（机械制造及其自动化专业论文）激光测量曲面数字化基础技术研究.pdf

摘要摘要1 产品几何形状三维测量、数学建模和数控加工及产品表面质量评定在现代制造业中起着重要作用) 本文在综述国内外基于计算机视觉的曲面数字化、曲面造型、数控直接加工研究现状及发展趋势的基础上，综合利用激光测量、精密机械、光电子、c a d c a m 和自动控制等学科技术，在传统数控铣床上研制开发了一个基于激光位移传感器的非接触式数控测量原型系统，同时对该系统涉及的若干基础问题进行了深入研究。、曲面自适应采样和测量路径优化是基于c a d 模型驱动的数控测量系统所要解决的两个壬要问题。针对工程实际中应用较多t r i m m e dn u r b s 曲面，首次提出基于万有引力定律和曲率特征函数相结合的曲面自适应采样规划算法，该算法可对曲面边界和曲面根据不同的控制精度分别离散，并基于图论思想重组采样点间的拓扑关系；为指导数控测量系统快速、高效遍历由上述算法得出的大规模采样点，首次将一种新型的仿生进化算法蚁群算法应用于解决数控测量系统的路径优化问题，得到了测头优化运动轨迹。针对生产实际中大量数学模型未知曲面，在综述数学模型未知曲面自动跟踪测量预测算法及相应控制措施的基础上，首次提出模糊控制理论与未知曲面预测算法相结合的思想，并实现了数控测量系统对未知曲面的自动跟踪测量。针对数控测量系统得到的大规模密集散乱数据点，首先运用s p l i t t i n g 曲线压缩算法实现了空间密集散乱数据的数据压缩：然后首次基于卷积核和b l o b b y 算法建立密集散乱数据的空间z m a p 模型，并提出依据优角轮廓的行切方向优化算法；最后针对复杂加工平面，提出基于单向链的切削平面、切削子区域和切削行单元的动态链接算法，生成了刀具粗加工无干涉刀位点轨迹。仿真结果表明，该方法可以提高密集散乱数据数控加工效率、给操作者更大的柔性、简化对传统c a d c a m 软件的依赖性，对数控测量系统的直接数控加工具有很好的实用价值。深入分析研究了数控测量原型系统中伺服控制和w i n d o w s 环境下伺服系统的实时控制问题。在认真分析闭环伺服系统基本框架的基础上，建立了伺服驱动系统中伺服电机、伺服驱动器等主要部件的数学模型，研究了位置控制器的硬件结构和位置伺服控制策略；通过深入剖析w i n d o w s 系统的体系结构，提出w i n d o w s 环境下基于虚拟设备驱动程序的伺服系统稳定控制，并进行了实验验证和实验结果分析。实验结果表明，借助于虚拟设备驱动程序在w i n d o w s 环境下实现伺服电机的实时、平稳控制是可行的。论文最后分析了激光位移传感器的测量技术原理、给出所研制开发的数控测量原型系统总体框架结构：在此基础上，详细论述该原型系统的硬件构成及其功能实现：以原型系统软件的设计与开发为实例，探讨了数据流水线结构在软件开发实践中的应用，详细分析并解决了该系统软件设计过程中几个关键问题，如数据流水线结构、类的确认、任务划分等；探讨了任务问通信方式、通信区的竞争与保护等具体问题的解决方法；对数控测量原型系统综合测量精度、激光位移传感器误差特性进行了实验分析研究，并通过测量实例对前述各章理论进行验证。表明实验结果和理论仿真结论具有良好的一致性。卜关键词：激光测量，自由曲面，反求工程，数控测量系统数控直接加工i i -a b s t r a c tt h e3 dg e o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，c a dm o d e l i n g ，n cm a c h i n i n ga n df o r mt o l e r a n c e so fas u r f a c ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e r nm a n u f a c t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ns u r f a c ed i g i t i z i n g ，m o d e l i n ga n dn cm a c h i n i n ga th o m ea n db r o a di ss u r v e y e d af a i r l yc o m p r e h e n s i v en cm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c hb a s e do nt h ec o m p u t e rv i s i o n ，p r e c i s i o nm e c h a n i s m c a d c a ma n da u t o m a t i o n t h em a i na n dc r e a t i v ew o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e da sf o l l o w s ：f o rk n o w ns u r f a c e ，t h ea d a p t i v es a m p l ep l a n n i n ga l g o r i t h mo ft r i m m e dn u r b ss u r f a c ei sp r e s e n