（機械設計及理論專業(yè)論文）快速掃描三坐標激光測量技術研究.pdf

東北大學碩 l 學位論文摘要 快速掃描三坐標激光測量技術研究 摘要 三坐標測量機作為一種測量儀器 越來越廣泛的應用于制造 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 三坐標測量技術自 從2 0 世紀6 0 年代發(fā)展以來 已經逐漸成熟 現(xiàn)主要向高效率 高精度非 接觸式方向發(fā)展 本文主要以激光測距式非接觸三坐標測量儀為研究對象 在測量模型 的建立 控制系統(tǒng) 激光測頭特性 數(shù)據(jù)采集處理及數(shù)據(jù)接口等方面 以 提高測量效率和精度為 目的 從實踐出發(fā)分析采用了一些實際可行的理論 和方法 并最后對一實物進行了測量 在測量模型建立方面 本文采用了點云和基于曲線的模型重建兩種測 量模式 并對這兩種模型的具體建立方法進行了研究 給出己知數(shù)學模型 曲線的建模方式 未知數(shù)學模型曲線的b樣條建模方式 并針對這兩種測 量模式對整個測量過程做了整體規(guī)劃 在控制系統(tǒng)方面 針對本文研究的旋轉工作臺式非接觸激光測量儀 采用了上位機控制的整體控制方案 并對其誤差給出了補償方案 為了進 一步提高測量效率和精度 本文在控制方面還給出了仿形跟蹤控制原理以 及實現(xiàn)方法 在激光測頭特性方面 針對三角激光測頭本身所固有的非線性 采用 了先用實驗方式測得數(shù)據(jù) 再作局部線性化處理的修正方法 對于激光測 頭在測量過程中的動態(tài)特性 本文從試驗出發(fā) 分析并推導出掃描速度與 被測面形狀的關系 在測量數(shù)據(jù)方面 本文選用國際流行的圖形數(shù)據(jù)轉換標準 i g e s標準 作為本系統(tǒng)與其它 c a d軟件的數(shù)據(jù)傳送接口 在此基礎上針對本系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)特點建立了由采集點到 i g e s實體數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過 程規(guī)劃與實現(xiàn) 關鍵詞 點云 b樣條曲線 激光三角測頭 非線性補償 仿形跟蹤控制 i g e s標準 東北大學碩士學位論文 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 東北大學碩 卜 學位論文 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 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的 論文 中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外 不包含其他人己 經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包括本人為獲得其他學位而使 用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已 在論文中作了明確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名 日期 7 c 令 7 z 2 3 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留 使用學 位論文的規(guī)定 即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的 復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權東北大學可以將學 位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 交流 如作者和導師同意網上交流 請在下方簽名 否則視為不同意 學 位 論 文 作 者 簽 礴 簽 字日 期 zo a 令 z z 了 導師簽名 簽 字 日 期 城 二 東北大學碩士學位論文第一章 緒論 第一章 緒論 1 三坐標測量技術及國內外背景 三坐標測量技術是隨著2 0 世紀6 0 年代第一臺三坐標測量機的出現(xiàn)而 逐漸發(fā)展成熟起來的 現(xiàn)在已經涉及到應用光學 電子技術 控制技術 新材料技術 計算機技術等先進技術領域 并且隨著這些技術的發(fā)展日 益完善 在三坐標測量技術的推動下 三坐標測量機已經廣泛應用于制造 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 三坐標測量在測量方法上主要有兩大類1 2 1 一是傳統(tǒng)的接觸式測量法 二是非接觸測量法 