02本科逆向工程-測量設(shè)備

1、概述坐標(biāo)丈量零件外形的數(shù)據(jù)采集經(jīng)過特定的丈量設(shè)備和丈量方法獲取零件外表離散點的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，高效、高精度地實現(xiàn)樣件外表的數(shù)據(jù)采集，是實施逆向工程的第一步。目前實物坐標(biāo)丈量的范圍和手段以驚人的速度開展，基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、衛(wèi)星遙感、三維微觀攝像等的丈量設(shè)備，可以獲得大如星球、天體，小如細(xì)胞分子構(gòu)造的各種三維數(shù)據(jù)。丈量設(shè)備的分類實物丈量接觸式非接觸式破壞式機械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振構(gòu)造光激光三角形電磁學(xué)激光測距法干涉丈量法圖像分析法影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的要素 丈量方法本身的精度儀器的校準(zhǔn)丈量范圍的限制夾具阻撓、樣件本身構(gòu)造阻撓采集數(shù)據(jù)的部分短少被測物體外表的光潔度零件數(shù)據(jù)

2、的統(tǒng)計性分布接觸式坐標(biāo)丈量機 接觸式測頭種類及其任務(wù)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任務(wù)原理圖硬式測頭 經(jīng)過手動測頭接觸工件外表，由人眼及覺得做出判別，再利用腳踏開關(guān)觸發(fā)。記錄觸發(fā)時接觸點坐標(biāo)值。由于接觸力的大小和接觸點的判別完全依賴于操作者的覺得，極易產(chǎn)生誤差，多用于精度要求不太高的小型丈量機，本錢較低、操作簡單。按外形可分為圓錐測頭、圓柱形測頭、球形測頭、回轉(zhuǎn)半圓和回轉(zhuǎn)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。MicroScribe 采用硬式測頭的小型丈量儀MicroScribe，主要用于實驗室教學(xué)時對較小實物模型的丈量。精度

3、0.3mm左右。觸發(fā)式測頭 觸發(fā)式測頭利用電子開關(guān)機構(gòu)，當(dāng)測頭碰到樣件外表，由接觸力控制電子機構(gòu)的開關(guān)，由電信號的通斷控制坐標(biāo)值的讀取。觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號由電子開關(guān)控制，故其反復(fù)性、準(zhǔn)確性較高，丈量精度可達(dá)1m甚至更高，是現(xiàn)代三坐標(biāo)丈量機最常用的測頭。按照測頭電子開關(guān)機構(gòu)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(guān)測頭、應(yīng)變片式測頭。模擬式測頭 模擬式掃描式測頭在接觸被測工件后，延續(xù)測得接觸位移，測頭的轉(zhuǎn)換安裝輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精細(xì)量儀的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測工件上點的準(zhǔn)確坐標(biāo)。假設(shè)不思索測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測頭。該

4、類測頭的缺陷是構(gòu)造復(fù)雜，制造本錢高，目前世界上只需少數(shù)公司可以消費。 三坐標(biāo)丈量機CMM 三坐標(biāo)丈量機是典型的接觸式丈量設(shè)備，20世紀(jì)60年代開展起來的一種高效率的新型精細(xì)丈量儀器。它廣泛地運用于制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)部門。起初是作為一種檢測儀器，對零件和部件的尺寸、外形及相互位置進展檢測。此外，還可以用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，由于三坐標(biāo)丈量機具有對延續(xù)曲面進展掃描來制備數(shù)控加工程序的功能，因此一開場就被選為逆向工程的主要數(shù)字化設(shè)備并不斷運用至今。三坐標(biāo)丈量機CMM 三坐標(biāo)丈量機根本原理 將被測物體置于三坐標(biāo)機的丈量空間，它經(jīng)過感知丈量頭與工件外表的接觸，可獲得被測物體上各

