本科逆向工程测量设备PPT学习教案

1、会计学1本科逆向工程测量设备本科逆向工程测量设备n 测量方法本身的精度n 仪器的校准n 测量范围的限制n 夹具阻挡、样件自身结构阻挡n 采集数据的局部缺少n 被测物体表面的光洁度n 零件数据的统计性分布第1页/共46页n 接触式测头种类及其工作原理 (a)硬式测头 (b)触发式测头 (c)模拟式测头接触式测头工作原理图第2页/共46页n通过手动测头接触工件表面，由人眼及感觉做出判断，再利用脚踏开关触发。记录触发时接触点坐标值。n由于接触力的大小和接触点的判断完全依赖于操作者的感觉，极易产生误差，多用于精度要求不太高的小型测量机，成本较低、操作简单。n按形状可分为圆锥测头、圆柱形测头、球形测头、

2、回转半圆和回转四分之一柱面测头、盘形测头、凹圆锥测头、点测头、V形块测头及直角测头等。第3页/共46页 采用硬式测头的小型测量仪MicroScribe，主要用于实验室教学时对较小实物模型的测量。精度0.3mm左右。第4页/共46页n 触发式测头利用电子开关机构，当测头碰到样件表面，由接触力控制电子机构的开关，由电信号的通断控制坐标值的读取。n 触发式测头的触发信号由电子开关控制，故其重复性、准确性较高，测量精度可达1m甚至更高，是现代三坐标测量机最常用的测头。n 按照测头电子开关机构所用的传感器可以将触发式测头分为电触式测头、压电式开关测头、应变片式测头。第5页/共46页n 模拟式（扫描式）测

3、头在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。n 若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。 第6页/共46页n三坐标测量机是典型的接触式测量设备，20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业部门。起初是作为一种检测仪器，对零件和部件的尺寸、形状及相互位置进行检测。此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，由于三坐标测量机具有对连

4、续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此一开始就被选为逆向工程的主要数字化设备并一直使用至今。第7页/共46页n三坐标测量机基本原理 将被测物体置于三坐标机的测量空间，它通过感知测量头与工件表面的接触，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据测点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。在三坐标测量机上装置分度头、回转台（或数控转台）后，系统具备了极坐标（柱坐标）系测量功能，这种具有X、Y、Z、C四轴的坐标测量机称为四坐标测量机。按照回转轴的数目，也可有五坐标或六坐标测量机。 第8页/共46页n三坐标测量机需要三个方向的标准器(标尺)，利用三个相互垂直的导轨实现沿相应方向的运动，

5、还需要三维测头对被测物进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。第9页/共46页第10页/共46页n主机n 框架结构 n 标尺系统 n 导轨 n 驱动装置 n 平衡部件 n 转台与附件 第11页/共46页n三维测头 三维测头可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头、电气测头、光学测头等。第12页/共46页n电气系统n 电气控制系统n 计算机硬件部分n 测量机软件n 打印与绘图装置第13页/共46页n 将三坐标测量机应用在逆向工程中，测量可通过人工

6、操作逐点测量，也可通过编制测量程序进行测量规划实现连续或间断式数据测量，采集曲面的外形数据。在逐点式扫描测量时，通常是将测头在横向以等速或等间距逐点移动，再以等时间或等间距位置量取样件在Z轴的坐标。但当工件轮廓有明显起伏变化时，需要增加测量点来提高分辨率，最简单的方式是取（X+Z）为常数，X、Z分别是横向和纵向坐标的步长。当Z变大时，X变小，测量点将更加密集。即当样件斜率变大时，测量速度减慢，此动作称为速度跟踪。第14页/共46页n 三坐标测量机的主要特点 不受物体表面颜色及光照的限制；对物体边界也能产生较准确的测量结果；测量精度高（一般能达到u级）；由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的

7、细节数据；不能测量软材料物体；测量速度受到机构运动的限制；测量过程需要较多人工干预，对大型自由曲面产品的测量效率较低。第15页/共46页n 机械手式测量机也是一种接触式测量设备，与三坐标测量机相比没有精密的工作台、立柱、导轨等装置，机械手臂为关节式机构，具有多自由度。可用作弹性坐标测量机，传感器可装置在其爪部，各关节的旋转角度可由旋转编码器获取，由机构学原理可求得传感器在空间的坐标位置。使用时操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，并通过串口线传回测量软件。这种测量机几乎不受方向限制。可在工作空间做任意方向的测量，一般用于大型钣金模具件的逆向工程测量。

8、n 特点：精度相对CMM要低些，但测量范围大，受被测物体的体积、形状等的限制较少，测量机本身结构小巧，测量方式相对灵活，适合在线测量。其他方面与CMM相似。第16页/共46页n非接触式测量主要运用光学原理进行数据采集，主要方法有激光三角形法、激光测距法、结构光法、图形分析法、干涉测量法等，光学测量设备具有测量速度快、自动化程度高等优点，由于没有接触压力和摩擦力，消除了样件受力变形导致的测量误差，非常适合对各种复杂模型快速地进行大规模数据采集。第17页/共46页n光学测量法是通过将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点1.激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离