其中非接觸測量法隨著光學測頭技術 及數(shù)字圖形圖 像技術的引入而發(fā)展迅速 而且根據(jù)利用光學原理的不同在測量方法及理 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 三維測量法等 接觸式三坐標測量主要是利用三坐標測量機的接觸探頭 有各種不同 直徑和形狀的探針 逐點地捕捉樣品表面數(shù)據(jù) 當探頭上的探針沿樣件表面 運動時 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 上的三個坐標的彈簧產生位移反應出來 其大小和方向由傳感器測出 經 模擬轉換 將測出的信號反饋給計算機 經相關的處理得到所測量點的三 維坐標 采用該方法可以達到很高的測量精度 士 5 u m 對被測物體的材 質和色澤一般無特殊要求 對于沒有復雜內部型腔 特征幾何尺寸多 只 有少量特征曲 面的零件該測量方法非常有效13 1 其缺點主 要表現(xiàn)在 由于 該方法是接觸式測量 易于損傷探頭和劃傷被測樣件表面 不能對軟質材 料和超薄形物體進行測量 對細微部分測量精度也受到影響 應用范圍受 到限制 始終需要人工干預 不可能實現(xiàn)全自動測量 由于測頭的半徑而 存在三維補償問題 價格較高 對使用環(huán)境有一定要求 測量速度慢 效 率低 典型接觸式三坐標測量系統(tǒng)有英國 r e n i s h a w公司生產的r e t r o s c a n 測量系統(tǒng)和c y c f o n e 高速測量機及法國l e m o i n e 測量系統(tǒng) r e t r o s c a n 測量 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)本身不配備測量功 能的普通數(shù)控系統(tǒng)兼容 c y c l o n e高速測量機可以快速地采集復雜的二維 曲線和三維表面數(shù)據(jù) 為模具制造廠提供了一種快速 可靠的將模型轉換 為零件程序的設備 其測量接觸力小 掃描速度快 最高可達 1 4 0點 m i n 東北大學碩士學位論文第一章 緒論 第一章 緒論 1 三坐標測量技術及國內外背景 三坐標測量技術是隨著2 0 世紀6 0 年代第一臺三坐標測量機的出現(xiàn)而 逐漸發(fā)展成熟起來的 現(xiàn)在已經涉及到應用光學 電子技術 控制技術 新材料技術 計算機技術等先進技術領域 并且隨著這些技術的發(fā)展日 益完善 在三坐標測量技術的推動下 三坐標測量機已經廣泛應用于制造 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 三坐標測量在測量方法上主要有兩大類1 2 1 一是傳統(tǒng)的接觸式測量法 二是非接觸測量法 其中非接觸測量法隨著光學測頭技術 及數(shù)字圖形圖 像技術的引入而發(fā)展迅速 而且根據(jù)利用光學原理的不同在測量方法及理 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 三維測量法等 接觸式三坐標測量主要是利用三坐標測量機的接觸探頭 有各種不同 直徑和形狀的探針 逐點地捕捉樣品表面數(shù)據(jù) 當探頭上的探針沿樣件表面 運動時 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 上的三個坐標的彈簧產生位移反應出來 其大小和方向由傳感器測出 經 模擬轉換 將測出的信號反饋給計算機 經相關的處理得到所測量點的三 維坐標 采用該方法可以達到很高的測量精度 士 5 u m 對被測物體的材 質和色澤一般無特殊要求 對于沒有復雜內部型腔 特征幾何尺寸多 只 有少量特征曲 面的零件該測量方法非常有效13 1 其缺點主 要表現(xiàn)在 由于 該方法是接觸式測量 易于損傷探頭和劃傷被測樣件表面 不能對軟質材 料和超薄形物體進行測量 對細微部分測量精度也受到影響 應用范圍受 到限制 始終需要人工干預 不可能實現(xiàn)全自動測量 由于測頭的半徑而 存在三維補償問題 價格較高 對使用環(huán)境有一定要求 測量速度慢 效 率低 典型接觸式三坐標測量系統(tǒng)有英國 r e n i s h a w公司生產的r e t r o s c a n 測量系統(tǒng)和c y c f o n e 高速測量機及法國l e m o i n e 測量系統(tǒng) r e t r o s c a n 測量 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)本身不配備測量功 能的普通數(shù)控系統(tǒng)兼容 c y c l o n e高速測量機可以快速地采集復雜的二維 曲線和三維表面數(shù)據(jù) 為模具制造廠提供了一種快速 可靠的將模型轉換 