t e db ym e a n so ft h ec o n c e p to ft h el a wo fg r a v i t y b yt h i sm e t h o d ，t h ep o s i t i o no ft h et r i m m e dc u r v e ss a m p l i n gp o i n t si nm o d e ls p a c ea r eo b t a i n e da d a p t i v e ly a n dt h em i n i m u mn u m b e ro fs a m p l i n gp o i n t so fs u r f a c ec a nb ed e t e r m i n e da c c o r d i n go ft h es a m p l i n gt o l e r a n c e t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sm e t h o di st h a tt h et r i m m i n gc u r v e sa n ds u r f a c es u b d i v i s i o na r eo b t a i n e di n d e p e n d e n t l yo fo n ea n o t h e ru s i n gd i f f e r e n tt o l e r a n c e b a s e do nt h ea b o v er e s u l t an e we v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m a n tc o l o n ya l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o nw h i c hi su s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fs a m p l ep l a n n i n g s i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t et h a ti ti sar o b u s ta l g o r i t h mb a s e do np o p u l a t i o na n dap r o m i s i n gw a yf o ro p t i m i z a t i o n o w i n gt ot h er e l a t i v ed i f f i c u l t yi na c h i e v i n gc o n t o u rt r a c k i n go n3 do b j e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t san o v e lc o m p l i a n tm e t h o db yc o m b i n i n gf u z z yc o n t r o lw i t hp r e d i c t i v em e t h o do fs a m p l i n gp o i n t sw h i c hi m p l e m e n t sc o n t o u rt r a c k i n go nu n k n o w ns u r f a c e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h em a s s i v em e a s u r i n gd a t a ，ad a t af i t t i n gm e t h o dc a l l e ds p l i t t i n gi sa p p l i e dt or e d u c et h en o i s ee r r o r so ft h em e a s u r e m e n t t h e nt h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sm e t h o d o l o g i e sa n da l g o r i t h m st h r o u g hw h i c hat h r e e - a x i sn cc u t t e rp a t hc a nb ed i r e c t l yg e n e r a t e df r o mm a s s i v ed a t ap o i n t so b t a i n e dn o n c o n t a c tm e a s u r i n gd e v i c e s a tt h eb e g i n n i n g ，az - m a pm o d e li se m p l o y e dt os e tu pm e s hp o i n t sw i t ht h ep r i n c i p l eo fc o n v o l u t i o nk e r n e la n db l o b b ya l g o r i t h mr o u g h c u tp a t h sa r ep r o d u c