（材料加工工程专业论文）基于液面的产品数字化扫描装置的研制.pdf

摘要 摘要 逆向工程技术能够有效地缩短产品开发周期，己成为新产品开发、模具设计 制造等领域的一种重要方法。本课题研究的是逆向工程中的产品数字化技术，开 发一种基于液面的产品截面轮廓数字化扫描装置。这种扫描方法以液体为介质， 将产品置于液体中，液面与产品会形成截面轮廓，采集各个高度的截面轮廓，经 过图像处理，得到各截面轮廓的点坐标，形成产品的点云图，将点云图导入三维 软件，以建立c a d 模型，并实现产品的数字化再设计。本论文重点对该扫描装 置相关的硬件、软件及其实现方法进行研究和开发。 扫描装置主要包括运动控制系统、图像采集及处理系统、液面控制系统、标 定系统等软硬件。根据扫描装置的性能进行了运动控制系统的设计，优选 “p l c + p c 控制方案，运动控制系统硬件包括三菱f x 2 n 3 2 m tp l c ，2 m 5 3 0 驱动器和步进电机，改造的l u 定位滑台作为传动件，构成开环式控制，并按照 扫描运动要求编制控制程序和人机界面。图像采集及处理系统硬件上采用 “c c d + 图像采集卡”，采用模块化和面向对象的设计方法，将图像采集及处理 系统软件划分为：用户权限管理模块、系统参数设置模块、工作状态监视模块和 系统信息模块等四大功能模块，并对各模块进行了详细设计、软件编制和集成。 液面控制系统设计了一个机械装置，通过溢流孔排液控制液面高度。为提高精度 减少图像几何畸变，设计了一个孔状靶标，通过选择四个标定点，可以对系统进 行双线性标定。最后通过集成上述软硬件系统，研制出了实验装置样机和数据采 集处理系统，并进行了相关的实验研究。 实验结果表明，开发研制的基于液面的产品轮廓数字化扫描装置，通过较为 精密设计和准确的标定，采集精度较高，系统稳定可靠，所开发的软件界面友 好、操作容易，并实现了在线实时采集和处理，图像采集及处理、数据点获取速 度大为提高。也表明扫描装置能满足逆向工程的精度要求，智能化与实用性较 高。 关键词逆向工程；数字化扫描；液面；图像采集处理 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a l le f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，w h i c h h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e t h o di nt h ef i e l do fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dm o l dd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e t h i sp r o j e c tr e s e a r c h e si nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gp r o d u c td i g i t i z a t i o n t e c h n o l o g ya n dd e v e l o pap r o t o t y p es c a n n i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nc r o s s - s e c t i o n p r o f i l e t h i ss c a n n i n gs y s t e mw i t hal i q u i dm e d i u mm a k e st h ew o r k p i e c ei nl i q u i da n d a c q u i r ec r o s s - s e c t i o np r o f i l ei nd i f f e r e n th e i g h tw h i c hm a d eb yl i q u i ds u r f a c ea n d w o r k p i e c e a f t e ri m a g ep r o c e s s i n g ，o b t a i nt h ep o i n tc o o r d i n a t e so ft h ec r o s s s e c t i o n p r o f i l ew h i c hf o r map o i n t s - c l o u d g e tt h ep o i n t s - c l o u di n t ot h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r e a n ds e tu pam o d e lo fc a d ，t h e nd i g i t i z et h ew o r k p i e c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s c a n n i n gd e v i c eh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss c a n n i n gd e v i c ei sm a d eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，i