逆向工程的測量技術課件

1、第2章 逆向工程的測量技術世界上第一臺三坐標測量機的誕生1956年世界上出現(xiàn)了有英國Ferranti公司開發(fā)的首臺用光柵作為長度基準并數(shù)字顯示的現(xiàn)代意義上的三坐標測量機。1962年，作為FIAT（菲亞特）汽車公司質量控制工程師的Fraorinco Sartorio先生，在意大利都靈市創(chuàng)建了DEA（Digital Electronic Automation）,成為世界上第一家專業(yè)制造坐標測量設備的公司，同時在公司的命名上還富有前瞻性地預見到數(shù)字技術的廣泛應用，并繼而在推動坐標測量機在制造業(yè)，尤其是汽車、航空航天等大型零部件精密測量方面發(fā)揮著重要作用。第2章 逆向工程的測量技術世界上第一臺三坐標測

2、量機的誕生1963年10月，DEA公司的第一臺行程為2500X1600X600mm的龍門式測量機ALPHA，出現(xiàn)在米蘭的歐洲機床展覽會上，從而開創(chuàng)了坐標測量技術的新領域，并使得幾何量質量控制技術成為工業(yè)生產(chǎn)的重要因素。在隨后的年代里，DEA相繼推出其手動和數(shù)控測量機，并率先采用氣浮技術，配備了各種觸發(fā)、掃描測頭、非接觸光學測頭，開發(fā)了具有強大CAD功能的通用測量軟件；先后推出系列橋式測量機和大型水平臂、龍門式測量機，并推動汽車車身研究和“白車身”的尺寸檢測方面做出了突出貢獻，并成為當時世界上技術最先進、規(guī)模最大的測量機供應商之一。2.1 先進檢測技術三維數(shù)據(jù)測量方法按照測量探頭是否和零件表面接

3、觸，可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類，接觸式包括基于力-變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集：而非接觸式主要有激光三角測量法、激光測距怯、光干涉法、結構光學法、圖像分析法等。另外，隨著工業(yè)CT技術的發(fā)展，斷層掃描技術也在逆向工程中取得了廣泛的應用。它們各自的特點和適用場合，2.1 先進檢測技術逆向工程數(shù)據(jù)獲取方法分類2.2 接觸式測量接觸式（tactile methods）數(shù)據(jù)采集方法是在機械手臂的末端安裝測量探頭，使其與被測量零件表面接觸來觸發(fā)一個記錄信號，并通過相應的設備記錄下當時的標定傳感器數(shù)值，從而獲取被測零件表面的三維數(shù)據(jù)信息，目前最常用的接觸式數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)為橋式三坐標測

4、量機（Coordinate Measuring Machine，CMM）或機械手臂式坐標測量機2.2 接觸式測量橋式三坐標測量機和機械手臂式測量機2.2 接觸式測量接觸式測量方法在測量時可根據(jù)實物的特征和測量的要求選擇測量探頭及其方向，確定測量點數(shù)及其分布，然后確定測量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。常用的接觸式三坐標測量機的測量數(shù)據(jù)采集方法多采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關測頭，當探頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時，由于探針觸發(fā)采樣開關，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機械式觸發(fā)探頭、應變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)

5、探頭。2.2 接觸式測量從幾何量種類來看，制件可分為長度、角度、形狀與位置和粗糙度等幾何尺寸的檢測。常規(guī)的手工檢測方法量具常使用盒尺、卷尺、游標卡尺、千分尺等，非手工方式常常借助于各種儀器進行檢測2.2 接觸式測量 Metro三坐標測量機 PIONEER三維激光掃描儀2.2 接觸式測量FARO關節(jié)臂三座標測量機 FARO激光跟蹤儀STD電子經(jīng)緯儀 METRIS室內(nèi)全空間定位系統(tǒng)2.2.1 三坐標測量機三坐標測量機是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型、高效的精密測量儀器。在工業(yè)界，三坐標測量機的最初應用是作為一種檢測儀器，對零件和部件的尺寸、形狀及相對位置進行快速、精確的檢測。此外，還可用于劃線

6、、定中心孔、光刻集成線路等。但隨著三坐標測量機各方面技術的發(fā)展(如回轉工作臺、觸發(fā)式測頭的產(chǎn)生)，特別是計算機控制的三坐標測量機的出現(xiàn)，三坐標測量機已廣泛應用于逆向工程的點云數(shù)據(jù)獲取。由于三坐測量機具有對連續(xù)曲面進行掃描來制備數(shù)控加工程序的功能，因此一開始就被選為逆向工程的主要的數(shù)字化設備并一直使用至今。傳統(tǒng)測量技術與三坐標測量技術的區(qū)別見表2. 1所示。2.2.1 三坐標測量機三坐標測量機的特點是測量精度高，對被測物的材質和色澤無特殊要求。對不具有復雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的零件，三坐標測量機是一種非常有效且可靠的三維數(shù)字化測量手段，它主要應用于由基本的幾何形體(如平面、