5、測點的坐標(biāo)位置，根據(jù)測點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計算可求出被測的幾何尺寸、外形和位置。在三坐標(biāo)丈量機上安裝分度頭、回轉(zhuǎn)臺或數(shù)控轉(zhuǎn)臺后，系統(tǒng)具備了極坐標(biāo)柱坐標(biāo)系丈量功能，這種具有X、Y、Z、C四軸的坐標(biāo)丈量機稱為四坐標(biāo)丈量機。按照回轉(zhuǎn)軸的數(shù)目，也可有五坐標(biāo)或六坐標(biāo)丈量機。 三坐標(biāo)丈量機CMM 三坐標(biāo)丈量機需求三個方向的規(guī)范器(標(biāo)尺)，利用三個相互垂直的導(dǎo)軌實現(xiàn)沿相應(yīng)方向的運動，還需求三維測頭對被測物進展探測和瞄準(zhǔn)。此外，丈量機還具有數(shù)據(jù)自動處置和自動檢測等功能，需求由相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)與計算機軟硬件實現(xiàn)。三坐標(biāo)丈量機可分為主機、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分。三坐標(biāo)丈量機的組成 三坐標(biāo)丈量機的組成主機框架構(gòu)造

6、標(biāo)尺系統(tǒng) 導(dǎo)軌 驅(qū)動安裝 平衡部件 轉(zhuǎn)臺與附件 三坐標(biāo)丈量機的組成三維測頭 三維測頭可在三個方向上感受瞄準(zhǔn)信號和微小位移，以實現(xiàn)瞄準(zhǔn)和測微兩項功能。主要有硬測頭、電氣測頭、光學(xué)測頭等。三坐標(biāo)丈量機的組成電氣系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)計算機硬件部分丈量機軟件打印與繪圖安裝將三坐標(biāo)丈量機運用在逆向工程中，丈量可經(jīng)過人工操作逐點丈量，也可經(jīng)過編制丈量程序進展丈量規(guī)劃實現(xiàn)延續(xù)或延續(xù)式數(shù)據(jù)丈量，采集曲面的外形數(shù)據(jù)。在逐點式掃描丈量時，通常是將測頭在橫向以等速或等間距逐點挪動，再以等時間或等間距位置量取樣件在Z軸的坐標(biāo)。但當(dāng)工件輪廓有明顯起伏變化時，需求添加丈量點來提高分辨率，最簡單的方式是取X+Z為常數(shù)，X、Z分

7、別是橫向和縱向坐標(biāo)的步長。當(dāng)Z變大時，X變小，丈量點將更加密集。即當(dāng)樣件斜率變大時，丈量速度減慢，此動作稱為速度跟蹤。三坐標(biāo)丈量機的主要特點 不受物體外表顏色及光照的限制；對物體邊境也能產(chǎn)生較準(zhǔn)確的丈量結(jié)果；丈量精度高普通能到達(dá)u級；由于測頭的限制，能夠喪失某些測頭不可到達(dá)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)；不能丈量軟資料物體；丈量速度遭到機構(gòu)運動的限制；丈量過程需求較多人工干涉，對大型自在曲面產(chǎn)品的丈量效率較低。機械手式丈量機 機械手式丈量機也是一種接觸式丈量設(shè)備，與三坐標(biāo)丈量機相比沒有精細(xì)的任務(wù)臺、立柱、導(dǎo)軌等安裝，機械手臂為關(guān)節(jié)式機構(gòu)，具有多自在度?？捎米鲝椥宰鴺?biāo)丈量機，傳感器可安裝在其爪部，各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度可

8、由旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，由機構(gòu)學(xué)原理可求得傳感器在空間的坐標(biāo)位置。運用時操作者手持丈量手臂，末端探針接觸被丈量物體外表時按下按鈕，記錄坐標(biāo)和探針手柄方向，并經(jīng)過串口線傳回丈量軟件。這種丈量機幾乎不受方向限制?？稍谌蝿?wù)空間做恣意方向的丈量，普通用于大型鈑金模具件的逆向工程丈量。特點：精度相對CMM要低些，但丈量范圍大，受被測物體的體積、外形等的限制較少，丈量機本身構(gòu)造小巧，丈量方式相對靈敏，適宜在線丈量。其他方面與CMM類似。光學(xué)丈量設(shè)備 非接觸式丈量主要運用光學(xué)原理進展數(shù)據(jù)采集，主要方法有激光三角形法、激光測距法、構(gòu)造光法、圖形分析法、干涉丈量法等，光學(xué)丈量設(shè)備具有丈量速度快、自動化程度高等優(yōu)點，由