m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e ma n dc a l i b r a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ep e r f o r m a n c eo fs c a n n i n g d e v i c e ，d e s i g n st h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds e l e c tt h e ”p l c + p c ”c o n t r o l s c h e m e t h eh a r d w a r eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sm i t s u b i s h if x 2 n - 3 2 m tp l c ， 2 m 5 3 0d r i v e ，s t e p p e rm o t o rd r i v ea n dt h ei a ip o s i t i o n i n gu n i t ss l i pa st r a n s m i s s i o n p a r t s ，w h i c h c o n s t i t u t ea n o p e n - l o o pc o n t r 0 1 p r o g r a m m i n g a n dh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ea r ei na c c o r d a n c ew i t l lt h er e q u i r e m e n t so fs p o r t s i m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mu s e t h eh a r d w a r eo fc c da n di m a g ec a p t u r ec a r d , w h i c hi sd e s i g n e d i nm o d u l a rm e t h o da n do b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d t h es o f t w a r eo fi m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m i sd i v i d e di n t o ：u s e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，t h es y s t e mp a r a m e t e r s e t t i n gm o d u l e ，j o bs t a t u sm o n i t o r i n gm o d u l ea n ds y s t e mi n f o r m a t i o nm o d u l ea n dh a sa d e t a i l e dd e s i g no fe v e r ym o d u l e ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n di n t e g r a t i o n l i q u i dc o n t r o l s y s t e mc l e v e r l yd e s i g n e dam e c h a n i c a ld e v i c et oc o n t r o lt h eh i g hl e v e lo fl i q u i d t h r o u g ht h eo v e r f l o wh o l e i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e d u c eg e o m e t r i c ， d e s i g n sah o l e - s h a p e dt a r g e t t h es y s t e mc a nb eb i l i n e a rc a l i b r a t i o nt h r o u g ht h e s t a n d a r ds e l e c t i o no ff o u rp o i n t s t h r o u g hi n t e g r a t i n gt h es y s t e mo fh a r d w a r ea n d s o f e w a r e ，d e v e l o p e sap r o t o t y p ea n dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，s t u d i e st h e r e l e v a n te x p e r i m e n t s a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g hp r e c i s i o nd e s i g na n da c c u r a t e c a l i b r a t i o n ，t h es c a n n i n gd e v i c eh a sh i g h e ra c q u i s i t i o na c c u r a c ya n dt h es y s t e mi ss t a b l e a n dr e l i a b l e ，t h es o f t w a r ei n t e r f a c ed e v e l o p e db yt h ef r i e n d l y , e a s ya n df u l l yr e a l i z e d o n l i n er e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g i m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n d o b t a i n i n gd a t ap o i n t sh a v eh i g h e rs p e e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e s c a n n i n gd e v i c ec a nm e e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t si nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dh a s h i g h e ri n t e l l i g e n c ea n dp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；d i g i t a l s c a n n i n g ；l i q u i d ；i m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：狐鹕 论文作者签字： 硼? 年 j 飞金 6 月i | 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 本课题来源于教育部科学技术研究重点项目：基于液面的产品数字化扫描方 法研究( 2 0 7 0 8 1 ) 。本课题研究的是逆向工程中获取实体模型数字信息的一种新 技术。 随着计算机辅助设计与制造技术( c a d c a m ) 迅猛的发展，逆向工程技术 被大量应用在机械、航空航天、车辆制造、家电、玩具、模具设计制造生产等诸 多制造业当中【1 1 。逆向工程，也称反求工程、反向工程等，是近几年来迅速发展 的一门工程技术它集光学、电子、自动控制、机械、计算机视觉和数字图像处 理等高新技术为一体以产品的实物、软件( 图纸、程序、技术文件和工艺流程 等) 、影象( 图片、照片) 作为研究对象，应用现代设计理沦、生产工程学、材料科 学和相关专业知识进行深入系统地分析和研究，进而开发出同类的产品。广义的 产品逆向工程包括形状( 几何) 逆向、工艺反求和材料反求等诸多方面，是一个复 杂的系统工程。由于产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是 最容易获得的研究对象，因此目前大多数有关逆向工程的研究大都集中在几何形 状，即重建产品实物的c a d 模型方面，称为“实物逆向工程”。 实物逆向工程以实物模型或样件作依据，通过测绘采集数据，实现原始模型 的数据化之后，建立三维c a d 模型，并利用c a d 模型进行再设计，继而将这 些模型和设计用于产品的分析和制造，并根据三维c a d 模型生成数控加工代 码，进行c a m 及后处理，从而生产出理想的产品【2 j 。其具体流程如图1 1 。 图1 1 产品实物逆向工程技术流程图 f i g 1 - l f l o wc h i n0 f r e v e r s ee n g i n e e r i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 逆向工程技术与以往开发产品时顺序不同，为产品的快速开发提供了一种途 径。尤其在对现有产品的改良设计中，逆向工程技术显得更加重要。目前，这种 从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为c a d c a m 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。 逆向工程的主要研究内容包括如下几个方面：数据采集、数据处理、模型重 建和模型的检验修正 3 1 。在逆向工程中，通常采用扫描系统如三坐标测量机 ( c m m ) 或激光扫描等来获取零件原形表面点的三维坐标值。然后对获取的数据进 行一系列数据处理( 如数据拓扑的建立、数据滤波、数据精简、特征提取与数据 分块等) ，按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方 法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。接着在c a d 系统中分别做表面模 型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接等逻辑运算获取零件原形表面的c a d 模型。