e db ym a c h i n i n gv o l u m e so fm a t e r i a lb a s e do nz - m a pm o d e l e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h ep r o p o s e dm e t h o d sp r o v i d e su s e r sw i t hm u c hm o r ef l e x i b i l i t y ,r e d u c e sm a c h i n i n gt i m e ，s i m p l i f i e sd e p e n d e n c eo nt r a d i t i o n a lc a d c a ms y s t e ma n dh a sg r e a tp r a c t i c a lp u r p o s e so nd i r e c tn cm a c h i n i n go f n cm e a s u r i n gs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es e r v oc o n t r o li nn cm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dr e a l - t i m ec o n t r o lu n d e rw i n d o w sp l a t f o r mi ss t u d i e dd e e p l y f i m t ly ，ap r e c i o u sm a t h e m a t i c sm o d e la b o u ts e r v oc o n t r o ls y s t e ma n ds e r v od r i v ei se s t a b l i s h e du n d e rs e r i o u sa n a l y s i so nt h eb a s i cs t r u c t u r eo fc l o s e dl o o ps e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dp o s i t i o ns e r v ol o o pc o n t r o la l g o r i t h mi sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o n s e c o n d ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do fv x d ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fv x da n dp r e s e n t st h eb a s i cm e t h o df o rd e v e l o p i n gr e a l t i m ec o n t r o ls o f t w a r eu n d e rw i n d o w sp l a t f o r m ，a n df i n a l l yw eg i v e se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n a tt h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n af a i r l yc o m p r e h e n s i v en cm e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o m p o s e do f d e v e l o p e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，w h i c hc a l le x p a n dt h eu s eo f t h et r a d i t i o n a ln cm a c h i n et or e a l i z em u l t i p l eu s a g eo fas i n g l en cm a c h i n e i na d d i t i o n ，a b o v em e n t i o n e dc o n t r o la l g o r i t h ma r et e s ta n dv e r i f i e de x p e r i m e n t si nn cm e a s u r e m e n ts y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h a to f d i g i t a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：l a s e rm e a s u r e m e n t ，f l e e - f o r ms u r f a c e ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，n cm e a s u r e m e n ts y s t e m ，n cd i r e c tm a c h i n i n gi v 第一章绪论= ：= =：= ：= = ：=：= = = ：= = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；1 1 引言第一章绪论二十世纪世界的一个重大变革是形成了一个统一的全球市场，每一个国家都不可能离开这个全球市场求得自身的发展。