7、圓柱面、圓錐面、球面等)構成的實體的數(shù)字化過程，采用該方法可以達到很高的測量精度，但測量速度很慢，并且易于損傷探頭或劃傷被測實體表面，還需要對測量數(shù)據(jù)進行測頭半徑補償，對使用環(huán)境也有一定的要求。采用這種方法會使測量周期加長，從而不能充分發(fā)揮快速成形技術“快速”的優(yōu)越性。一般來說，三坐標測量機可以配備觸發(fā)式測量頭和連續(xù)掃描式測量頭，對被測件進行單點測量和掃描測量。由于三坐標測量機的測量點數(shù)不可能像非接觸式測量機的測量點數(shù)那樣密集，因而其測量所得數(shù)據(jù)比較適合于采用各種通用CAD軟件來進行CAD數(shù)學模型的反求，利用不大的數(shù)據(jù)量也能完成很好的反求曲面，這使得三坐標測量機得到了更為廣泛的應用。2.2.1

8、 三坐標測量機1. 三坐標測量機的原理 三坐標測量原理是：將被測物體置于三坐標機的測量空間，可獲得被測物體各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)過計算可求出被測對象的幾何尺寸、形狀和位置。也可以定義為：通過探測傳感器（測頭）與測量空間軸線運動的配合，對被測幾何元素進行離散的空間點坐標的獲取，然后通過相應的數(shù)學計算定義，完成對所測得點（點群）的擬合計算，還原出被測的幾何元素，并在此基礎上進行其與理論值（名義值）之間的偏差計算與后續(xù)評估，從而完成對被測零件的檢驗工作。2.2.1 三坐標測量機三坐標測量機的組成主機框架結構 標尺系統(tǒng) 導軌 驅動裝置 平衡部件 轉臺與附件 2.2.1 三坐標測量

9、機(1)框架結構：指測量機的主體機械結構架子。它是工作臺、立柱、橋框、殼體等機械結構的集合體。(2)標尺系統(tǒng)：包括線紋尺、精密絲杠、感應同步器、光柵尺、磁尺、光波波長及數(shù)顯電氣裝置等。 (3)導軌：實現(xiàn)二維運動，多采用滑動導軌、滾動軸承導軌和氣浮導軌，以氣浮導軌為主要形式。氣浮導軌由導軌體和氣墊組成，包括氣源、穩(wěn)壓器、過濾器、氣管、分流器等氣動裝置。 2.2.1 三坐標測量機 (4)驅動裝置：實現(xiàn)機動和程序控制伺服運動功能。由絲杠絲母、滾動輪、鋼絲、齒形帶、齒輪齒條、光軸滾動輪、伺服馬達等組成。 (5)平衡部件：主要用于z軸框架中，用以平衡z軸的重量，使z軸上下運動時無偏重干擾，Z向測力穩(wěn)定。

10、(6)轉臺與附件：使測量機增加一個轉動運動的自由度，包括分度臺、單軸回轉臺、萬能轉臺和數(shù)控轉臺等。根據(jù)機械結構可分為橋式、龍門式等 半橋式CMM 龍門式CMM2.2.1 三坐標測量機傳統(tǒng)測量技術坐標測量技術對工件要進行精確、及時的調(diào)整不需要對工件進行特殊調(diào)整專用測量儀和多工位測量很難適應測量任務的改變簡單地調(diào)用所對應的軟件完成測量任務與實體標準或運動標準進行測量比較與數(shù)學的或數(shù)學模型進行測量比較形狀和位置測量在不同的儀器上進行尺寸、形狀和位置的評定在一次安裝中即可完成不相干的測量數(shù)據(jù)手工記錄測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和CAD設計傳統(tǒng)測量技術與坐標測量技術比較2.2.1 三坐標測量機1965年FERRAN

11、TI公司研制的三坐標測量機 世界上首臺龍門式測量機2. 三坐標測量機的組成三坐標測量機組成三坐標測量機可分為主機(包括光柵尺)、測頭、電氣系統(tǒng)三個部分2.2.1 三坐標測量機2）三維測頭三維測頭即三維測量傳感器，它可在3個方向上感受瞄準信號和微小位移，以實現(xiàn)瞄準和測微兩項功能。主要有硬測頭、電氣測頭、光學測頭等。測頭有接觸和非接觸式之分。按輸出信號分，有用于發(fā)信號的觸發(fā)式測頭和用于掃描的瞄準式測頭、測微式測頭等。接觸式坐標測量機 接觸式測頭種類及其工作原理 (a)硬式測頭 (b)觸發(fā)式測頭 (c)模擬式測頭接觸式測頭工作原理圖硬式測頭-1 通過手動測頭接觸工件表面，由人眼及感覺做出判斷，再利用