最后根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样品，来检验重建的c a d 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程， 直至达到零件的设计要求。 1 2 产品的三维数字化测量技术 三维数字化测量技术近年来取得了迅猛的发展，零件的三维数字化是通过 特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。在此基础上， 就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，如何高效、高精度地对 样件表面进行数据采集，是逆向工程的主要研究内容之一。目前用来采集物体表 面数据的测量设备主要有：三坐标测量机、激光扫描仪、光学照相测量仪、工业 c t 和逐层切削照相测量仪等。根据测量方式的不同可以将三维数字化测量技术 分为接触式和非接触式两大类【4 】。接触式测量法可分为基于力变形原理的触发式 和连续扫描式测量法【5 】。非接触式测量法按其原理不同，可分为非光学式和光学 式。其中，非光学式包括c t 测量法等1 6 j ，光学式包括三角形法、结构光法、激 光干涉法等，光学式在非接触测量法中应用广泛。 1 2 1 接触式测量技术 接触式测量主要应用在三坐标测量机中，其测量传感器的主要形式为各种不 同直径和形状的探针( 或称为接触测头) 。目前三维接触式坐标测量机在实际的测 量过程中，采用扫描方式逐点地捕捉样品表面数据。这是目前应用最广泛的自由 第一章绪论 曲面三维模型数字化方法之一【7 1 。基本的工作原理是：当探针沿被测物体表面运 动时，被测表面的反作用力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将测出 的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐 标。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测 量方法分为单点触发式和连续扫描式两种1 8 】。 触发式测量方法的原理很简单，当采样头的探针刚好接触到样件的表面时， 探针尖受力会产生微小的变形，触发采样头中的开关，使数据获取系统记下探针 尖( 测球中心点) 的坐标，逐点移动，即可采集到样件表面的坐标数据。在触发式 数据获取过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触 到样件的表面后，探针需要沿样件表面法线方向退出以免因过量而折断，因此数 据获取速度较低。连续式测量方法采用模拟量开关采样头，它的原理是利用悬挂 在三维弹簧系统中探针的位置偏移所产生的电感或电容的变化，进行机电模拟 量的转换。当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各 坐标位置偏移量的电流或电压信号。由于数据采集过程是连续进行的，速度比接 触式触发采样头快许多倍，但精度低于采用接触式采样头的测量系统。 接触式测量方法的优缺点如下表所示： 表1 1 接触式测量的优缺点 t a b l el - 1t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o n t a c tm e a s u r e m e n t 优点 缺点 接1 ) 准确性和可靠性较高。1 ) 为了保证测量，往往需要制作专 触 2 ) 不受工件表面的反射特性、颜色门的夹具，费用较高。 式及曲率关系影响。2 ) 不当操作会损伤被测件表面。 测3 ) 适合于一般几何形状测量，能精3 ) 测量速度慢且无法测量柔软工 量确测量物体边界。件。 方4 ) 探头尺寸的缘故使得部分部位无 法 法测量。 5 ) 需人工干预无法实现全自动化。 6 ) 需对探头半径进行3 d 补偿。 随着科学技术的发展，接触式测量方法除了在某些特定的领域仍在使用外， 而逐渐被非接触式测量方法所取代 9 1 。 1 2 2 非接触式测量技术 非接触式测量法多采用深度映像技术和声、光、电磁等多传感器技术，三维 广东工业大学工学硕士学位论文 信息获取大多基于计算机视觉原理，需要结合摄像机拍摄的图像和目标与图像传 感器的位置关系。根据是向目标投射光以主动成像，还是不使用附加光源直接拍 摄目标图像，这类方法又分为主动式和被动式两类。主动视觉的典型方法包括结 构光法和编码光法；被动视觉则使用单目、双目和多目视觉方法，根据在不同的 位置架设的单个、两个或多个相机拍摄目标物体，然后使用s h a p ef r o mx 方法或 者多相机图像中的对应点视差来获得目标深度。非接触式三维信息获取的其它方 法还有从光栅相位调制获得深度的m o i r e 技术；从时间，相位或波束频率获得距 离信息的雷达声纳测距法；从光相位调制获得深度的全息干涉技术；从清晰模 糊获得深度的透镜聚焦方法；获取结构信息的自动断层扫描技术等1 0 】。以下介绍 几种主要的非接触式三维数字化测量方法： 1 、结构光法 结构光法的基本思想是使用结构光投影的几何信息求得景物的深度信息。它 是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术，用具有特殊结构形状的光源投射 到待测物体上，形成光条纹，再由相机拍摄被测物体，根据光源与相机的相对位 置，按照计算机视觉的理论，由光条纹的形状可以计算出被照射点的三维坐标， 这种方法又称为光条法【l i - 1 2 1 。