全球市场的急速发展，使得制造业面临愈来愈多的互斥目标( c o n f l i c t i n gg o a l s ) 和进退维谷的难题( d i l e m m a ) t ”。全球经济被对新事物无止境的追求牵引着，最明显的是技术的变革频率愈来愈高。这种现象告诉我们，未来的制造业将成为全球企业中的一部分。制造业是将可用资源与能源，通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品或生产消费品的行业，它是国民经济和综合国力的产业支柱，是决定国家发展水平的最基本因素之一。制造过程是制造业的基本行为，制造过程是在制造系统中实现的。制造系统是一个复杂的大系统，制造系统理论对于指导人们正确地研究、设计、制造、管理和运行制造系统及其制造自动化系统具有重要的作用，9 0 年代以后，世界各国竞相大力发展制造系统理论的研究，从制造业的发展例程我们也不难发现制造系统理论的重要性。3 0 6 0 年代f 2 1 ，制造业追求的是规模效益。美国首先提出了大规模、大批量、流水线生产，其代表是通用和福特两大汽车公司，并很快占领了美国和欧洲市场，当时欧洲的一些企业家没有意识到美国人创造的生产方式的优势和竞争性，使得美国迅速成为头号工业大国。7 0 年代，制造业更加重视降低产品制造成本，以日本为代表，发展了准时生产和精益生产方式，摒弃了流水线生产中所存在的库存大、周转慢的浪费现象，在不太大的批量下，仍然获得了低的成本和高的效益。8 0 年代，为适应市场和用户的要求，产品质量是企业界和各个制造商们的主要追求目标，因此相应地实施发展了质量控制技术和全面质量管理技术。质量观点从符合性质量进而发展到适用性质量，近年来叉向满意性质量进展。9 0 年代以来( 4 1 1 1 ，对市场的快速响应在工业发达国家成为竞争的焦点，随着信息高速公路建设，因特网在加速发展。一种全新的“网络经济”正在迅速形成。美国敏捷制造战略，利用信息高速公路，将分散的企业有效的组织起来，加速新产品的设计开发和制造。日本智能制造系统( i m s ) 计划的重点是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界的限制、彼此合作的高技术生产系统。德国“生产2 0 0 0 ”战略计划的研究重点包括了利用信息通讯技术，促使制造业的现代化、全球制造、企业协同和发展所需的标准等方面的内容。韩国1 于1 9 9 1 年底提出了“高级先进技术国家计划”( g 一7 计划) ，该计划包括c i m 和i m s ，计划用1 5 年时间，由政府和民间共同投资4 2 0 0_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 亿韩元来实施“先进制造系统”的研究与开发。由于日、美、欧都将智能制造视为2 1 世纪的制造技术和尖端科学，并认为是国际制造业科技竞争的制高点，且有着重大利益，所以他们在该领域的科技协作频繁，参与研究计划的各国制造业力量庞大，大有主宰未来制造技术的趋势。立足国情、面向企业需求，是我国开展对先进制造技术研究的一个重要指导思想。在研究我国制造业的发展策略时，应该是吸收消化国外理论并结合国情，提出具有我国特色的模式，探索2 】世纪中国制造业的发展道路。国家8 6 3 计划的c i m s 主题【”，以促进我国企业的信息化、现代化为宗旨，以提高企业市场竞争力、提高企业效益为目标，以信息技术、现代管理技术改造国有企业、支持新兴企业为切入点，用高新技术解决我国企业的难点和热点问题。同济大学张曙【1 2 1 等提出分散网络化生产系统的管理模型：汪应洛吸取了多种先进制造系统的特点，提出精简、灵捷、柔性生产系统的管理模型；唐任仲 1 1 1 等提出基于h o l o n 制造原理的低成本自动化制造技术。随着研究与应用工作的深入【“，人们逐渐认识到自动化程度的进一步提高依赖制造系统的组织能力，研究工作还面临一系列的理论问题、技术问题和社会问题，问题的核心是“智能化”。现代工业生产系统作为一个有机的整体要受技术、人和经济三方面因素的制约。从技术的角度来看，市场预测、生产决策、产品设计、原料定购与处理、制造加工、生产管理、原料产品的储运、产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响，构成生产的全过程，该过程的自动化程度取决于各环节的集成自动化水平，而生产系统的自组织能力取决于各环节的集成智能水平。根据目前我国企业的现状，通过大量的投资更新工艺装备、提高加工制造工艺水平和自动化程度是不可能的，也是没有必要的。在不作很大投资对现有设施进行技术改造的情况下亦能应用于集成制造系统，是我们在激烈的竞争环境中求得生存和发展的一条捷径：同时，由于市场环境变化的速度越来越快，自动化水平一步到位也是不现实的和不可取的，而必须根据需要逐步提高自动化程度。