為零件程序的設備 其測量接觸力小 掃描速度快 最高可達 1 4 0點 m i n 東北大學碩十學位論文 第一章 緒論 或3 m m i n l e m o i n e 測量系統(tǒng)由探頭 軸向控制盒 數(shù)控機床接口板 微 機和相應的軟件所組成 軸向控制盒用來控制數(shù)控機床三軸的運動 4 1 基于計算機視覺的非接觸式測量是現(xiàn)代測試技術的一個重要分支 它 是以現(xiàn)代光學為基礎 融合電子學 計算機圖像學 信息處理 計算機視 覺等科學技術為一體的現(xiàn)代測量技術 相對于傳統(tǒng)的接觸式測量方法 它 具有很多優(yōu)點 非接觸 掃描速度快 可達到 1 0 0 0 0 個坐標點 每秒 掃描 精度高 對細微部分的掃描精度也不受影響 現(xiàn)代 曲面測量的研究己越來 越集中在計算機視覺的無接觸檢測上 圖1 1非接觸式三坐標測量分類 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 在非接觸式測量中 按照測量過程所采用的照明方式的不同 主要可 分為被動式方法和主動式方法 2 l 其詳細分類見圖1 1 被動式方法是指不 向被測物體發(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系 采用松弛算法求出各區(qū)域之間的 相對距離 該方法所得到的物體與攝像頭光學中心距離信息只是 在 前 面 在 二 后面 與 等距 等一些定性的描述 這類深度獲取技術主 要應用于早期的圖像識別及作三維景物識別的場景分析 另外如紋理梯度 法 根據(jù)物體距相機光學中心距離的增大而紋理基元變小的原理測距 它 只能獲得物體表面上的點與攝像機光學中心之間的相對距離 而且要求物 體表面有一定的紋理 被動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 東北大學碩 學位論文第一章 緒論 類獲取距離信息的主要方式 它是根據(jù)立體視差 即被測點在左右攝像機 c c d像面上成像點位置的差異來進行測距 其中立體匹配問題始終是雙目 視覺測量的一個主要難點所在 國內外眾多學者對此進行深入而持久的研 究 提出了大量的匹配算法并進行了實驗驗證 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應關系的原則 以及很有影響和代 表性的 m p g 匹配方法和多通道結構匹配方法 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 者 都 對立 體匹 配問 題 進 行 了研究并提出了相應的算法 目前也有不少實際應用的雙目視覺測量系 統(tǒng) 如 y c k i m 1 9 的雙目 視覺測量系統(tǒng) 在 3 0 0 c m距離處測量誤差為 2 6 m m 在7 0 0 c m距離處測量誤差為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 但結構上的復雜性 也引入了測量誤差 降低了測量效率 在實際中應用較少 單目視覺方法 只采用一個攝像機 結構簡單 相應的對攝像機的標定也較為簡單 同時 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鍵所在 離焦法可以避免聚焦法因尋求精確的聚 焦位置而降低測量效率的問題 但離焦模型的準確標定是該方法的主要難 點 相對于被動三維傳感而言 主動三維傳感是基于向場景發(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構信息來獲取距離信息 的技術 該方法測距精度高 抗干擾性能強 實時性強 應用領域非常廣 泛 較易直接得到被測物體三維輪廓信息 主動三維傳感可分為時間調 制和空間調制 時間調制分為相位測量法和飛行時間法 相位測量法是將基準柵板投 影到被測物表面 形成被測物表面調制的變形柵線圖像 變形柵線圖像中 的相位值與被測表面高度值建立起一一對應的函數(shù)關系 通過相位值求得 曲面三維信息 飛行時間法是利用光速和聲速在空氣中恒速傳播的原理 由測距器主動發(fā)出光 電脈沖 在遇到物體表面時反射回來 根據(jù)脈沖在 測距器與物體之間的飛行時間測量距離 空間調制又稱為主動三角法 該方法是近年來研究較多 發(fā)展比較成 熟的一種測距方法 該方法通過向被測物體表面發(fā)射一聚集光束 點 結構 光 線光或莫爾條紋 在被測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 窄細光帶 光帶族或其它結構光 然后根據(jù)反射光 信息計算測量點或點群的三維坐標值 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)掃描被測表面 