结构光图像中物体表面的光亮条越密，所得数据的 分辨率越高。此方法的优点是系统结构简单，测量速度快，可以唯一确定各测量 点的决定高度信息，自动分辨物体的凹凸变化。 近年来，由于新型半导体激光器和新型光电检测元件( 如c d d 和p s d ) 的 不断发展和完善，使得结构光三维信息获取系统在小型化和高精度及高速度化等 诸方面均有了长足的进展。目前，对该方法的研究主要集中在精度的提高上。已 经有相当多的三维扫描仪产品是基于此原理开发的。如d i m e n s i o n 3 d 系列 s c a n s t a t i o n ，g e o m e t r i x 公司的3 s c a n ，3 d s c a n n e r 公司的r e v e r s a 系列产品，还 有p o l h e m u s 公司的f a s t s c a n 等。 2 、投影光栅法 其原理是通过时间、空间、彩色编码的光源帮助来确定物体表面的空间位 置。光线通过一光栅投射到景物表面，其反射光回到光栅处与新的发射光产生干 涉，在接收器上出现莫尔条纹，也即莫尔条纹是两束光在传播路径中发生干涉在 物体表面的黑白相间等距线，对等距线图像进行梯度运算，由此可以计算出距 离。比如g o m 公司的a t o s 系列产品，将一系列的多个不同空间密度的光栅投 第一章绪论 影到物体表面，形成一块待测区域，用数码摄像机获取物体形状( 光栅变形) 信 息【1 3 】。 3 、立体视觉法 立体视觉法是被动式方法的代表，它是一种仿效人眼观察物体的方法，包括 单目立体视觉，双目( 或者更多) 立体视觉【1 4 】。单目立体视觉就是根据在单个视 点下摄取的单幅景物图像，或者是同一视点不同状态下摄取的多幅图像，通过对 物体表面特性、光照特性进行分析，利用光度学和图像处理等技术来恢复出空间 景物的三维信息。双目立体视觉模拟人的视觉方式，以两部位于不同位置的相机 对同一目标拍摄两幅图像，得到一组“像对”。对于目标上的一个采样点，它在 两幅图像上都成像，根据它在两幅图像中的像点和相机位置，可以引出两条“视 线”，计算它们的交会点坐标，就是采样点的空间坐标。双目立体视觉是目前视 觉测量技术的发展重点。在工业应用中，立体视觉常用于大尺寸测量或目标的定 位，或作为某种测量方法的辅助手段。 4 、脉冲测距法 这一类方法由测距器主动向被测物体表面发射探测信号，信号遇到物体表面 反射回来，依据信号的飞行时间或相位变化，可以推算出信号飞行距离，从而得 到物体表面的空间位置信息。通常用激光或超声波作为探测脉冲【1 5 1 。基于这一原 理的激光干涉仪，精度可达光波长量级。但它需要在物体上放置专门的反射体， 即属于有导轨测量，其应用范围受到很大限制，不能用于三维扫描。对于无导轨 测量，目前基于这种技术，不少公司开发出了用于较大尺度的测距场合( 如战 场、建筑工地等) 的产品。但对于小尺度场合的物体扫描，这类方法最大的困难 在于探测信号和时间的精确测量，时间上一个很小的误差，乘上光速，得到的距 离误差就很大。通常采用经过调制的激光，根据反射的调制波的相位变化来推算 距离。此方法一般每次测量物体表面一个点，配合机械装置的扫描运动，完成对 整个表面的扫描测量。而且不涉及图像处理问题，受遮挡的影响小，但对装置中 的脉冲探测和时间测量设备精度要求高，扫描速度慢。 5 、图像分析法 其基本思想是依靠物体或摄像机运动，得到多帧序列图像，通过对此图像序 列中特定目标的数学分析和三维运动参数的计算，可从中获得物体的三维信息。 选为图像序列分析的目标一般为点、线、实体轮廓和光流。早期基本上以单视点 广东工业大学工学硕士学位论文 影象作为研究对象，对运动的分析存在非线性、相对性和解的不稳定性问题，为 了解决这一问题，出现了双视点和多视点的运动恢复方法，但这又引入了立体像 对中两幅图像之间立体匹配的问题。从图像中物体的轮廓能估计轮廓所围表面的 方向【1 6 1 。能在图像中产生轮廓线的基本方式有四种：物体离观察者距离的不连 续性；表面朝向的不连续性：表面反射率的变化；阴影、光源强光部一类 照明效应。利用轮廓信息，可以在一定程度上恢复物体表面的三维信息。 6 、层切法 此法将所测物体逐层切片( 一层一层地磨掉或切削掉) ，获得每一层的二维 图像，然后利用所有的图像层信息恢复所测三维形体，同时还能获得物体表面和 内腔的立体信息，特别适合于具有复杂内部结构零件的三维测量【1 7 1 引。但是，它 是一种破坏性的处理过程【1 9 】，测量结束后工件原型被完全破坏，很多情形不宜采 用。 7 、工业计算机断层扫描成像法 工业计算机断层扫描成像( 简称i c t ) 是对产品实物经过i c t 层析扫描后，获 得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结 构的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析；还可以提取产品工 件的截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型【2 0 1 。i c t 的最大优点 在于它能测量工件内部断面的信息并且不损坏实物，它是测量没有备件或复制品 的复杂形状结构实物的唯一方法。