guān)鍵的而又具有復(fù)雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計(jì) 算機(jī)進(jìn)行分析 本課題的主要目的就是精確地采集這類零件的三維空間數(shù) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎(chǔ)上 既可以改進(jìn)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 又可以按照測(cè)量 機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償 從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量 2 提高測(cè)量效率 生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快 要求測(cè)量機(jī)在保證鋇 量精度的同時(shí) 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)存在的問題 在保證精度時(shí) 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 掃描速度慢 一般為 1 4 0點(diǎn) m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機(jī) c c d技術(shù)的測(cè)量機(jī) 測(cè)量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測(cè)量誤差可達(dá)2 6 m m 為了提高測(cè)量效率 從目前來看側(cè)重于非接觸測(cè)量技術(shù)的研究 正因 為非接觸測(cè)量具有一些突出的優(yōu)點(diǎn) 歐洲共同體已專門立項(xiàng)對(duì)非接觸的核 l 部分 測(cè)頭的性能檢定方法進(jìn)行研究 以期在短期內(nèi)制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī) 程 4 另一方面對(duì)己具有高效率的雙目視覺攝像測(cè)量系統(tǒng)來說 在數(shù)據(jù)處 理及排除外部干涉等方面也可作為提高精度的突破口 3 智能化 1 5 1 三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動(dòng)編程 自動(dòng)編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對(duì)于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照?qǐng)D 紙的要求 利用存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫與決策庫確定測(cè)量策略 自動(dòng)選 擇配置 安排測(cè)量路徑 編排測(cè)量程序 目前對(duì)有 c a d圖紙的情況 相 對(duì)來說有一些成功的經(jīng)驗(yàn) 對(duì)沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對(duì)于后者 就要利用若干個(gè)攝像頭 大致地測(cè)出工件形狀 然后在此基礎(chǔ) 上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程 二是按測(cè)量任務(wù)對(duì)測(cè)量策略的智能優(yōu)化 確定測(cè)量策略 包括基面的選擇 測(cè)量路徑的選擇 防止碰撞的計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn) 測(cè)量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動(dòng)識(shí)別等 三是環(huán)境的自適應(yīng)性 四是應(yīng)用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡(jiǎn)單的柔性測(cè)量 各主要的體現(xiàn)在使得測(cè)量技 術(shù)成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究?jī)?nèi)容 1 3 1課題來源 本課題是校學(xué)科建設(shè)項(xiàng) 目之一的 大型成套設(shè)備全壽命周期設(shè)計(jì)與可 靠性 下的一個(gè)子課題 在分析大型成套設(shè)備全壽命周期時(shí) 往往需要精 確地知道一些關(guān)鍵的而又具有復(fù)雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計(jì) 算機(jī)進(jìn)行分析 本課題的主要目的就是精確地采集這類零件的三維空間數(shù) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 據(jù) 并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后 能在特定的c a d c a m c a e軟件中呈現(xiàn) 