被測表面形成的漫反射光點 帶 東北大學碩士學位論文 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 測出被測點的空間 坐標 三角法的測量速度很快 其精度取決于感光設備的敏感程度 與被 測表面的距離 被測物表面的光學特性等 當被測表面反射率較低時 則 這種方法會造成較大的測量誤差 反之 如果表面的吸收率較低 反射率 較高 也會造成較大的測量誤差甚至根本無法測量 因此如果被測表面特 性不符合測量要求 測量前需對被測表面作適當處理 基于三角法測量原 理的測量方法有很多 根據(jù)光源不同 可分為 點光源法 線光源法 面 光源法 全息激光等 點光源的激光測量如d i g i b o t i c s 的d i g i b o t 1 1 系統(tǒng) 配有旋轉土作臺并在導軌上布置兩個以上的攝像機 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 它可以對幾乎所有形狀的工件進行測量 m e n s i 的s o i s i c 鋇 頭在許多工業(yè)場合得到了應用 面激光測量如c y b e r w a r e 的mo d e l 3 0 3 0 測頭連同兩臺攝像機可以對 3 0 0 m m x 3 0 0 m m x l m空間內的 7 件進行測量 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 測頭 l a s e r d e s i g n 的r p s 測頭 m i n o l t a 的v i 7 0 0 測頭等在曲 面零件的 測量中都得到了應用 川 目 前國內在激光三角形測量法研究中走在前列的 有重慶大學 大連理工大學 天津大學 上海大學 華中科技大學和國防 科技大學等 但是國內尚沒有成熟的激光測量產品面世 還存在性能穩(wěn)定 性低 測量精度低 配套技術不完善 測頭與三坐標數(shù)控系統(tǒng)的接口 自 動 測量控制策略 等缺陷 1 2三坐標測量技術的發(fā)展趨勢 實踐證明 在過去的幾十年中三坐標測量技術已經給制造 電子 汽 車和航天等工業(yè)帶來了巨大的效益 隨著科技 與生產的發(fā)展 三坐標測 量技術的應用領域將越來越廣 同時對三坐標測量技術也要求越來越高 這主要體現(xiàn)在以下幾點1 1 2 1 1 提高精度 三坐標測量本身就屬于高精度測量的范疇 目前接觸式的三坐標測量 機測量精度能達到 l t l m 非接觸的也在 1 0 1 0 0 x m 1 3 1 然而當前隨著加 工精度的顯著提高 尤其是電子 精密儀器的領域 對測量的高精度要求 就顯得更為突出 對于三坐標測量機來說 提高精度最主要的是機械主體 的基本結構問題 而對測量技術本身理論上來講 主要是建立整個測量系 統(tǒng)動態(tài)誤差補償模型 動態(tài)誤差與測量機的結構參數(shù)和運動規(guī)程有關 在 東北大學碩士學位論文 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 測出被測點的空間 坐標 三角法的測量速度很快 其精度取決于感光設備的敏感程度 與被 測表面的距離 被測物表面的光學特性等 當被測表面反射率較低時 則 這種方法會造成較大的測量誤差 反之 如果表面的吸收率較低 反射率 較高 也會造成較大的測量誤差甚至根本無法測量 因此如果被測表面特 性不符合測量要求 測量前需對被測表面作適當處理 基于三角法測量原 理的測量方法有很多 根據(jù)光源不同 可分為 點光源法 線光源法 面 光源法 全息激光等 點光源的激光測量如d i g i b o t i c s 的d i g i b o t 1 1 系統(tǒng) 配有旋轉土作臺并在導軌上布置兩個以上的攝像機 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 它可以對幾乎所有形狀的工件進行測量 m e n s i 的s o i s i c 鋇 頭在許多工業(yè)場合得到了應用 面激光測量如c y b e r w a r e 的mo d e l 3 0 3 0 測頭連同兩臺攝像機可以對 3 0 0 m m x 3 0 0 m m x l m空間內的 7 件進行測量 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 測頭 l a s e r d e s i g n 的r p s 測頭 m i n o l t a 的v i 7 0 0 測頭等在曲 面零件的 測量中都得到了應用 川 目 前國內在激光三角形測量法研究中走在前列的 有重慶大學 大連理工大學 天津大學 上海大學 華中科技大學和國防 科技大學等 但是國內尚沒有成熟的激光測量產品面世 還存在性能穩(wěn)定 性低 測量精度低 配套技術不完善 測頭與三坐標數(shù)控系統(tǒng)的接口 