12、腳踏開關觸發(fā)。記錄觸發(fā)時接觸點坐標值。由于接觸力的大小和接觸點的判斷完全依賴于操作者的感覺，極易產(chǎn)生誤差，多用于精度要求不太高的小型測量機，成本較低、操作簡單。硬式測頭-2 按形狀可分為圓錐測頭、圓柱形測頭、球形測頭、回轉半圓和回轉四分之一柱面測頭、盤形測頭、凹圓錐測頭、點測頭、V形塊測頭及直角測頭等。Micro Scribe 采用硬式測頭的小型測量儀Micro Scribe，主要用于實驗室教學時對較小實物模型的測量。精度0.3mm左右。觸發(fā)式測頭-1 觸發(fā)式測頭利用電子開關機構，當測頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機構的開關，由電信號的通斷控制坐標值的讀取。觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號由電子開關控制

13、，故其重復性、準確性較高，測量精度可達1m甚至更高，是現(xiàn)代三坐標測量機最常用的測頭。觸發(fā)式測頭-2 按照測頭電子開關機構所用的傳感器可以將觸發(fā)式測頭分為電觸式測頭、壓電式開關測頭、應變片式測頭。 Renishaw TP20觸發(fā)式測頭實例 哈爾濱先鋒機電TP6CRenishaw TP6模擬式測頭 模擬式（掃描式）測頭在接觸被測工件后，連續(xù)測得接觸位移，測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠遠高于觸發(fā)式測頭。該類測頭的缺點是結構復雜，制造成本高，目前世界上只有少數(shù)公司可以

14、生產(chǎn)。 Renishaw SP600模擬式測頭實例Renishaw SP600MFaro ArmFaro 手動測臂值得注意的是，隨著技術的發(fā)展，手動測臂也經(jīng)?？梢該Q上激光式測頭。2.3非接觸測量非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運用光學原理進行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點數(shù)目，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以丈量的部位，最大限度地反映被測表面的真實外形。適用于表面外形復雜，精度要

15、求不特別高的未知曲面的測量，2.3非接觸測量總之，在可以應用接觸式測量的情況下，不要采用非接觸式測量；在只測量尺寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式測量；考慮測量本錢且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式測量；對產(chǎn)品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測量；對離散點的測量采用掃描式；對易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測量數(shù)據(jù)的零件進行測量時采用非接式測量方法。2.3.1三維光學測量技術1)激光掃描法激光掃描法是發(fā)展得比較成熟的一種測量方法。一般的工作流程是通過同步電動機控制激光器旋轉，激光光條隨之掃描整個待測物體，光條所形成的高斯亮條經(jīng)被測面調(diào)制形成測量條紋，由攝像機接受圖像，

16、獲得測量條紋的測量信息，再經(jīng)過攝像機標定和外極線約束準則得出三維測量數(shù)據(jù)?！?D Scanner”激光掃描系統(tǒng)2.3.1三維光學測量技術2)白光(彩色)光柵編碼法光柵編碼法測量原理如圖所示，光源照射光柵，經(jīng)過投影系統(tǒng)將光柵條紋投射到被測物體上，經(jīng)過被測物體形面調(diào)制形成了測量條紋，由雙目攝像機接收測量條紋，應用特征匹配技術、外極線約束準則和立體視覺技術獲得測量曲面的三維數(shù)據(jù)。光柵編碼測量示意圖ATOS測量儀2.3.1三維光學測量技術3)位相輪廓法位相輪廓法測量由非相關光源(激光)照射光柵(正弦光柵或其他)，投射出的光柵條紋受被測型面調(diào)制，形成與被測形狀相關聯(lián)的光場分布，再應用混合模板技術、相位復

17、原技術相位圖定標技術獲得與曲面高度信息相關的相位變化，從而獲得被測物體的三維相貌。2.3.1三維光學測量技術 4)彩色激光掃描法近年來，多媒體技術蓬勃發(fā)展，游戲業(yè)、動畫業(yè)及古文物業(yè)迫切需要彩色3D測量，彩色激光掃描法應運而生。彩色激光掃描系統(tǒng)對被測物體進行兩步拍攝。首先關閉激光器，打開濾光片，用彩色CCD拍攝一幅被測物體的彩色照片，記錄下物體的顏色信息；然后打開激光器，放下濾光片，用CCD獲得經(jīng)過被測型面調(diào)制的激光線條單色圖案。利用激光光條掃描法中所敘述的原理，獲得被測型面的三維坐標(單色)；然后利用貼圖技術，將第一次拍攝獲得的彩色圖像信息匹配到各個被測點的三維數(shù)據(jù)上，這樣就獲得了物體的彩色3