9、于沒有接觸壓力和摩擦力，消除了樣件受力變形導(dǎo)致的丈量誤差，非常適宜對各種復(fù)雜模型快速地進展大規(guī)模數(shù)據(jù)采集。光學(xué)丈量基理 光學(xué)丈量法是經(jīng)過將一定的物理模擬量經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件外表的坐標(biāo)點激光測距法是將激光束的飛行時間轉(zhuǎn)化為被測點與參考平面間的間隔。圖像分析法是利用一點在多個圖像中的相對位置，經(jīng)過視差計算間隔，從而得到點的空間坐標(biāo)。激光三角形法利用光源與影像感應(yīng)安裝如攝像機間的位置與角度來推算點的空間坐標(biāo)。光學(xué)丈量基理干涉丈量法的原理是由一個光源射出的一束光(指定的入射光) 經(jīng)分光后產(chǎn)生的兩束光分別射向參考平面和目的平面，反射后的兩束光相互關(guān)涉，呈現(xiàn)出相應(yīng)的干涉圖樣，經(jīng)過分析指定的入射光的波

10、長與干涉圖樣間的關(guān)系而測得目的平面與參考平面間的間隔。構(gòu)造光法將一定方式的光，如條形光、柵格狀光，投射到被測物體外表，并捕獲光被曲面反射后的圖象，經(jīng)過對比不同方式之間的差別來獲取樣件外表的三維點坐標(biāo)。最典型的構(gòu)造光是投影光柵。其原理是把光柵投射到被測樣件的外表上, 光柵影線會因遭到樣件外表高度的調(diào)制而發(fā)生變形, 經(jīng)過解調(diào)變形的光柵影線來確定樣件外表的高度。構(gòu)造光法與圖象分析法的主要不同是該方法需求投射具有一定方式的人工光源，這種方法中最典型的是莫爾干涉條紋法。激光三角測距原理光電檢測器zox丈量范圍激光束激光發(fā)生器聚光鏡成像鏡成像鏡激光三角法丈量特點 任務(wù)間隔大，離樣件外表很遠(yuǎn)處也可對工件進展

11、丈量。丈量范圍大，大丈量范圍導(dǎo)致的非線性誤差，可以經(jīng)過標(biāo)定，利用軟件進展修正。測頭不與被測物體接觸，能對松軟資料的外表進展數(shù)據(jù)采集，并能很好地丈量到外表尖角、凹陷等復(fù)雜輪廓。數(shù)據(jù)采集速度很快，對大型外表可在CMM或數(shù)控機床上迅速完成數(shù)據(jù)采集，無需測頭補償。價錢較貴，雜散反射，對于垂直壁等外表特征會影響采集精度。對被測資料、外表粗糙度、反射特性敏感，精度普通比CMM略低。激光三角法分為點丈量、線丈量和面丈量單點式激光丈量法 單點式激光三角丈量常采用直射式和斜射式兩種構(gòu)造 激光器發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡2聚焦后垂直入射被測物體的外表3上，物體挪動或外表變化，入射光點沿入射光軸挪動。接受透鏡接受來自入

12、射點出的散射光，并將其成像在光敏位置探測器5敏感面上，假設(shè)光點在成像面上的位移為 ，按下式可求出被測面的位移 。直射式斜射式是激光器發(fā)出的光和被測面的法線成一定角度入射到被測面上，同樣用一透鏡接受光點在被測面的散射光或反射光，假設(shè)光點的像在探測器敏感面上挪動，那么物體外表沿法線方向的挪動間隔 為：斜射式線光源丈量法 采用線光源照明的三角傳感系統(tǒng)運用二維面陣作為接納器件，只需求附加一維掃描就可以構(gòu)成完好的三維面外形數(shù)據(jù)。以線光源照明的三角法也稱光切法。激光束經(jīng)柱狀透鏡擴束并準(zhǔn)直后成為一束很薄的片狀光束投影到樣件外表，載有樣件的平臺沿給定坐標(biāo)方向以一定速度平移，完成投影光在外表的掃描，在另一方向上

13、用面陣CCD光敏面上的像為一曲線，計算該曲線上象素點偏離規(guī)范像基準(zhǔn)平面的位置便可得出被測外表的深度變化。線光源丈量法 激光三角面形丈量法 激光三角法面形丈量的根本原理是利用激光在被測樣件外表投影一光條，由于被測外表起伏極曲率變化，投影的光條隨此輪廓位置起伏而扭曲變形，由CCD攝像機攝取激光束影像，這樣就可由激光束的發(fā)射角度和激光束在CCD內(nèi)成像位置，經(jīng)過三角幾何關(guān)系獲得被測點間隔或坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。3D Laser Scanner丹麥SCANTECH公司開發(fā)的三維激光掃描儀3D Laser Scanner是激光三角形法丈量的一個代表，其丈量數(shù)據(jù)可到達(dá)23000點/秒的丈量速度。主要特點：高速丈量，短