日本在战后3 0 余年从经济上几乎处于瘫痪状态一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国，和其善于引进国外先进技术并进行消化、吸收、创新分不开的。日本把引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来推行，其“吸收性战略”的一个主要手段即是反求工程，曲面数字化是反求工程的关键技术，其关系到反求工程系统的成败。计算机视觉技术由于能高速、非接触地提取物体的形状信息，且易于实现系统间的信息集成，故采用计算机视觉技术对物体进行数字化受到广泛关注。自由曲面由于形状复杂，直接由c a d 系统上生成满足功效要求且光顺的曲面模型十分困难。一般须先制作物理模型，用计算机视觉技术对物理模型表面数字化，得到一批三维散乱数据，依据这些基本数据，通过曲面重构构造出一个可以应用的几何模型，进行数据文件共享、曲面质量评估或曲面加工。由此可见，曲面测量、曲面重构和数控加工技术是实现反求工程、产品快速原形( r p m ) 的基础工作，是实现并行工程、敏捷制造、c i m s 等先进制造技术的重要技术支撑。论文即是在此基础上，对基于计算机视觉技术的非接触式测量、数学模型已知曲面的自适应采样、数学模型未知曲面的自动跟踪、数控直接加工和设备运行机制等基础技术进第一章绪论：= = = = = = ：= = = ：= = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = ；=行研究，在此基础上开发了一个基于激光点光源的曲面数控测量原型系统，该系统可通过行、列扫描方式快速提取被测物体表面形状信息，为最终形成统一的信息流并将c a d 、c a m 、c a i 等各个局部联系成一个有机的整体、实现制造过程的集成化、智能化打下坚实的基础。本课题的研究对c i m s 、并行工程、敏捷制造具有重要意义。1 2 课题概述1 2 1 课题来源本学位论文的研究得到以下科研项目的资助：( 1 ) 浙江省科学技术委员会重点科技攻关项目：“低成本及自动化技术研究”：( 2 ) 东风汽车集团公司合作项目：“平头车前风窗轮廓检测系统研究”；( 3 ) 浙江省先进制造技术重点实验室资助项目：“新型数控系统开发”。1 2 2 课题研究目的和意义一、课题研究目的在综述基于计算机视觉的非接触式数控测量系统研究现状、当前存在问题的基础上，面对竞争日益激烈的全球化国际市场及我国制造业相对落后、国内企业急需数控测量设备这一现状开展了课题研究工作。研究目的主要有以下几个方面：( 1 ) 基于设备集成思想，探讨在传统数控铣床上实现数控测量可行性，同时对数控测量、曲面建模、数控加工三者间信息集成思想进行研究；( 2 ) 对基于计算机视觉的非接触式数控测量系统所涉及的若干基础理论，如复杂曲面测点自适应分布、未知曲面自动跟踪策略、密集散乱数据的直接数控加工等进行研究；( 3 ) 基于传统数控铣床研制完成一个较为完善数控测量原型系统，为最终建立3 m 系统( 曲面测量、曲面建模、数控加工一体化系统) 提供相应理论和实验基础。二、课题研究意义在航空航天、船舶、汽车及模具制造业中，许多零部件具有复杂的自由曲面外形，对于这类零件的设计、加工、质量控制均较规则零件复杂。对于这类零件的设计，通常并不是从已知的理论数据开始，而是直接从塑造实物模型来进行的。例如，在飞机机体设计过程中，设计工作是直接在吹风模型上进行的。通过吹风模型试验，反复对吹风模型修改，才能找到最佳的设计结果。这种在实物模型上直接修改和试验的设计方法( 称模型化设计方法) ，导致原始理论数据失效。模型化设计方法的设计结果不是理论数据值，而是实物模型。实物模型不是设计的最终目标，还需将实物模型的几何模拟量精确地转换成c a d c a m 系统能够接收的几何数字量。这一关键步骤即为曲面数字化技术，它主要完成对实物模型三维采样，应用数学方法对采样得到的空间点进行滤波、数据压缩、曲面拟合等方法处理后，进行直接数控加工或输入到c a d c a m 系统中进行几何造型，并由此生_ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 。i - - 。- - 。1 1 1 成数控加工指令或用于曲面质量评价。因此曲面数字化可看作c a d c a m 系统实物模型三维扫描输入装置，大大加强了c a d 系统的设计能力，实现复杂型面的设计、加工、质量控制，从而缩短产品生产周期，提高经济效益和生产效率。传统三坐标测量机多采用接触式激光位移传感器，其缺点是测量速度慢、易划伤被测表面、存在接触压力和半径补偿等缺点。随着传感技术、计算机技术、c a d c a m c a i 技术及材料科学的迅速发展，基于激光光源的非接触式测量成为可能。从测量学观点看，非接触式测量可真正实现“零接触力测量”，这样有效避免了在高精度测量中测量力带来的系统误差和随机误差，且可方便实现对软质物体和超薄形物体表面形状的测量；另外还具有测量速度快、效率高等特点。面对竞争日益强烈的国内、国际市场及我国制造业相对落后这一现状，大量引进国外先进的测量设备( 如三坐标测量机) 对大多数企业来说并不现实，为此在企业现有设备( 如数控铣床或加工中心等) 基础上开发数控测量系统，实现一机多用，可为使用单位节约大量资金，符合我国国情。