零件實(shí)體 另外 目前在種類眾多的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中 無論主體結(jié)構(gòu)是龍門還是 懸臂式 其中只根主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡主要是直線 雖然在三軸聯(lián)動(dòng)的情況下 能使測(cè)頭沿各種軌跡運(yùn)動(dòng) 但對(duì)于測(cè)量具有回轉(zhuǎn)特性的工件就顯得控制復(fù) 雜而且效率不高 若把其中一個(gè)軸變?yōu)閹?dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸 則對(duì)于 測(cè)量具有回轉(zhuǎn)特性的工件來說大大減少了操作的復(fù)雜程度 同時(shí)也提高了 測(cè)量精度和效率 降低了成本 本課題研究的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度在 0 5 m m 速度可達(dá)到6 0 0 點(diǎn) 分鐘 成本僅幾萬元人民幣 1 3 2研究?jī)?nèi)容 本文研究的內(nèi)容主要有以下幾方面 1 根據(jù)本文研究非接觸測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)選用兩種測(cè)量模型 點(diǎn)云式和基 于曲線的模型重建 并對(duì)這兩種模型的具體建立方法進(jìn)行了研究 給出已知數(shù)學(xué)模型曲線的建模方式 未知數(shù)學(xué)模型曲線的b樣條建 模方式 2 對(duì)旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)的三角激光非接觸測(cè)量?jī)x做了整體規(guī)劃 包括坐標(biāo) 系及坐標(biāo)原點(diǎn)的確定 被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的求解 被測(cè)點(diǎn)的分組命名 掃 描路徑規(guī)劃等 3 對(duì)激光三角測(cè)頭特性作了研究 對(duì)本系統(tǒng)所采用的c di 1 0 0 n p 激光測(cè)頭的結(jié)構(gòu)組成 三角測(cè)量原理作了介紹 通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì) 三角激光測(cè)頭所固有的非線性作了修正 對(duì)影響激光三角測(cè)頭測(cè)量 精度的內(nèi)部及外部因素進(jìn)行了分析 實(shí)驗(yàn) 并給出可行補(bǔ)償方法 通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)三角激光測(cè)頭的動(dòng)態(tài)特性作了分析 并推導(dǎo)出掃 描速度與被測(cè)面形狀的關(guān)系 4 控制系統(tǒng)分析 對(duì)本系統(tǒng)的控制部分的整體結(jié)構(gòu)與功能作了介紹 對(duì)直接影響測(cè)量精度的激光測(cè)頭位置的控制作了詳細(xì)分析 并對(duì)其 誤差給出了補(bǔ)償方案 對(duì)數(shù)據(jù)采集控制和自動(dòng)制動(dòng)控制作了方案論 證 分析了仿形跟蹤的必要性 原理以及實(shí)現(xiàn)方法 5 數(shù)據(jù)交換接口 選用了國(guó)際流行的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) i g e s標(biāo)準(zhǔn) 2 1 作為本系統(tǒng)與其它 c a d軟件的數(shù)據(jù)傳送接口 介紹并分析了i g e s 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 針對(duì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)建立了由采集點(diǎn)到 i g e s實(shí)體 數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過程規(guī)劃與實(shí)現(xiàn) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 據(jù) 并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后 能在特定的c a d c a m c a e軟件中呈現(xiàn) 零件實(shí)體 另外 目前在種類眾多的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中 無論主體結(jié)構(gòu)是龍門還是 懸臂式 其中只根主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡主要是直線 雖然在三軸聯(lián)動(dòng)的情況下 能使測(cè)頭沿各種軌跡運(yùn)動(dòng) 但對(duì)于測(cè)量具有回轉(zhuǎn)特性的工件就顯得控制復(fù) 雜而且效率不高 若把其中一個(gè)軸變?yōu)閹?dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸 則對(duì)于 測(cè)量具有回轉(zhuǎn)特性的工件來說大大減少了操作的復(fù)雜程度 同時(shí)也提高了 測(cè)量精度和效率 降低了成本 本課題研究的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度在 0 5 m m 速度可達(dá)到6 0 0 點(diǎn) 分鐘 成本僅幾萬元人民幣 1 3 2研究?jī)?nèi)容 本文研究的內(nèi)容主要有以下幾方面 1 根據(jù)本文研究非接觸測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)選用兩種測(cè)量模型 點(diǎn)云式和基 于曲線的模型重建 并對(duì)這兩種模型的具體建立方法進(jìn)行了研究 給出已知數(shù)學(xué)模型曲線的建模方式 未知數(shù)學(xué)模型曲線的b樣條建 模方式 2 對(duì)旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)的三角激光非接觸測(cè)量?jī)x做了整體規(guī)劃 包括坐標(biāo) 系及坐標(biāo)原點(diǎn)的確定 被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的求解 被測(cè)點(diǎn)的分組命名 掃 描路徑規(guī)劃等 3 對(duì)激光三角測(cè)頭特性作了研究 對(duì)本系統(tǒng)所采用的c di 1 0 0 n p 激光測(cè)頭的結(jié)構(gòu)組成 三角測(cè)量原理作了介紹 通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì) 三角激光測(cè)頭所固有的非線性作了修正 對(duì)影響激光三角測(cè)頭測(cè)量 精度的內(nèi)部及外部因素進(jìn)行了分析 實(shí)驗(yàn) 并給出可行補(bǔ)償方法 通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)三角激光測(cè)頭的動(dòng)態(tài)特性作了分析 并推導(dǎo)出掃 描速度與被測(cè)面形狀的關(guān)系 4 控制系統(tǒng)分析 對(duì)本系統(tǒng)的控制部分的整體結(jié)構(gòu)與功能作了介紹 對(duì)直接影響測(cè)量精度的激光測(cè)頭位置的控制作了詳細(xì)分析 并對(duì)其 誤差給出了補(bǔ)償方案 對(duì)數(shù)據(jù)采集控制和自動(dòng)制動(dòng)控制作了方案論 證 分析了仿形跟蹤的必要性 原理以及實(shí)現(xiàn)方法 5 數(shù)據(jù)交換接口 選用了國(guó)際流行的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) i g e s標(biāo)準(zhǔn) 2 1 作為本系統(tǒng)與其它 c a d軟件的數(shù)據(jù)傳送接口 介紹并分析了i g e s 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 針對(duì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)建立了由采集點(diǎn)到 i g e s實(shí)體 數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過程規(guī)劃與實(shí)現(xiàn) 東北大學(xué)碩十學(xué)位論文第二章 測(cè)量模型建立 第二章 測(cè)量模型建立 2 1概述 在三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)中 被測(cè)實(shí)物的三維 c a d模型重建是整個(gè)過程最 關(guān)鍵 最復(fù)雜的一環(huán) 因?yàn)楹罄m(xù)產(chǎn)品的工程分析 再設(shè)計(jì) 及加工制造 虛擬仿真等應(yīng)用都需要 c a d的數(shù)學(xué)模型支持 這些應(yīng)用都不同程度地要 求重建的 c a d模型能準(zhǔn)確地還原實(shí)物樣件 整個(gè)建模環(huán)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)的 硬件設(shè)備 包括數(shù)字化設(shè)備和模型后續(xù)使用需要也有很大的關(guān)系 1 7 1 對(duì)于 如何快速 準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)模型重建 國(guó)內(nèi)外的研究者進(jìn)行了大量的研究 針 對(duì)問題的不同方面 提出了許多重建方法和算法 目前成熟的模型重建方 法根據(jù)數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)來源 造型方式和曲面表示可分為 1 1 7 1 1 按造型方式 分為基于曲線的模型重建和基于曲面的直接擬合 2 按曲面表示方法 分為邊界表示 四邊 b 一 樣條表示 三角面片和 三角網(wǎng)格表示等 3 按數(shù)據(jù)類型 