14、時間內(nèi)丈量大量的點；由于是非接觸式丈量，因此可以丈量柔性物體；適宜對復(fù)雜自在曲面的丈量；對外表粗糙和外表漫反射率敏感；精度普通比CMM略低。Cyberware的三維掃描儀 80年代就被迪斯尼等動畫和特技公司采用，用于“終結(jié)者II，“侏羅紀(jì)公園，“蝙蝠俠II，“機械戰(zhàn)警等影片。還用于快速雕塑系統(tǒng)。90年代的掃描儀可對人體全身掃描，給出對象的多邊形、NURBS曲面、點、Spline曲線方式描畫，可進展彩色掃描，輸出被測物體的坐標(biāo)信息和顏色信息。掃描速率可達(dá)1.4萬點/秒。3030RGB型掃描物體的尺寸在30cm，深度方向丈量精度100-400m，用于動畫、人類學(xué)研討、服裝設(shè)計等方面。 構(gòu)造光丈量法

15、 構(gòu)造光投影法是將一定圖案的光投影到物體外表上，從而加強物體外表各點之間的可區(qū)分性，降低圖像點對匹配的難度，提高匹配算法的精度和可靠性。常用的構(gòu)造光圖案方式，包括灰碼條紋Gray Code、摩爾條紋、網(wǎng)格圖案、彩色點陣圖案等。構(gòu)造光丈量法 構(gòu)造光投影雙目立體丈量具有以下主要特點一次可獲取大量數(shù)據(jù)可達(dá)百萬點以上；由于是非接觸式丈量，因此可以丈量柔性物體；適宜對復(fù)雜自在曲面的高效率丈量；分析相對復(fù)雜；丈量結(jié)果受物體外表光學(xué)特性的影響如透明、黑色等情況下都會產(chǎn)生問題；精度比接觸式丈量略低。構(gòu)造光法雙目構(gòu)造光丈量系統(tǒng)構(gòu)造圖 ATOS光學(xué)丈量機 德國GOM公司消費的ATOS流動光學(xué)掃描儀是目前世界上最先

16、進的非接觸式三坐標(biāo)掃描儀之一，是一種構(gòu)造光丈量設(shè)備。該掃描系統(tǒng)可將特定光柵條紋于被測物體上，經(jīng)過光柵間距的變化，借助兩個高分辨率CCD數(shù)碼相機對光柵干涉條紋進展拍照，經(jīng)過數(shù)碼影像分析和基于光學(xué)原理計算，求得實物外表三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可在極短時間內(nèi)獲得復(fù)雜任務(wù)外表的完好點云，實現(xiàn)三維掃描高速化。ATOS II在距被測物體約700 mm處高速攝取實物外表數(shù)據(jù)，一次丈量的有效丈量區(qū)域為280350mm，獲得的掃描點數(shù)最大可達(dá)一百三十萬個點。由于一次丈量的范圍有限，多角度丈量然后拼合到一個共同的坐標(biāo)系下，從而得到一個完好的丈量模型。兩次丈量中設(shè)置共同可見的至少三個參考點來實現(xiàn)的。單次丈量精度可達(dá) ，多視角

17、丈量的拼合丈量精度為 。丈量本卷須知 普通來說，用光學(xué)丈量法對某個外表進展一次數(shù)據(jù)采集往往只需數(shù)秒時間，但是為了可以比較完好和準(zhǔn)確地得到該外表丈量數(shù)據(jù)，通常需求破費大量的時間用于確定測頭位置和丈量角度。因此，在丈量之前或丈量過程中，根據(jù)實物樣件的構(gòu)造特點制定丈量方案，用盡能夠少的丈量次數(shù)獲取滿足模型重建所需的數(shù)據(jù)，不僅可以有效減少數(shù)據(jù)丈量和預(yù)處置的任務(wù)量，而且在某種程度上可以提高丈量數(shù)據(jù)的整體精度。下面從以下幾個方面討論在運用ATOS II光學(xué)丈量機進展丈量時應(yīng)該留意的問題以及需求采用的原那么。丈量本卷須知 實物外表噴涂由于部分深色零件外表對光的吸收才干較強，因此不利于采用光學(xué)三角定理進展丈量