由此可见，对基于计算机视觉的数控测量系统若干基础理论和应用展开研究，无论在学术理论还是在生产实际中都具有重大实用价值，对促进我国数控测量设备国产化、缩短产品生产周期具有积极作用。1 3 文献综述1 3 1 自由曲面非接触式数字化方法传统的三坐标测量机多采用逐点触发或扫描的接触式测量，测量速度慢、效率低，易损伤被测表面，不能对软质材料和超薄形物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影响，应用范围受到限制。而基于计算机视觉的非接触式测量，具有非接触、扫描速度快( 可达到1 0 0 0 0 个坐标点每秒【5 2 】) 、扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响，现代曲面测量的研究已越来越集中在计算机视觉的无接触检测上i a 9 j “。基于计算机视觉的非接触式测量是现代测试技术的一个重要分支，它是以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。在物体的表面轮廓测量中，所需要的信息主要是三维数字化信息。使用传统的二维图像处理方法需要大量的计算方可获得三维信息，其所得的三维信息精度低。计算机视觉技术由于能高速、非接触地提取物体的形状信息，且易于实现系统间的信息集成，故采用计算机视觉对物体进行数字化受到广泛关注。为获取物体表面轮廓的三维信息，常采用以下两大类方法：被动三维传感和主动三维传感f i ”。被动三维传感是直接利用自然光得到的图像来获取物体三维信息，该方法得到的深度数据精度较低，某些方法只能得到景物相对距离的一些模糊概念，如根据遮挡提示的测距方法获得的物体与摄像头光学中心距离信息只是诸如“a 在b 前面”、“a 与b 等距”之类的定性描述。这类深度获取技术主要应用于早期的图像识别及作三维景物识别的场景分析。被动三维传感主要包含纹理梯度测距法( r a l l g ef r o mt e x t u r e ) 、聚焦原理测距法( r a n g ef r o mf o c u s ) 和立体视差测距法( s t e r e os c a n n i n g ) ，其中较有前途的方法是立体视差法，又称双目立体视觉。该方法根据双目成像原理，从不同角度获取同一景物的两幅或多幅图像通过图像匹配技术，分析并计算出景物的深度信息。该方法的主要困难是难以成功的实现图像匹配图像处理与分析的速度也太慢，且容易产生计量误差。相对于被动三维传感而言，主动三维传感是基于向场景发射能量( 如激光、超声波、x 射线等) 、利用特别光源所提供的结构信息来获取深度信息的技术，该方法测距精度高、抗干扰性能强，实时性强，应用领域非常广泛，较易直接得到被测物体三维轮廓信息。主动三维传感可分为时间调制和空间调制。时间调制分为相位测量法和飞行时间法。相位测量法是将基准栅板投影到被测物表面，形成被测物衰蕊调制的变形栅线图象，变形栅线图象中的相位值与被测表面高度值建立起一一对应的函数关系，通过相位值求得曲面三维信息。飞行时间法是利用光速和声速在空气中恒速传播的原理，由测距器主动发出光、电脉冲，在遇到物体表面时反射回来，根据脉冲在测距器与物体之间的飞行时间测量距离。空间调制又称为主动三角法，该方法是近年来研究较多、发展比较成熟的一种测距方法。该方法通过向被测物体表面发射一聚集光束( 点、结构光、线光或莫尔条纹) ，在被测表面上形成具有某一特定形状光斑( 半径约0 5 m m 左右的光点、窄细光带、光带族或其它结构光) ，然后根据反射光信息计算测量点或点群的三维坐标值。这种方法对被测表面质量要求较高，当反射率较低时，则造成较大的测量误差；反之，如果表面的吸收率较低，反射率较高，也会造成较大的测量误差甚至根本无法测量。因此如果被测表面特性不符合测量要求，测量前需对被测表面作适当处理。基于三角法测量原理的测量方法有很多。根据光源不同，可分为：点光源法、线光源法、面光源法、全息激光等。三角法的测量速度很快，其精度取决于感光设备的敏感程度、与被测表面的距离、被测物表面的光学特性等，该方法适合于在加工行业中实现尺寸控制和产品测量，是计算机视觉中最有前途的深度获取技术，近年来，受到越来越多的重视，并在一些工业场合得到了实际应用。主动三角法虽然应用很广，但存在无法测量物体内部轮廓的致命缺陷。对于一些复杂零件，不仅需要其外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据，尤其是在快速原型技术中的应用范围受到较大限制。为了解决上述问题，一种很自然的方法就是c t 扫描和核磁共振( m r i )技术，用c t 和m r i 可直接获取物体的截面数据。日本的n a k a i 和m a r u t a n i 提出【1 用c t和m r i 扫描数据重构三维数据的算法：而美国的一个主要c a d 供应商i n t e r g r a p h 已开发了一种能够把c t 扫描数据转换成 g e s 数据格式输出的软件。但是用c t 和m i u 获取的数据准确度太低，目前的最小层厚只能达到l m m ，用这种装置是无法作出实用的机械零件的。此外，c t 和m r i 的成本高，对运行的环境要求也高，再加上可测零件的尺寸和材料都有隈，因而不可能广泛应用于三维物体轮廓测量。值得注意的是，美国c g i 公司 s t l 开发了一种专利技术：自动断层扫描仪( a u t o m a t i cc r o s ss e c t i o ns c a n n i n a c s s ) 。