18、D信息。2.3.1三維光學測量技術5)陰影莫爾法陰影莫爾法最早由Meadows和Takasaki于1970年提出。它是將一光柵放在被測物體上，再用一光源透過光柵照在物體上，同時再透過光柵觀察物體，可看到一系列莫爾條紋，它們是物體表面的等高線。之后，人們將此技術與CCD技術、計算機圖像處理技術相結合使其走向實用化，特別是相移技術的引入，解決了無法從一幅莫爾圖中判別物體表面凹凸的問題，并使莫爾計量技術從定性走向定量，使莫爾技術向前邁進了一大步。但相移一般是通過機械手段改變光柵與被測物的距離而實現(xiàn)的，其機構復雜，速度慢。2.3.1三維光學測量技術6)基于直接三角法的三維型面測量技術直接三角法三維型面

19、測量技術包括激光逐點掃描法、線掃描法和二元編碼圖樣投影法等，分別采用點、線、面這3類結構光投影方式。這些方法以傳統(tǒng)的三角測量原理為基礎，通過出射點、投影點和成像點三者之間的幾何成像關系確定物體各點高度，因此其測量關鍵在于確定三者的對應關系。逐點掃描法用光點掃描，雖然簡單可靠，但測量速度慢；線掃描法采用一維線性圖樣掃描物體，速度比前者有很大的提高，確定測量點也比較容易，應用較廣，國際上早有商品出售，但這種方法的數(shù)據(jù)獲取速度仍然較慢；二元編碼圖像投影法采用時間或空間編碼的二維光學圖案投影，利用圖案編碼和解碼來確定投影點和成像點的對應關系，由于是二維面結構光，能夠大大提高測量速度。2.3.2光學測量

20、設備 隨著傳感技術、控制技術、制造技術等相關技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大量商品化三維測量設備，其中光學測量儀器應用較為成功。其中，Replica公司的三維激光掃描儀3D Scanner，Gom公司的ATOS、Steinbichler公司的Comet光學測量系統(tǒng)在中國市場上取得了很大的成功，并占有絕大部分的市場份額。這些國外三維測量設備的價格昂貴，如ATOS及Comet光學測量系統(tǒng)的市場價格均在100萬元左右，這使得國內(nèi)相關行業(yè)的技術使用成本明顯偏高。2.3.2光學測量設備 1.Comet測量系統(tǒng) Comet測量系統(tǒng)由測量頭、支架及相關軟件組成，該系統(tǒng)采用投影光柵相移法進行測量，每次測點可達130萬個，

21、測量精度可達20um。Comet系統(tǒng)與其他光柵測量系統(tǒng)(如ATOS系統(tǒng))相比有著明顯的優(yōu)點2.3.2光學測量設備 ATOS測量系統(tǒng)ATOS是德國GOM公司生產(chǎn)的非接觸式精密光學測量儀，適合眾多類型物件的掃描測量，如人體、軟物件、硅膠樣板或不可磨損的模具及樣品等。該測量儀具有獨特的流動式設計，在不需要任何工作平臺(如三坐標測量機、數(shù)控機械或機械手等)支援下，使用者可隨意移動測量頭至任何測量方位做高速測量。該測量儀使用方便快捷，非常適合測量各種大小模型(如汽車、摩托車外形件及各種機構零件、大型模具、小家電等)。整個測量過程基于光學三角形定理，自動影像攝取，再經(jīng)數(shù)碼影像處理器分析，將所測的數(shù)據(jù)自動合

22、并成完整連續(xù)的曲面，由此得到高質量零件原型的“點云”數(shù)據(jù)。ATOS測量系統(tǒng)的硬件組成3.手持式三維數(shù)字掃描及測量系統(tǒng)HandyScanHandyScan 3D自定位三維掃描系統(tǒng)2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法1 CT測量法工業(yè)CT(Industry Computerized Tomography，ICT)是基于射線與物質的相互作用原理，通過射線的哀減獲得投影，進而重建出被檢測物體的斷層圖像。工業(yè)CT的檢測能力不受被檢物的材料、形狀、表面狀況影響，能給出構件的二維和三維直觀圖像。目前先進的工業(yè)CT系統(tǒng)已達到的主要技術指標為：空間分辨率為1025um：密度分辨率為0.10.5；最高X射線能量為60MeV；可