18、，為此要對這些零件進展外表達(dá)色噴涂處置。選擇噴涂資料時需求保證涂層在丈量后容易清洗如選擇工業(yè)探傷劑，在噴涂過程中盡能夠使涂層薄而均勻，既可以到達(dá)加強反光的效果，又不至于對丈量精度呵斥很大的影響。待測實物定位分析待測實物零件不同部位的可測性，然后按照可測性將待測實物零件的特征進展分組，以測頭和實物零件定位能否方便和牢靠為根底選擇較好的定位基準(zhǔn)必要時運用橡皮泥在零件實物的反面進展定位，從而減少改動測頭位置、角度和待測實物零件的定位方式的次數(shù)，提高丈量效率并有效提高主要待測外表的丈量精度。丈量本卷須知 多視丈量預(yù)備為了實現(xiàn)將從不同視角下測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個一致的坐標(biāo)系下，以生成完好的數(shù)據(jù)點模型，普通

19、可以采用標(biāo)簽定位法以實現(xiàn)多個視圖的粗定位。Tritop照相拍攝系統(tǒng)整體到部分原那么，按照從整體到部分的原那么對同一個零件的不同部位合理采用適當(dāng)?shù)臉?biāo)定精度進展丈量?？梢詫⒄闪繑?shù)據(jù)劃分為主要視圖、細(xì)節(jié)視圖和補充視圖，其中主要視圖是指丈量數(shù)據(jù)較多且從某個角度可以反映待測實物零件整體外形的視圖；細(xì)節(jié)視圖指的是針對待測實物零件的某些部分細(xì)節(jié)特征丈量所得到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要用于細(xì)節(jié)部位的特征重建；補充視圖是指對模型重建無關(guān)緊要的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)原那么上不參與模型的重建，但是可以用來檢驗多視拼合的結(jié)果以及校驗?zāi)Ｐ椭亟ǖ木取Ｕ闪勘揪眄氈?光線方向盡能夠使光線照射方向和構(gòu)造類零件主要待測外表垂直，盡能夠保證

20、光線掃描方向和主要待測棱邊垂直。單面丈量由于薄板類零件的模型重建可以經(jīng)過單面曲面重建后利用加厚等方法來創(chuàng)建實體模型，因此對于飛機鈑金件等薄板類零件的丈量普通只需求進展單面丈量，必要時有選擇性地丈量另外一面的部分?jǐn)?shù)據(jù)用于判別應(yīng)該向哪一側(cè)加厚、加厚厚度確實定以及后續(xù)模型重建后的精度校驗等。運用單面丈量戰(zhàn)略不僅減少了丈量和拼合次數(shù)，而且測得的數(shù)據(jù)比雙面丈量的數(shù)據(jù)更容易實現(xiàn)分塊。丈量本卷須知 深孔丈量在對深孔進展丈量時，通常無法獲取完好的孔側(cè)面的數(shù)據(jù)點，這時也需求在孔周圍和孔底部指盲孔丈量足夠多的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點，以便在模型重建時有足夠的信息進展孔定位、孔徑計算和深度估計等。裝配件的丈量在裝配件裝配前應(yīng)采集

21、盡能夠多的數(shù)據(jù)點，并思索裝配件中不同零件之間的裝配關(guān)系的提取如裝配件內(nèi)部零件之間貼合面以及分界限的丈量等，然后盡量在不重新定位的原那么下，逐漸裝配覆蓋在外部的零件進展內(nèi)部零件的丈量，對于必需重新定位的情況，需求在裝配件未裝配之前記錄該零件的相對位置，從而在后續(xù)模型重建過程中思索到零件之間的裝配約束關(guān)系。大型物體丈量方案 CCD相機丈量/建模軟件圖象分析/多視圖幾何特征點線數(shù)據(jù)/全局定位數(shù)據(jù)外表點云數(shù)據(jù)圖象抓取及非構(gòu)造光投射控制單元雙目立體成像分析投影安裝自在拍攝光學(xué)鏡頭/CCD2被測物體光學(xué)鏡頭/CCD1定位丈量外表丈量條件名稱實際距離重建結(jié)果重建結(jié)果絕對誤差相對誤差0-1611.8980611.92000.02203.60e-52-3611.8000611.7643-0.03575.84e-54-5545.9400545.94920.00921.69e-56-7545.8230545.82600.01753.21e-5平均絕對誤差0.0211全局定位精度驗證內(nèi)窺丈量系統(tǒng) 以上引見的丈量方法，通常只