利用该专利技术开发的r e l 0 0 0 再生工程系统采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法，能快速、准确、自动地测量零件的表面和内部尺寸，这是一个显著的优点。它的片层厚度最小可达o 0 1 3 m m ，测量不确定度为o 0 2 5 m m 。与工业c t 相比，价格便宜7 0 8 0 ，测量准确度显著提高，且实现全自动操作。但是这种方法为破坏性测量，对于贵重零件，则不宜采用，另外测量速度慢，一般零件的测量时间是8 9 h 。各种数据获取的手段各具有其优缺点，分别适用于不同的场合，在实际使用中可根据应用的领域、对测量精度、速度的要求以及被测对象的特性加以选择。另外在某些情况下，单一的扫描过程可能不能够获得所有的数据，需要进行多个扫描数据的融合。多传感器信息融合可实现多传感器系统中信息合成，形成对环境某一特征的一种表达方式，经过集成与融合的多传感器信息能完善地、精确地反映环境特征，j m r i c h a r s o n 和k a m a r c h 还从理论上证明了多传感器信息融合系统具有不低于传统的使用单一传感器系统性能的特点( 4 1 i 。近年来，国内外学者对多传感器融合及其在机械制造中的应用进行了大量研究与开发。v c h a n 和c b r a d l e y t 5 5 1 币l j 用摄像机定位扫描空间的被测物体，生成测量路径指导激光测头快速准确测量；m t a r c k 和j o w e n t “1 等采用类似的方法实现了对铣削零件的测量：为对流水线上小零件进行1 0 0 的检测，美国c o g n i s e n s e 开发了力场传感器阵列或多个激光传感器的组合，其检测速度可达每秒3 0 0 个零件等。由于多传感器融合的应用环境具有复杂多任务、多目标实时并行和多事件并发的特点，并且多传感器构成的信息获取和处理系统本身也具有实时、并行、多任务的特点，无论从研究的理论方面还是应用研究方面都还很不成熟，融合技术本身尚未形成完整的理论体系，大部分研究还处于仿真实验阶段，实际应用成功的例子很少，尚有大量的理论问题有待解决。但是就目前的状况来看，基于计算机视觉的非接触式测量的广泛应用尚受到以下三个因素的限甫0 ：( 1 ) 测量系统本身还不够完善。目前绝大部分的测量系统仅能完成单一产品的测量工作。为满足不同用户的特定要求，需要高水平的专业技术人员和程序员完成系统的调试、定标、设置和软件开发，而完成这些工作，对大多数用户来说是非常困难的。( 2 ) 现有的非接触式测量系统容易受到环境杂散光的影响，此夕 ，被测零件表面的反射光容易形成虚假影象，使得测量结果不可靠。( 3 ) 与c a d c a m 的接口问题。目前，c a d c a i 技术各自均已发展到相当成熟的程度，但将两者有机地集成方面的研究，与c a d c a m 技术相比，则开展的不够，尚远远不能满足生产实际的要求，防碍了设计制造检测一体化技术的实现。另外，检测系统的功能完善和智能化有赖于c a d 技术的支持。利用c a d 模型信息，将大大提高检测系统的性能和智能化要求。1 3 2 自由曲面测量路径规划自由曲面数字化是自由曲面设计制造与检测的关键步骤，数字化的实质是在保证要求6 控制精度的前提下，如何合理地确定采样点的数量及分布。传统“曲面一曲线一点集一测量点集”的递归分解方法是实现曲面数字化的基本思路。这种方法虽简单易行，但存在采样点多、数字化效率低、造型时网格生成过多，且不能真实地反映被测曲面的几何特征( 即形状变化平缓的区域生成网格很多，而形状变化剧烈的区域生成的网格反而少) 等缺点。为提高自由曲面数字化效率，确定合理的测量路径，国内外众多学者对此问题进行了深入的研究。概括起来可分为两大类：数学模型己知和数学模型未知自由曲面的数字化( 如图d 型篇黥量h 巫堕巫 下砸薄匦卜匦圃嘲磊匣l ；玉匝l 爿等间距扫描采样 刊仿形连续测量_ _ o 刊数控加工代码 刊数控加工i图卜l 曲面数字化、建模和数控加工集成一体化系统框图针对数学模型已知曲面的数字化方法，相应报道较多。k a m ”1 提出了几何分解方法完成曲面形状检测的思想，采用“曲面曲线点集测点集”的分解次序，实现从曲面到测点集的分解和曲面评价工作。王平江等l 基于同样的思想进行规划，并给出规划的优化算法。e a h k l ”】采用均布和随曲率变化的布点方法实现了模具型面的采样布点。l i t 6 0 i 依据质心概念，实现了基于曲率的形函数网格自适应分布该方法能自组织地形成拓扑网格，但选用何种曲率测度有待进一步研究。v a s i l e s c u “i 等研究了基于运动方程的结点动态模型曲面网格自适应划分：k o s t e r s l 6 2 】提出了角度参数化概念( a n g l ep a r a m e t e r i z a t i o n ) ，根据切线方向变化的速率实现了曲面采样点的自适应分布：a h n i “1 等利用k o h o n e n 提出的神经网络自组织特征识别原理实现了曲面网格的均匀和非均匀网格划分；c h m e n q 叫等研究了基于c a d 模型的面轮廓度精确测量方法，从工件的设计和加工过程进行分析，归纳了影响检测点数量的分布( 一个是设计时给定的公差范围，另一个是机床的加工能力) ，在此基础上给出了计算检测点数量的经验公式：西安交通大学的高国军瞰1 在文献【5 1 的基础上，提出了检测点按曲率分布的方法，并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加工曲面对应检测点数量的确定系数。