但它存在空间分辨率较低，获得数据需要较长 的积分时间，重建图像计算量大、成本高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓， 精度较低。 非接触测量方法获取的数据不一定比接触式测量所得的准确，但因其测量速 度快，不需要误差补偿等因素使其发展较快。综上所述，相对于接触式测量方 法，非接触式测量主要有以下优点【2 i 】： 1 ) 一般不需要专门的夹具。 2 ) 不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 3 ) 测量速度快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。 4 ) 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 非接触式测量也存在缺点【列，主要有： 1 ) 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测器p s d ( p o s i t i o n 第一章绪论 s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 来检测光点位置，目前p s d 的精度仍不够，约2 0 9 i n 以上。 2 ) 因非接触式探头大多是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面 的反射特性、受环境光线及杂散光的影响的影响，如颜色、斜率等，故噪声较 高，噪声信号的处理比较困难。 3 ) 非接触测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以 及不连续形状的处理较困难。 4 ) 使用c c d 作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，因几何形状变 大时成像会失焦，成像模糊。 5 ) 工件表面的粗糙度会影响测量结果。 随着科学技术的不断进步，及为了满足工业生产的实际需求，三维数字化测 量技术所使用的设备的发展有如下几个趋势：接触式和非接触式扫描方式的融 合；测头的多样化；高精度；小型化，方便化。 1 3 课题的主要研究内容及安排 本课题的主要目的和要求是研制和开发一种具有自主知识产权的基于液面的 产品数字化扫描装置。课题的主要研究内容是设计系统，开发样机。整个装置系 统不仅有硬件设计还有控制软件设计，核心是研究运动控制系统、图像采集及图 像处理系统、液面控制等的硬件和软件设计。具体研究内容及方法按章节安排如 下： 第一章为绪论，介绍本课题的来源、背景及研究意义，综述逆向工程中产品 的三维数字化测量技术以及国内外在相关领域的研究情况。 第二章对基于液面的产品数字化扫描装置的总体方案进行设计分析，介绍扫 描系统的工作原理和结构，建立系统数学模型，分析结构和性能要求。针对系统 的性能要求，对运动控制、图像采集及处理、液面控制进行方案的分析和对比选 择。 第三章为扫描系统的软、硬件体系及其实现技术，分五节来具体介绍系统的 实现技术。首先设计运动控制系统，针对扫描系统运动控制的特点，对运动控制 系统的上位控制器、执行元件中电机和驱动器进行设计和选择，根据运动控制要 求编制p l c 程序和人机界面。然后，在图像采集及处理系统的设计中，对图像 采集卡、c c d 、镜头进行选型，根据图像采集及处理系统的功能编制软件，并对 广东工业大学工学硕士学位论文 软件的各功能模块进行了详细设计。在液面控制系统中，对机械装置进行设计， 并比较加液与排液两种液面控制方式。在标定系统中，首先对标定理论进行了概 述，然后对系统进行标定。最后介绍了系统的软、硬件集成，实现系统一体化的 要求。 第四章系统调试与实验研究，介绍实验装置的调试方法，然后设计实验方 案，对系统进行精度验证和产品实例实验，验证系统的可行性和实用性。 最后在结论中综合阐述了本文的主要研究成果，并对今后的研究工作进行了 展望。 1 4 本章小结 本章介绍了本课题的来源、背景和研究意义，概述了三维数字化测量技术以 及国内外在相关领域的研究情况，最后指出了本论文的主要研究内容和各章节内 容安排。 第二章基于液面的产品数字化扫描装置总体方案 第二章基于液面的产品数字化扫描装置总体方案 基于液面的产品数字化扫描装置总体方案的介绍，主要包括工作原理及系统 结构、运动控制系统设计方案分析与选择、液面高度控制设计方案与选择、图像 采集与图像处理设计方案与选择。 2 1 扫描系统的工作原理及数学模型 2 1 1 扫描系统的工作原理 当物体浸入液体时，在液体表面与物体接触部分就会产生一个液固接触线， 如不考虑浸润现象，实际这个液固接触线就是物体在该位置的截面轮廓。如果改 变液面高度，就可以获得物体各个截面的轮廓。 根据这个原理，将产品放入容器中，向容器中注入低透光度并与产品颜色反 差大的液体，使产品位于液体的液面下方的部分看不见，则液面与产品之间接触 线明显反映了产品在该层面的外部几何形状。利用注入液体或排泄液体方式，改 变液面高度，在保持相同物距( 即光学测量装置与液面之间的竖直高度相同) 的 情况下，通过光学测量装置逐层获取产品外部几何形状的图像。各层图像通过图 像处理提取边缘矢量化获得轮廓点的三维坐标值，再通过计算机几何建模软件就 可以进行重构，获取产品模型。 