反求工程中的三维测量技术

图2
入射光线 P 照射到参考平面上的 A 点 , 放上被 测物体后 , P 照射到被测物体上的 D 点 , 此时从图示 方向观察 , A 点就移到新的位置 C 点 , 距离 A C 就携 带了高度信息 Z = h( x , y ) 。 立体视觉三维 测量法[ 3] 。常用 的三维测 量技
图1
本系统采用臂旋转的方式进行测量, 步进电机 驱动回转臂作步距为 1#/ 40ms 的转动, 激光脉冲调 制电路在每个电 视祯的起始位置发出 2ms 宽的电 脉冲信号用于 LD 驱动。计算机读取每行光斑中心 位置计数器的值 , 利用奇偶场间的空闲时间来处理 256 行的记数值并进行高度转换 , 测量一条线仅需 40ms, 测完一周共需 15s。测完一周后 , 计算机自动 生成数据文件, 用于数据处理、 数据的三维表面拟合 表1
可得被测点 P 的坐标为 [ bu / ( f cot - u ) , bv / ( f cot - u) , bf / ( f cot - u) ] 。
图 4 模型正在测量
图3
2 点数据测量 对发动机缸盖零件内型面硅橡胶模型翻制并处 理后就可以使用智泰公司的 LSH600 三维激光测量 仪进行点数据测量。由于该模型的特征完全分布在 连续相隔 90#的方向上 , 所以采用转轴每旋转 90#一 次的三次平面扫描来进行点数据测量( 图 4) 。 3 点数据的处理 为了对复杂内型面的发动机缸盖测量数据的完
主要三维扫描方法的特点
速度 慢 快 能否测内 部轮廓 否 否 形状限制 无 表面变化 不能过陡 表面不能 过于光滑 无 无 材料限制 无 无 成本 高 低
激光三角形法 CT 扫描和核磁 共振法 自动断层扫描仪法
快
否
无
较高
较慢 较慢
Байду номын сангаас
能 能
有 无
很高 较高
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计量技术 2004 No 10
测量与设备
缺点11逐点方式测量速度较慢21测量时需要制订测量基准点需使用特殊的夹具提高测量成本需接触工件而造成磨损为维持一定的精度需要经常校正测头41容易损坏某些软质物体51在对具有内孔的零件进行测量时61需要做测头补正的工作非接触式测量中激光扫描测量是近几年发展非常迅速的一种测量技术通过发射激光束到物体表反射后被一感光设备接收然后根据反射时间光源与感光设备间的位置关系推算出物体表面点的坐标可实现复杂轮廓的高速测量但只使用于外轮廓表面
三、 光切三维测量法及其应用 1 测量原理 采用激光作为光源的三角形法在实际中已经取 得广泛应用 , 它是一种基于三角测量原理的主动式 结构光编码测量技术 , 亦称为光切法( Light Sect ion ing ) , 通过将一激光线结构光投射到三维物面上 , 利 用 CCD 摄取物面上的二维变形线图像 , 即可解算出 相应的三维坐标。 图 3 所示, 点 P( x , y , z ) 为被测物表面上一点 , P∃为 P 在 CCD 摄像机中的成像点 , 其在以镜头中心 O 为原点的坐标系中的坐标为 ( u , v ) , f 为摄像机 的焦距, b 为光源中心与摄像机中心的距离 , 是被 测点与光源中心形成的直 线和 X 轴的夹角。然后 可以对其进行以下公式推导: f / u= z / x ( b + x ) / z = cot x = bu/ ( f cot - u) 在 YOZ 平面上有 f / v= z / y x / y = u/ v y = bv / ( f cot - u ) z = bf / ( f cot - u ) ( 2) ( 1) 整性 , 对发动机缸盖内型面硅橡胶模型剖分。由于 对两个模型都采取了三次平面扫描 , 所以一共产生 了 6 笔% 点云& 数据。在扫描过程中不可避免的会有 一些% 杂点& ( 可以看作是孤立点噪音 ) 出现, 所以在 进行曲面的三维重构 之前, 还要 对数据进行处 理。 % 杂点& 去除后 , 把每半个模型的三笔 % 点云& 数据在 同一 Surf acer10 0 软件窗口中打开 , 分 析其是否连 接在一起 , 如果出现很大的偏差, 则需要重新测量。 4 曲面重构 预处理完成后就可以对其进行构建特征曲线。 一般采用 % 输入坐标绘 制 3D 的 B 样条曲线 & 的方 式。这种方式下可以通过 Surfacer10 0 软件窗口依 次直接点击% 点云& 上的点来连成曲线。这种方式构 建的曲线为了使其 平顺, 一般 需使用 Surfacer10 0 软件窗口曲线的% 修改& 选项中的子选项% 平顺曲线& 来把曲线平顺, 使其能构建出高质量的面。最终构 建 CAD 模型图见图 5。