可分為有序點(diǎn)和散亂點(diǎn)的點(diǎn)云重建 本系統(tǒng)采用的是點(diǎn)光源式的三角激光測(cè)頭 采集的數(shù)據(jù)是散亂的點(diǎn)數(shù) 據(jù) 最后建立的 c a d模型主要用于工程分析 根據(jù)目前成熟的建模方法 和本系統(tǒng)硬件及運(yùn)用目的的特點(diǎn) 本系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物的三維建模采用兩種方 式 一是點(diǎn)云形式 由于本系統(tǒng)所采用的三角激光測(cè)頭在保證 1 5 11 m的測(cè) 量精度前提下 測(cè)量速度可達(dá)6 0 0點(diǎn) 分鐘 所以本系統(tǒng)完全可以高效率的 對(duì)被測(cè)物表面進(jìn)行密集型掃描 最后形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)運(yùn)用目的轉(zhuǎn)換成 p r o e u g等cad軟件所能識(shí)別的i e g s 格式 二是采用基于曲線的 模型重建 采用這種建模方式可以進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的測(cè)量效率及測(cè)量精 度 首先在曲線擬合時(shí)并不需要像點(diǎn)云數(shù)據(jù)那樣多的數(shù)據(jù)點(diǎn) 所以可以減 少測(cè)量時(shí)間 其次基于曲線的三維cad的模型使得原有的散亂的數(shù)據(jù)點(diǎn) 有了一定的拓?fù)潢P(guān)系 從而使得被測(cè)物的實(shí)體模型在例如p r o e u g等專 業(yè)c a d軟件中進(jìn)一步完善時(shí)精度有所提高 在采用基于曲線的模型重建時(shí) 有兩個(gè)核心問題需要解決 1 8 1 9 1 一是 散亂測(cè)量點(diǎn)的有序化 二是曲線擬合的數(shù)學(xué)模型 在解決第一個(gè)問題時(shí)本 系統(tǒng)采用的是在測(cè)量過程中 實(shí)時(shí)將測(cè)量出的數(shù)據(jù)點(diǎn)分組并命名的方式 詳細(xì)說明見第三章測(cè)量規(guī)劃 對(duì)于第二個(gè)問題 本系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)表面在曲 線化表達(dá)時(shí)的特點(diǎn)分為 已知數(shù)學(xué)模型的曲線建模 1 1 8 1 9 和未知曲線模型 東北大學(xué)碩十學(xué)位論文第二章 測(cè)量模型建立 第二章 測(cè)量模型建立 2 1概述 在三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)中 被測(cè)實(shí)物的三維 c a d模型重建是整個(gè)過程最 關(guān)鍵 最復(fù)雜的一環(huán) 因?yàn)楹罄m(xù)產(chǎn)品的工程分析 再設(shè)計(jì) 及加工制造 虛擬仿真等應(yīng)用都需要 c a d的數(shù)學(xué)模型支持 這些應(yīng)用都不同程度地要 求重建的 c a d模型能準(zhǔn)確地還原實(shí)物樣件 整個(gè)建模環(huán)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)的 硬件設(shè)備 包括數(shù)字化設(shè)備和模型后續(xù)使用需要也有很大的關(guān)系 1 7 1 對(duì)于 如何快速 準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)模型重建 國(guó)內(nèi)外的研究者進(jìn)行了大量的研究 針 對(duì)問題的不同方面 提出了許多重建方法和算法 目前成熟的模型重建方 法根據(jù)數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)來源 造型方式和曲面表示可分為 1 1 7 1 1 按造型方式 分為基于曲線的模型重建和基于曲面的直接擬合 2 按曲面表示方法 分為邊界表示 四邊 b 一 樣條表示 三角面片和 三角網(wǎng)格表示等 3 按數(shù)據(jù)類型 可分為有序點(diǎn)和散亂點(diǎn)的點(diǎn)云重建 本系統(tǒng)采用的是點(diǎn)光源式的三角激光測(cè)頭 采集的數(shù)據(jù)是散亂的點(diǎn)數(shù) 據(jù) 最后建立的 c a d模型主要用于工程分析 根據(jù)目前成熟的建模方法 和本系統(tǒng)硬件及運(yùn)用目的的特點(diǎn) 本系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物的三維建模采用兩種方 式 一是點(diǎn)云形式 由于本系統(tǒng)所采用的三角激光測(cè)頭在保證 1 5 11 m的測(cè) 量精度前提下 測(cè)量速度可達(dá)6 0 0點(diǎn) 分鐘 所以本系統(tǒng)完全可以高效率的 對(duì)被測(cè)物表面進(jìn)行密集型掃描 最后形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)運(yùn)用目的轉(zhuǎn)換成 p r o e u g等cad