2 1 2 扫描系统的数学模型 物体零件表面一般有多个表面组合而成，假定零件坐标系0 x y z ，每个表 面可以用函数表达为f i ( x ，y ，z ) ，物体表面用f ( x ，y ，z ) ，则有【2 3 】： f ( x ，y ，z ) = 饵( x ，y ，z ) ，e ( x ，y ，z ) ，( 工，y ，z ) ) ( 2 1 ) 其中组成物体的每个表面f i ( x ，y ，z ) 的x y z 区间范围不一样。 假定组合表面可以积分表达： f ( x ，y ，z ) = 删厂( x ，y , z ) d x d y d z ( 2 2 ) 如只对z 向进行积分，则： f ( x ，y ，z ) = i f ( z ，y ) d z 占 ( 2 3 ) 广东工业大学t 学硕士学位论文 本扫描系统实际上就是对物体表面f ( x ，y ，x ) 进行逐层离散，如对z 方向用 z 间距离散为1 1 个截面，每个z 值下的截面曲线表达为f ( x ，y ，z j ) ，则f ( x ，y ，z ) 可以近似表达为： f ( x ，y ，z ) = z ( x ，y ，z 1 ) ，l ( x ，y ，z 2 ) ，六( x ，y ，z 。) ) ( 2 4 ) 在某个z 值下，将f ( x ，y ，z 1 1 ) 简化表达为f ( x ，y ) 。f ( x ，y ) 的几何含义就 是产品的截面曲线。 在图像采集时候，就是获得物体某个截面包括背景在内的图像，真实的图像 表达为h ( x ，y ) ，物体截面轮廓f ( x ，y ) 实际上就是真实图像h ( x ，y ) 的 边缘。图像坐标系为o x y ，采集到的实际图像为h ( x ，y ) 。假定光学系统传 递函数为s ，h ( x ，y ) 就是h ( x ，y ) 通过s 的传递和映射。这个过程可以表 达为： h ( x7 ，y ) = s h ( x ，y ) 】 ( 2 5 ) 如果用点来表示，上式也可以表达为： x = s 1 ，y ) y s 2 ( x ，y ) ( 2 6 ) s 1 和s 2 是光学系统传递函数s 的分解表达。 边缘处理过程就是对图像的边缘识别和处理，图像边缘是实际图像h ( x ， y ) 的一个子集。而假如知道在物体的真实图像h ( x ，y ) 和采集到的实际图像 为h ( x ，y ) ，就可以获得光学系统传递函数为s 。这就是标定的过程。 而本扫描系统实际上通过获得的实际图像边缘曲线f ( x ，y 。) 来获得未知物 体真实的图像边缘曲线f ( x ，y ) ，这可通过光学系统传递函数的逆函数来表达， 这个过程可以表达为： h ( x ，y ) = s 一【j l i ( j ，y ) 】 ( 2 7 ) f ( x ，y ) = s i f ( x ，y7 ) 】 ( 2 8 ) 如果用点来表示，上式也可以表达为： x = s i ( x ，y7 ) y = 墨( z ：y ) ( 2 9 ) 奸和是光学系统传递函数逆s 一的另一种表达。 在实际采集过程中，随着液面的下降，采集的图像是一组时间序列的图像， 每幅图像表达为h ( x ，y ) ，那么，完整采集物体每个截面组成的时间序列的图 第二章摹于液面的产品数字化扣描装置总体方案 像可以表达为： 图像序列2 坷( x ，y ) ，必( x ，y ) ，群( x 7 ，y ) ) ( 2 1 0 ) 或图像序列：办( x ，y ，f ) ( 2 1 1 ) 由于t 为高度z 的单调函数： t = k ( z ) 通过不同的t 得到不同的z ，结合每一个t 处理图像序列， 以得到所有产品轮廓，就可以获得式2 1 3 ： f ( x ，y ，z ) = z ( x ，y ，z 1 ) ，厶( x ，y ，z 2 ) ，厶( x ，y ，z 。) ) ( 2 1 2 ) 同样通过逆变换，可 通过图形处理的曲面重构，就可以获得产品的形状模型f ( x ，y ，z ) 2 2 扫描装置的结构及工作流程 2 2 2 扫描装置的结构 由扫描系统的工作原理，设计扫描装置的结构，如下图2 - 1 所示。 图2 1 扫描装置结构图 f i g 2 1t h es m l c t u r eo fs c a n n i n gd e v i c e ( 2 1 3 ) 扫描装置主要由如下几个部分组成： ( 1 ) 运动控制系统。包括了控制器和执行机构。其中执行机构包括由滚珠丝 杠、螺母、滑块构成的传动机构和由电机及驱动器构成的驱动系统。 ( 2 ) 图像采集及图像处理系统。主要包括了图像采集卡、c c d 图像传感器、镜 广东工业大学工学硕士学位论文 头。 ( 3 ) 液面控制系统。液面控制装置控制液面高度，反映液面的高度信息。 2 2 1 扫描装置的工作流程 根据扫描装置的原理，可拟定扫描的工作流程为： 1 ) 首先将物体外表面喷涂上均匀的反差剂，配制溶液，物体轮廓与液面颜色 有一定的对比度，然后将物体装夹到容器的工作平板上。向容器加液直至液面覆 盖物体最上端点，检定排液流速，根据物体大小、采集层数确定每层排液时间。 2 ) 将光学装置和液面控制装置固定在设备横梁上。确定物体的第一个测量位 置，并调整液面和光学装置的距离h ，使采集到的图像具有最佳效果。 3 ) 开启运动控制装置、图像采集装置和液面控制装置，采集第一个测量位置 的图像。 4 ) 运动控制装置带动光学采集装置和液面控制装置下降一个距离到第二个测 量位置，排液，液面下降，当液面与光学装置相对高度又为h 时，液面停止下 降，同时启动光学装置采集此时高度的图片。采集结束，光学装置又下降h ，排 液、采集，依次进行，即可获得物体零件各个高度上截面的图像数据。 