自 動 測量控制策略 等缺陷 1 2三坐標測量技術的發(fā)展趨勢 實踐證明 在過去的幾十年中三坐標測量技術已經給制造 電子 汽 車和航天等工業(yè)帶來了巨大的效益 隨著科技 與生產的發(fā)展 三坐標測 量技術的應用領域將越來越廣 同時對三坐標測量技術也要求越來越高 這主要體現(xiàn)在以下幾點1 1 2 1 1 提高精度 三坐標測量本身就屬于高精度測量的范疇 目前接觸式的三坐標測量 機測量精度能達到 l t l m 非接觸的也在 1 0 1 0 0 x m 1 3 1 然而當前隨著加 工精度的顯著提高 尤其是電子 精密儀器的領域 對測量的高精度要求 就顯得更為突出 對于三坐標測量機來說 提高精度最主要的是機械主體 的基本結構問題 而對測量技術本身理論上來講 主要是建立整個測量系 統(tǒng)動態(tài)誤差補償模型 動態(tài)誤差與測量機的結構參數(shù)和運動規(guī)程有關 在 東北大學碩士學位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎上 既可以改進測量機的結構設計 又可以按照測量 機的結構參數(shù)與運行規(guī)程進行動態(tài)誤差補償 從而實現(xiàn)高精度測量 2 提高測量效率 生產節(jié)奏不斷加快 要求測量機在保證鋇 量精度的同時 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標測量機存在的問題 在保證精度時 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標測量機 掃描速度慢 一般為 1 4 0點 m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機 c c d技術的測量機 測量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測量誤差可達2 6 m m 為了提高測量效率 從目前來看側重于非接觸測量技術的研究 正因 為非接觸測量具有一些突出的優(yōu)點 歐洲共同體已專門立項對非接觸的核 l 部分 測頭的性能檢定方法進行研究 以期在短期內制訂相應標準和規(guī) 程 4 另一方面對己具有高效率的雙目視覺攝像測量系統(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 三坐標測量技術的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動編程 自動編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照圖 紙的要求 利用存貯在計算機內的知識庫與決策庫確定測量策略 自動選 擇配置 安排測量路徑 編排測量程序 目前對有 c a d圖紙的情況 相 對來說有一些成功的經驗 對沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對于后者 就要利用若干個攝像頭 大致地測出工件形狀 然后在此基礎 上實現(xiàn)自動編程 二是按測量任務對測量策略的智能優(yōu)化 確定測量策略 包括基面的選擇 測量路徑的選擇 防止碰撞的計算機仿真檢驗 測量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動識別等 三是環(huán)境的自適應性 四是應用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡單的柔性測量 各主要的體現(xiàn)在使得測量技 術成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究內容 1 3 1課題來源 本課題是校學科建設項 目之一的 大型成套設備全壽命周期設計與可 靠性 下的一個子課題 在分析大型成套設備全壽命周期時 往往需要精 確地知道一些關鍵的而又具有復雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計 算機進行分析 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) 東北大學碩士學位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎上 既可以改進測量機的結構設計 又可以按照測量 機的結構參數(shù)與運行規(guī)程進行動態(tài)誤差補償 從而實現(xiàn)高精度測量 2 提高測量效率 生產節(jié)奏不斷加快 要求測量機在保證鋇 量精度的同時 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標測量機存在的問題 在保證精度時 