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测量与设备
最小层厚达 1mm , 它是目前唯一的一种既测量了零 件的复杂内部几何形状, 又不破坏零件的技术。 逐层切 削照相测量[ 2] 是一种新兴的断层测量 技术, 它以极小的厚度 去逐层切削实物 ( 最小可达 0 01mm) , 并对每一断面 进行照相 , 获取截面图像 数据, 其测量精度达 ∀ 0 02m m, 目前是断层测量精 度最高的方法 , 且成本较低 , 与工业 CT 相比 , 价格 便宜 70% ~ 80% , 但它的致命缺点是破坏了零件。 从发展趋势看, 工业 CT 和逐层切削照相测量将占 反求工程测量方法主导地位, 应用范围也会广泛。 激光三角测量法属于非接触式测量方法之一。 其系统装置示意图如图 1 所示。 以及数据修改等软件处理 , 最后生成 ST L 文件 , 送 入快速成形机或者数控机床进行制造。 投影光栅法。投影光栅法的基本原理是将光栅 投影到被测件表面上 , 受到被测样件表面高度的调 制, 光栅影线发生变形。通过解调变形光栅影线 , 就 可以得到被测表面高度信息 , 原理如图 2 所示。
一、 反求工程在快速造型中的意义 反求工程 ( Reverse Engineering ) 又称逆向工程 或反求设计, 它与传统 工程的设计过 程完全不同。 传统设计是通过工程师创造性的劳动, 将一个未知 的设计理念变成人类需求的产品的过程。而反求设 计可分为实物反求、 软件反求和影像反求三类。是 从已知事物的有关信息出发 , 对这些信息充分消化 和吸收 , 对实物原形进行数据采集, 经过数据处理、 三维重构等过程 , 构造具有形状结构的原形的三维 模型。然后, 在对原形进行复制或在原形的基础上 进行再设计, 实现创新。在 RPM ( 快速成形技术 ) 方 法中 , 产品的三维实体模型代替了传统的工程视图 , 因而, 获得产品的三维实体模型是 RPM 技术的关 键之一。反求工程是获取工件三维实体模型的方法 之一。通过反求工程, 可在相关软件、 实物、 影像的 基础上求出其三维 CAD 模型 , 它在零件复制和质量 检测等领域有极为重大的作用。可见, 在快速造型 技术中引入反求工程, 形成一个包括设计、 制造、 检 测的快速设计制造的系统可以充分挖掘快速造型技 术的潜能 , 扩展它的应用范围。 二、 测量方法综述 原形或零件的数字化是从已存在的原形/ 零件 出发的反求工程中的第一步。该技术的好坏直接影 响到对原形 / 零件的描述的精确、 完整程度, 进而影 响到重构的 CAD 曲面 , 实体模型的质量, 并最终影 响到快速成形出来的产品是否真实地或在一定程度 上反映了原始的物体模型。因此 , 它是整个原形反 求工程中的基础。按测量方法分类, 数据获取可分
测量与设备
反求工程中的三维测量技术
朱玉红
( 兰州工业高等专科学校机械工程系, 兰州 730050)
摘 要 介绍了反求工程中应用的三维测量技术 , 并对其精度、 速度、 适用范围进行了 分析与比较 。以具有内 快速造型 反求工程 三维测量
型面的发动机缸盖零件为例 , 对反求工程中的测 量方法作了分析 , 说明了反求工程在快速造型技术中的 重要作用。 关键词
= 90 # 时为锥面法向跳动
参 考文献
线性精度 三坐标测量仪法 投影光栅法 高∀ 0 5 m 较高 ∀ 20 m 较高 ∀ 5 m 低 0 1mm 较低 ∀ 25 m
术根据照明条件被分为被动和主动两大类。立体视 觉属于前者。在工业应用中, 立体视觉常常用于大 尽寸测量或目标的定位, 或作为某种测量方法的辅 助手段[ 4] 。其最大的缺点在于计算量大, 不适于适 时、 在线测量。 以上这些方法都有各自的特点和应用范围, 具 体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物 体的形体特征和应用目的来决定。表 1 中比较了主 要的三维扫描方法的特点。