数学模型未知曲面不可能在c a d 指导下进行数字化采样路径规划，有关此类曲面数字化采样规划的研究报道较少。王平江【2 2 1 等提出等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现非均匀网格的划分，该方法不仅要求已知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧长：文献【圳提出依据传感器的工作范围、入射角、采样弧长误差和最小曲率半径确定采样步长的方法，该方法没有考虑到曲面倾斜的影响，且由于以曲面最小曲率半径确定扫描步长，难免使采样工作量加大；yf z h a n g 等_ 8 1 人采用神经网络的方法对采样点数量的确定进行了研究，该方法的优点是，网络结构和网络参数确定后，适合网络范围采样点数量的计算非常简单，但网络的使用范围小，仅限于不同的加工方法下一定直径范围内的塑坚查堂兰圭兰竺兰兰兰兰些望坚些塑窭垒兰些董些呈兰至垒：一圆柱孔，在确定网络参数时要进行大量的加工实验来形成训练样本；白作霖等岬1 对基于坐标测量机的自由曲线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方向后( 手动测量两点)沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定的范围内初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快慢对步长动态调整。1 3 3 密集散乱数据点的后置处理非接触式曲面数字化系统得到的是大规模密集散乱数据点，数据点之间通常没有相应的显式拓扑关系，常被形象的称为“数据云”，其中还包括大量无用的数据，这样的数据是不适于定义曲面和产生c a d c a m 数据库数据。一般首先用数学算法将这类“数据云”进行工程的近似化处理，在不影响被测曲面精度的前提下，减少数据量，剔除疵点，减少曲面噪声，最终实现用某种特定的数学形式唯一地表达出这个三维曲面，以便采用丰富的c a d ( 2 a m 工程软件进行产品设计工作。目前对密集散乱数据点的后置处理，大多基于以下假设：数据是基于三坐标测量机或其它测量系统在单一方向测出的，例如从z 方向向下测量，所测出的数据在z 方向是单值的，国内许多曲面重建算法【，一堰口是基于这种假设：另外还利用了测量数据间隐含的相邻关系。即根据采集数据所采用的机械驱动装置和数据采集原理的不同，采集到的数据分布有完全散乱和呈一定规则分布两种类型。完全散乱数据是指数据没有任何规律、随意的；呈一定规则分布的数据是指其测量过程是按照一定的路径测量的，测量点之间的相邻信息也是显然的，如按照轮廓或层面进行测量将得到一系列扫描线，每个扫描线包含一系列的点。a c l i n 等【7 5 】利用这种测量数据有规律的特性，进行了测点数据拓扑关系建立及直接数控加工技术的研究。上述假设可提高测量点数据处理效率，具有一定的实用价值。密集散乱数据的后置处理可分三步进行：一是散乱数据滤波、压缩；二是散乱数据拓扑关系建立；三是曲面建模或直接数控加工。对数据进行滤波，已有大量的方法可供采用，例如弦高误差法、程序判断滤波、n 点平均滤波以及采用预测误差递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波算法等，这些方法在滤除干扰信号和随机误差方面都取得了较好的效果；b r a d e l y 7 “，s j 等先后提出了多种数据压缩方法，文献 7 6 】考虑到曲率变化，在工作站上人机交互地选择b 样条曲线的型值点，布点数随曲率的增大而增大，但效率较低且不易实现优化布点：文献 7 7 】采用体积剖分法压缩数据，但曲率变化较大时得到的仍然是散乱点；文献【6 5 1 先通过局部多重二次技术生成曲面的规则拓扑网格再进行n u r b s 拟合，但一般仅适用于曲率变化较小的地方；天津大学的来新民【2 6 l 等在文献 7 8 1 的基础上提出基于曲面曲率的自适应数据压缩方法，该方法首先用s h e p a r d 局部插值法拟合曲面，产生基于曲率信息的抽样拓扑矩形阵列，应用质心原理生成实际的拓扑矩形阵列。散乱数据常用的拓扑结构表示有两种：基于三角域的表示和基于四边域参数曲面的表示。三角模型是一种常用的数学模型，特别是在计算机图形学和动画领域尤为重要，受到人们的普遍重视，并且取得了长足的发展。这种模型是用一系列三角域彼此相连将整个区域封闭起来。三角化过程实质是用多面体模型来逼近和插值原始的散乱数据，三角形网格8 -生成技术发展到现在，已经出现了大量的不同实现方法，目前研究重点集中在如何提取特征线、如何简化网格、如何处理多视问题上，如何自动得到三角片的划分是其拓扑结构产生的难点。这种模型侧重于对离散点的分割，试图通过对离散数据的自动组织得到其拓扑结构，具有构造灵活、边界适应性好等特点，尤其适合于对散乱数据的处理：但该方法产生的三角片数目巨大、几何连续性差、与通用c a d c a m 系统接口不兼容等问题。目前绝大多数c a d c a m 系统