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標測量機 掃描速度慢 一般為 1 4 0點 m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機 c c d技術的測量機 測量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測量誤差可達2 6 m m 為了提高測量效率 從目前來看側重于非接觸測量技術的研究 正因 為非接觸測量具有一些突出的優(yōu)點 歐洲共同體已專門立項對非接觸的核 l 部分 測頭的性能檢定方法進行研究 以期在短期內制訂相應標準和規(guī) 程 4 另一方面對己具有高效率的雙目視覺攝像測量系統(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 三坐標測量技術的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動編程 自動編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照圖 紙的要求 利用存貯在計算機內的知識庫與決策庫確定測量策略 自動選 擇配置 安排測量路徑 編排測量程序 目前對有 c a d圖紙的情況 相 對來說有一些成功的經驗 對沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對于后者 就要利用若干個攝像頭 大致地測出工件形狀 然后在此基礎 上實現(xiàn)自動編程 二是按測量任務對測量策略的智能優(yōu)化 確定測量策略 包括基面的選擇 測量路徑的選擇 防止碰撞的計算機仿真檢驗 測量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動識別等 三是環(huán)境的自適應性 四是應用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡單的柔性測量 各主要的體現(xiàn)在使得測量技 術成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究內容 1 3 1課題來源 本課題是校學科建設項 目之一的 大型成套設備全壽命周期設計與可 靠性 下的一個子課題 在分析大型成套設備全壽命周期時 往往需要精 確地知道一些關鍵的而又具有復雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計 算機進行分析 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) 東北大學碩士學位論文 第一章 緒論 研究這些特性的基礎上 既可以改進測量機的結構設計 又可以按照測量 機的結構參數(shù)與運行規(guī)程進行動態(tài)誤差補償 從而實現(xiàn)高精度測量 2 提高測量效率 生產節(jié)奏不斷加快 要求測量機在保證鋇 量精度的同時 還要有較高 的效率 然而這正是現(xiàn)有的三坐標測量機存在的問題 在保證精度時 效 率一般比較低 例如接觸式三坐標測量機 掃描速度慢 一般為 1 4 0點 m i n 或 3 m m i n 采用非接觸式攝像機 c c d技術的測量機 測量效率略有提 高 但精度較低 一般在 3 0 0 c m距離處測量誤差可達2 6 m m 為了提高測量效率 從目前來看側重于非接觸測量技術的研究 正因 為非接觸測量具有一些突出的優(yōu)點 歐洲共同體已專門立項對非接觸的核 l 部分 測頭的性能檢定方法進行研究 以期在短期內制訂相應標準和規(guī) 程 4 另一方面對己具有高效率的雙目視覺攝像測量系統(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 三坐標測量技術的智能化主要體現(xiàn)在 一是自 動編程 自動編程分兩 種情況 有圖紙與沒有圖紙 對于前者 首先需要讀入圖紙 然后按照圖 紙的要求 利用存貯在計算機內的知識庫與決策庫確定測量策略 自動選 擇配置 安排測量路徑 編排測量程序 目前對有 c a d圖紙的情況 相 對來說有一些成功的經驗 對沒有 c a d圖紙的情況 基本上還是空白 對于后者 就要利用若干個攝像頭 大致地測出工件形狀 然后在此基礎 上實現(xiàn)自動編程 二是按測量任務對測量策略的智能優(yōu)化 確定測量策略 包括基面的選擇 測量路徑的選擇 防止碰撞的計算機仿真檢驗 測量路 徑優(yōu)化 工件安放位置的自動識別等 三是環(huán)境的自適應性 四是應用系 統(tǒng)的開放性 1 6 1 這不僅僅是簡單的柔性測量 各主要的體現(xiàn)在使得測量技 術成為制造系統(tǒng)的組成部分 1 3課題來源及研究內容 1 3 1課題來源 