计量技术 2004 N o 10
为。 接触式测量方法 , 包括手动方法、 三坐标测量 机中的接触式测量方法等; 非接触式测量方法 , 如 投影光栅法、 激光扫描测量法等。 接触式测量的优点: 1 精确度高; 2 适合测量 简单几何形状 , 如面、 圆孔、 圆柱、 圆锥等。对于简单 几何形状的测量速度比较快 ; 3 可测量光学仪器死 角的区域 , 例如深沟、 间隙小的凹槽等区域。缺点: 1 逐点方式测量速度较慢 ; 2 测量时需要制订测量 基准点, 需使用特殊的夹具 , 提高测量成本; 3 测头 需接触工件而造成磨损 , 为维持一定的精度 , 需要经 常校正测头; 4 容易损坏某些软质物体 ( 橡胶品、 黏 土模型) 等; 5 在对具有内孔的零件进行测量时, 探 头的直径必定要小于被测内孔直径 ; 6 需要做测头 补正的工作。 非接触式测量中激光扫描测量是近几年发展非 常迅速的一种测量技术, 通过发射激光束到物体表 面, 反射后被一感光设备接收 , 然后根据反射时间、 光源与感光设备间的位置关系推算出物体表面点的 坐标 , 可实现复杂轮廓的高速测量 , 但只使用于外轮 廓表面。优点 : 1 不需逐点方式测量 , 测量速度快; 2 测的物体上大部分特征, 资料取得较完全; 3 不 需做测头的补正; 4 可直接测量软质材料、 不可接 触等高精密物体。缺点: 1 测量精度较差 ; 2 易受 工件表面反射性及环境光源影响 , 造成测量干扰。 工业 CT 技术[ 1] ( Indust rial Computed T omogra phy ) 适合于测量复杂的内部几何形状 , 利用它可以 直接获取物体的截面数据, 正好与快速造型方法匹 配。它是根据 CT 图像来重构三维模型, 然后转化 为可以为激光快速成形设备 所采用的 ST L 或 CLI 文件格式。工业 CT 在 Z 轴方向测量精度差, 目前
计量技术 2004 N o 10 图5 最终完成的 CA D 模型
四、 结论 反求技术在根据测量数据、 CT 扫描数据、 照片 或直接测量实体来直接建立其 CAD 模型方面有着 ( 下转第 56 页)
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使用与维修
素 A 调心调平, 保证基准元素 A 与仪器轴线重合。 再对 A 作 圆 柱 度 测 量 并 设 定 为 基 准。 注 意: 该 T alyrond265 软件中对于跳动的定义是 : 垂直 A 基 准的轴截面内所有测点与基准轴线中心距离的最大 差值。我国国标中对于圆锥面的跳动是指锥面法向 或指定 方向测量时测点相对 变动量。 T alyrond265 圆度仪给出的值 ai 是垂直于基准轴 A 的径向跳动 值, 两者不能够等同 , 否则有可能把合格的产品误判 成不合格品 , 造成较大的人力和资源浪费。对于轴 向尺寸较大的锥面往往在锥面上多测几个截面 , 取 最大的误差( 跳动) 值作为评定值。 理, 再进一步作圆柱测量 , 并设定为基准 ( 与图纸一 致) 。再对端平面 ( 最大半径处) 测端面圆, 在输出结 果中给出垂直度和跳动参数。 我们通过圆度仪对端平面沿极半径方向测量一 系列圆输出的结果进行分析, 常常最大极半径处测 量的跳动误差值为最大, 一般情况下可用它来代替 端面跳动。而垂直度则不然 , T alyrond265 圆度仪软 件执行标准中垂直度的定义 : % 参考平面垂直度值是 两个平行平面之间的最小轴向间隔 , 这两个平面垂 直于参考轴线 , 并且完全包容由被测数据拟合的最 小二乘参考平面。按我国国标, 端面垂直度包含整 个被测端面的形状误差和位置误差 , 即指与基准轴 ( 线) 相垂直的包容被测元素两平行平面 之间的距 离。圆度仪所测垂直度不能完全反映国标要求。 对于精确的测量, 只有弄清设计者的指导思想, 即实际应用效果, 才能取舍、 应用不同评定方法来给 出确定的参数值, 这是几何量计量人员应具备的素 质。 以上为我们在应用 T alyrond265 圆度仪中遇到 的几点小问题和解决的小技巧。请同行专家给予指 正。