5 ) 通过计算机处理系统将扫描图像进行图像处理，由于液体和物体有明显的颜 色差异，通过图像处理可以得到图像边缘，获取液面和物体零件的轮廓，再矢量 化获得产品轮廓的物理数据点坐标。 6 ) 通过标定得到的物象对应关系，校正点坐标信息。 7 ) 最后将校正后的点坐标信息导入c a d 建模软件，可最终获得物体的几何模 型。 2 3 运动控制系统设计方案与选择 扫描系统要求图像传感器在高度z 轴方向移动，因而运动控制系统的主要任 务是控制电机的运动。 2 3 1 运动控制系统的控制方式 运动控制系统按照位置控制，即有无位置反馈及位置检测传感器部位，可分 为开环控制、半闭环控制和闭环控制【2 4 - 2 6 。 开环控制系统主要由上位控制单元、执行机构和被控对象组成，没有位置反 馈装置，如图2 2 。执行机构中的驱动电机一般采用步进电机。这种控制方式控 第二章基于液面的产品数字化扫描装置总体方案 制方便，结构简单，价格便宜。控制系统发出的位移指令信号流是单向的，所以 不存在稳定性问题，但由于机械传动误差不经过反馈校正，位置精度一般不高。 i 者篓h 雾h 嚣卜圃 单元ii 单元ii 电机i 。i 型 图2 2 开环控制系统结构框图 f i g 2 2t h eb l o c kd i a g r a mo fo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m 半闭环控制系统中，位置检测装置安装在伺服电机的轴上，通过检测电机的 角位移而间接测量运动机构的实际位置，如图2 3 。由于具有位置反馈比较控 制，可获得较好的位置精度，不过，由于传动链的一部分在位置闭环以外，环外 的传动误差得不到系统的补偿。 图2 - 3 半闭环控制系统结构框图 f i g 2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo fs e m i - c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 闭环控制系统中( 图2 - 4 ) ，检测元件将执行部件的位移、转角、速度等变换 成电信号，反馈到系统的输入端与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按 照减少误差的方向控制驱动电路，直到误差较小到零。系统传动链的误差、闭环 内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，系统的定位精度可达 0 0 0 1 - o 0 0 3 m m ，但由于工作台转动惯量大，系统容易振荡而不稳定，使调 试和维修较困难，且由于系统复杂和成本高，故适用于高精度或大负载的场合。 图2 - 4 闭环控制系统结构框图 f i g 2 4t h eb l o c kd i a g r a mo fc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 广东工业大学工学硕士学位论文 由于开环控制系统设计简单，成本低，控制方便，虽然精度不高，但由于逆 向工程中再设计特点对精度要求不高，一般在o 3 0 0 5 m m 范围内，所以本扫描 系统拟采用开环控制系统。 2 3 2 运动控制系统的方案 随着微电子技术、计算机技术的进步，开始采用专用计算机组成的数控系 统，不同厂家自行设计出来的封闭式专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编 程语言、非标准化接口等缺陷。导致各控制系统之间互连能力差，给用户的使用 与维护带来很多不便，为了适应制造业市场变化与竞争，封闭式专用系统走向开 放，开放式数控系统具有系统互换性、可伸缩性、可移植性、可操作性、可扩展 性。其应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其他系统的应用程序 互操作，能够提供一致性的人机交互界面。基于p c 的开放式数控系统有以下几 种方案f 2 7 9 1 ： 1 、专用c n c + p c 型 即在传统的专机数控中简单地嵌入p c 技术，使得整个系统可以共享一些计 算机的软、硬件资源，计算机主要起到辅助编程、分析、监控、指挥生产、编排 工艺等工作。这种数控系统由于其开放性只在p c 部分，其专业的数控部分仍保 持了原有的封闭性。 2 、运动控制卡+ p c 型 这种类型的控制系统是将运动控制卡插到p c 的扩展槽中。运动控制卡利用 了以d s p 为核心的多轴运动控制技术，其主要特点在于它的集成化、兼容性和 高速性。这类系统中，p c 机一般处理各种非实时性的任务，比如人机交互界 面、加工图形显示等：而插补、位置控制、速度控制等实时性要求很高的任务则 由运动控制卡来完成。运动控制卡配有开放的函数库以供其用户自行开发、构造 自己的控制系统。这种类型的开放式数控系统，可以充分利用p c 的丰富的软硬 件资源，并且软件开发周期短，通用性好。 3 、p l c + p c 型 p l c 采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序 控制定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出 控制各种类型的机械或生产过程。 第二章基于液面的产品数