本課題是校學科建設項 目之一的 大型成套設備全壽命周期設計與可 靠性 下的一個子課題 在分析大型成套設備全壽命周期時 往往需要精 確地知道一些關鍵的而又具有復雜曲面的零件的三維幾何尺寸 以便用計 算機進行分析 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) 東北大學碩士學位論文第一章 緒論 據(jù) 并對這些數(shù)據(jù)進行處理之后 能在特定的c a d c a m c a e軟件中呈現(xiàn) 零件實體 另外 目前在種類眾多的三坐標測量機中 無論主體結構是龍門還是 懸臂式 其中只根主軸的運動軌跡主要是直線 雖然在三軸聯(lián)動的情況下 能使測頭沿各種軌跡運動 但對于測量具有回轉特性的工件就顯得控制復 雜而且效率不高 若把其中一個軸變?yōu)閹庸ぷ髋_旋轉的旋轉軸 則對于 測量具有回轉特性的工件來說大大減少了操作的復雜程度 同時也提高了 測量精度和效率 降低了成本 本課題研究的三坐標測量機測量精度在 0 5 m m 速度可達到6 0 0 點 分鐘 成本僅幾萬元人民幣 1 3 2研究內容 本文研究的內容主要有以下幾方面 1 根據(jù)本文研究非接觸測量儀的特點選用兩種測量模型 點云式和基 于曲線的模型重建 并對這兩種模型的具體建立方法進行了研究 給出已知數(shù)學模型曲線的建模方式 未知數(shù)學模型曲線的b樣條建 模方式 2 對旋轉式工作臺的三角激光非接觸測量儀做了整體規(guī)劃 包括坐標 系及坐標原點的確定 被測點坐標的求解 被測點的分組命名 掃 描路徑規(guī)劃等 3 對激光三角測頭特性作了研究 對本系統(tǒng)所采用的c di 1 0 0 n p 激光測頭的結構組成 三角測量原理作了介紹 通過實驗的方法對 三角激光測頭所固有的非線性作了修正 對影響激光三角測頭測量 精度的內部及外部因素進行了分析 實驗 并給出可行補償方法 通過實驗的方法對三角激光測頭的動態(tài)特性作了分析 并推導出掃 描速度與被測面形狀的關系 4 控制系統(tǒng)分析 對本系統(tǒng)的控制部分的整體結構與功能作了介紹 對直接影響測量精度的激光測頭位置的控制作了詳細分析 并對其 誤差給出了補償方案 對數(shù)據(jù)采集控制和自動制動控制作了方案論 證 分析了仿形跟蹤的必要性 原理以及實現(xiàn)方法 5 數(shù)據(jù)交換接口 選用了國際流行的圖形數(shù)據(jù)轉換標準 i g e s標準 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 標準的內容 針對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點建立了由采集點到 i g e s實體 數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過程規(guī)劃與實現(xiàn) 東北大學碩士學位論文第一章 緒論 據(jù) 并對這些數(shù)據(jù)進行處理之后 能在特定的c a d c a m c a e軟件中呈現(xiàn) 零件實體 另外 目前在種類眾多的三坐標測量機中 無論主體結構是龍門還是 懸臂式 其中只根主軸的運動軌跡主要是直線 雖然在三軸聯(lián)動的情況下 能使測頭沿各種軌跡運動 但對于測量具有回轉特性的工件就顯得控制復 雜而且效率不高 若把其中一個軸變?yōu)閹庸ぷ髋_旋轉的旋轉軸 則對于 測量具有回轉特性的工件來說大大減少了操作的復雜程度 同時也提高了 測量精度和效率 降低了成本 本課題研究的三坐標測量機測量精度在 0 5 m m 速度可達到6 0 0 點 分鐘 成本僅幾萬元人民幣 1 3 2研究內容 本文研究的內容主要有以下幾方面 1 根據(jù)本文研究非接觸測量儀的特點選用兩種測量模型 點云式和基 于曲線的模型重建 并對這兩種模型的具體建立方法進行了研究 給出已知數(shù)學模型曲線的建模方式 未知數(shù)學模型曲線的b樣條建 模方式 2 對旋轉式工作臺的三角激光非接觸測量儀做了整體規(guī)劃 包括坐標 系及坐標原點的確定 被測點坐標的求解 被測點的分組命名 掃 描路徑規(guī)劃等 3 對激光三角測頭特性作了研究 對本系統(tǒng)所采用的c di 1 0 0 n p 激光測頭的結構組成 三角測量原理作了介紹 通過實驗的方法對 三角激光測頭所固有的非線性作了修正 對影響激光三角測頭測量 精度的內部及外部因素進行了分析 實驗 并給出可行補償方法 通過實驗的方法對三角激光測頭的動態(tài)特性作了分析 并推導出掃 描速度與被測面形狀的關系 4 控制系統(tǒng)分析 對本系統(tǒng)的控制部分的整體結構與功能作了介紹 對直接影響測量精度的激光測頭位置的控制作了詳細分析 并對其 誤差給出了補償方案 對數(shù)據(jù)采集控制和自動制動控制作了方案論 