23、測最大直徑為4m的物體。德國菲尼克斯的X射線工業(yè)CT機2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法2. MRI測量法磁共振成像術(Magnetic Resonance Imaging，MRI)也稱為核磁共振，該技術的理論基礎是核物理學的磁共振理論，是20世紀70年代末以后發(fā)展的一種新式醫(yī)療診斷影像技術，和X-CT掃描一樣，可以提供人體斷層的影像。其基本原理是用磁場來標定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當被激發(fā)的核在動態(tài)過程中自動恢復到靜態(tài)場的平衡時，把吸收的能量發(fā)射出來，然后利用線圈來檢測這種信號，將信號輸入計算機，經(jīng)過處理轉換在屏幕上顯示圖像。2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法醫(yī)學用MRI

24、測量機3超聲波測量法 采用超聲波的數(shù)字化方法，其原理是當超聲波脈沖到達被測物體時，在被測物體的兩種介質邊界表面會發(fā)生回波反射，通過測量回波與零點脈沖的時間間隔，即可計算出各面到零點的距離。這種方法相對CT和MRI而言，設備簡單，成本較低，但測量速度較慢，且測量精度不穩(wěn)定。目前主要用于物體的無損檢測和壁厚測量。2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法4層析掃描法其工作過程為：將待測零件用專用樹脂材料(填充石墨粉或顏料)完全封裝，待樹脂固化后，把它裝夾到銑床上，進行微進刀量平面銑削，結果得到包含有零件與樹脂材料的截面；然后由數(shù)控銑床控制工作臺移動到CCD攝像機下，位置傳感器向計算機發(fā)出信號，計算機收到信號后，觸發(fā)圖

25、像采集系統(tǒng)驅動CCD攝像機對當前截面進行采樣、量化，從而得到三維離散數(shù)字圖像。由于封裝材料與零件截面存在明顯邊界，利用濾波、邊緣提取、紋理分析、二值化等數(shù)字圖像處理技術進行邊界輪廓提取，就能得到邊界輪廓圖像。2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法4層析掃描法通過物-像坐標關系的標定，并對此輪廓圖像進行邊界跟蹤，便可獲得物體在該截面上各輪廓點的坐標值。每次圖像攝取與處理完成后，再用數(shù)控銑床把待測物銑去很薄一層(如0.1mm)，又得到一個新的橫截面，并完成前述的操作過程，就可以得到物體上相鄰很小距離的每一截面輪廓的位置坐標。層析法可對有孔及內(nèi)腔的物體進行測量，測量精度高，能夠得到完整的數(shù)據(jù)；不足之處是這種測量是破

26、壞性的。美國CGI公司已生產(chǎn)層析掃描測量機；在國內(nèi)，海信技術中心工業(yè)設計所和西安交通大學合作，研制成功了具有圍際領先水平的掃捕式三維數(shù)字測量CMS系列，。2.4斷層數(shù)據(jù)測量方法層析法測量2.5測量中的問題2.5.1 三維數(shù)據(jù)測量方法的選擇2.5.2 數(shù)據(jù)測量的誤差分析測量精度是必須考慮的。影響測量精度的因素很多，如測量的原理誤差、測量系統(tǒng)的精度及測量過程中的隨機因素等，都會對測量結果造成影響，從而產(chǎn)生測量誤差。1.機房環(huán)境條件由于三坐標測量機是一種高精度的檢測設備，其機房環(huán)境條件的好壞，對測量機的影響至關重要。這其中包括檢測工件狀態(tài)及環(huán)境、溫度條件、振動、濕度、供電電源、壓縮空氣等因素。2.物體自身的因素在曲面測量中，被測物體本身的材料、表面結構要求、顏色、光學性質及表面形狀，對光的反射和吸收程度有很大的差異，尤其是物體的表面結構要求和折射率等因素會對測量的精度會產(chǎn)生重大的影響。3.標定的因素所有的測量方法都需要標定。對于光學測量系統(tǒng)而言，由于光學測量系統(tǒng)的制造和裝配必然存存誤差，因此，對于物點到像點的非線性關系的標定技術更是獲取物體三維坐標的關鍵。2.5.2 數(shù)據(jù)測量的誤差分析4.攝像機的分辨率CCD攝像機的分辨率主要是靠尺寸和像素間距的大小來決定的。對整個測量系統(tǒng)的分辨率而言，它主要取決于測量的范圍。此外，掃描系統(tǒng)運動裝置的移動誤差也會降低測量精度。2.5.