證 分析了仿形跟蹤的必要性 原理以及實現(xiàn)方法 5 數(shù)據(jù)交換接口 選用了國際流行的圖形數(shù)據(jù)轉換標準 i g e s標準 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 標準的內容 針對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點建立了由采集點到 i g e s實體 數(shù)據(jù)格式 再到形成 i g e s文件過程規(guī)劃與實現(xiàn) 東北大學碩十學位論文第二章 測量模型建立 第二章 測量模型建立 2 1概述 在三坐標測量技術中 被測實物的三維 c a d模型重建是整個過程最 關鍵 最復雜的一環(huán) 因為后續(xù)產品的工程分析 再設計 及加工制造 虛擬仿真等應用都需要 c a d的數(shù)學模型支持 這些應用都不同程度地要 求重建的 c a d模型能準確地還原實物樣件 整個建模環(huán)節(jié)與測量系統(tǒng)的 硬件設備 包括數(shù)字化設備和模型后續(xù)使用需要也有很大的關系 1 7 1 對于 如何快速 準確地實現(xiàn)模型重建 國內外的研究者進行了大量的研究 針 對問題的不同方面 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 三角網格表示等 3 按數(shù)據(jù)類型 可分為有序點和散亂點的點云重建 本系統(tǒng)采用的是點光源式的三角激光測頭 采集的數(shù)據(jù)是散亂的點數(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)硬件及運用目的的特點 本系統(tǒng)對被測物的三維建模采用兩種方 式 一是點云形式 由于本系統(tǒng)所采用的三角激光測頭在保證 1 5 11 m的測 量精度前提下 測量速度可達6 0 0點 分鐘 所以本系統(tǒng)完全可以高效率的 對被測物表面進行密集型掃描 最后形成的點云數(shù)據(jù)根據(jù)運用目的轉換成 p r o e u g等cad軟件所能識別的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一步提高本系統(tǒng)的測量效率及測量精 度 首先在曲線擬合時并不需要像點云數(shù)據(jù)那樣多的數(shù)據(jù)點 所以可以減 少測量時間 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 有了一定的拓撲關系 從而使得被測物的實體模型在例如p r o e u g等專 業(yè)c a d軟件中進一步完善時精度有所提高 在采用基于曲線的模型重建時 有兩個核心問題需要解決 1 8 1 9 1 一是 散亂測量點的有序化 二是曲線擬合的數(shù)學模型 在解決第一個問題時本 系統(tǒng)采用的是在測量過程中 實時將測量出的數(shù)據(jù)點分組并命名的方式 詳細說明見第三章測量規(guī)劃 對于第二個問題 本系統(tǒng)根據(jù)被測表面在曲 線化表達時的特點分為 已知數(shù)學模型的曲線建模 1 1 8 1 9 和未知曲線模型 東北大學碩十學位論文第二章 測量模型建立 第二章 測量模型建立 2 1概述 在三坐標測量技術中 被測實物的三維 c a d模型重建是整個過程最 關鍵 最復雜的一環(huán) 因為后續(xù)產品的工程分析 再設計 及加工制造 虛擬仿真等應用都需要 c a d的數(shù)學模型支持 這些應用都不同程度地要 求重建的 c a d模型能準確地還原實物樣件 整個建模環(huán)節(jié)與測量系統(tǒng)的 硬件設備 包括數(shù)字化設備和模型后續(xù)使用需要也有很大的關系 1 7 1 對于 如何快速 準確地實現(xiàn)模型重建 國內外的研究者進行了大量的研究 針 對問題的不同方面 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 三角網格表示等 3 按數(shù)據(jù)類型 可分為有序點和散亂點的點云重建 本系統(tǒng)采用的是點光源式的三角激光測頭 采集的數(shù)據(jù)是散亂的點數(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)硬件及運用目的的特點 本系統(tǒng)對被測物的三維建模采用兩種方 式 一是點云形式 由于本系統(tǒng)所采用的三角激光測頭在保證 1 5 11 m的測 量精度前提下 測量速度可達6 0 0點 分鐘 所以本系統(tǒng)完全可以高效率的 對被測物表面進行密集型掃描 最后形成的點云數(shù)據(jù)根據(jù)運用目的轉換成 p r o e u g等cad