9、。2.图像分析法是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标。3.激光三角形法利用光源与影像感应装置（如摄像机）间的位置与角度来推算点的空间坐标。第18页/共46页4.干涉测量法的原理是由一个光源射出的一束光(指定的入射光) 经分光后产生的两束光分别射向参考平面和目标平面，反射后的两束光相互干涉，呈现出相应的干涉图样，通过分析指定的入射光的波长与干涉图样间的关系而测得目标平面与参考平面间的距离。5.结构光法将一定模式的光，如条形光、栅格状光，投射到被测物体表面，并捕获光被曲面反射后的图象，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面的三维点坐标。最典型的结构光是投影光栅

10、。其原理是把光栅投射到被测样件的表面上, 光栅影线会因受到样件表面高度的调制而发生变形, 通过解调变形的光栅影线来确定样件表面的高度。结构光法与图象分析法的主要不同是该方法需要投射具有一定模式的人工光源，这种方法中最典型的是莫尔干涉条纹法。第19页/共46页光电检测器zox测量范围激光束激光发生器聚光镜成像镜成像镜第20页/共46页n工作距离大，离样件表面很远处也可对工件进行测量。n测量范围大，大测量范围导致的非线性误差，可以通过标定，利用软件进行修正。n测头不与被测物体接触，能对松软材料的表面进行数据采集，并能很好地测量到表面尖角、凹陷等复杂轮廓。n数据采集速度很快，对大型表面可在CMM或数

11、控机床上迅速完成数据采集，无需测头补偿。n价格较贵，杂散反射，对于垂直壁等表面特征会影响采集精度。n对被测材料、表面粗糙度、反射特性敏感，精度一般比CMM略低。第21页/共46页n激光三角法分为点测量、线测量和面测量第22页/共46页n单点式激光三角测量常采用直射式和斜射式两种结构 激光器发出的光线，经会聚透镜2聚焦后垂直入射被测物体的表面3上，物体移动或表面变化，入射光点沿入射光轴移动。接受透镜接受来自入射点出的散射光，并将其成像在光敏位置探测器5敏感面上，若光点在成像面上的位移为 ，按下式可求出被测面的位移 。1sincosaxxbxxx直射式第23页/共46页斜射式是激光器发出的光和被测

12、面的法线成一定角度入射到被测面上，同样用一透镜接受光点在被测面的散射光或反射光，若光点的像在探测器敏感面上移动，则物体表面沿法线方向的移动距离 为：x斜射式11212cossin()cos()axxbx第24页/共46页n采用线光源照明的三角传感系统使用二维面阵作为接收器件，只需要附加一维扫描就可以形成完整的三维面形状数据。以线光源照明的三角法也称光切法。激光束经柱状透镜扩束并准直后成为一束很薄的片状光束投影到样件表面，载有样件的平台沿给定坐标方向以一定速度平移，完成投影光在表面的扫描，在另一方向上用面阵CCD光敏面上的像为一曲线，计算该曲线上象素点偏离标准像（基准平面）的位置便可得出被测表面

13、的深度变化。第25页/共46页第26页/共46页n激光三角法面形测量的基本原理是利用激光在被测样件表面投影一光条，由于被测表面起伏极曲率变化，投影的光条随此轮廓位置起伏而扭曲变形，由CCD摄像机摄取激光束影像，这样就可由激光束的发射角度和激光束在CCD内成像位置，通过三角几何关系获得被测点距离或坐标等数据。第27页/共46页n丹麦SCANTECH公司开发的三维激光扫描仪（3D Laser Scanner）是激光三角形法测量的一个代表，其测量数据可达到23000点/秒的测量速度。n主要特点：高速测量，短时间内测量大量的点；由于是非接触式测量，因此可以测量柔性物体；适合对复杂自由曲面的测量；对表面

14、粗糙和表面漫反射率敏感；精度一般比CMM略低。第28页/共46页n80年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于“终结者II”，“侏罗纪公园”，“蝙蝠侠II”，“机械战警”等影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、NURBS曲面、点、Spline曲线方式描述，可进行彩色扫描，输出被测物体的坐标信息和颜色信息。扫描速率可达1.4万点/秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在30cm，深度方向测量精度100-400m，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。 第29页/共46页n结构光投影法是将一定图案的光投影到物体表面上，从而增强物体表面各点之间的可区分性，降低图像

15、点对匹配的难度，提高匹配算法的精度和可靠性。常用的结构光图案模式，包括灰码条纹（Gray Code）、摩尔条纹、网格图案、彩色点阵图案等。第30页/共46页n结构光投影双目立体测量具有以下主要特点n一次可获取大量数据（可达百万点以上）；n由于是非接触式测量，因此可以测量柔性物体；n适合对复杂自由曲面的高效率测量；n分析相对复杂；n测量结果受物体表面光学特性的影响（如透明、黑色等情况下都会产生问题）；n精度比接触式测量略低。第31页/共46页双目结构光测量系统结构图 第32页/共46页n德国GOM公司生产的ATOS流动光学扫描仪是目前世界上最先进的非接触式三坐标扫描仪之一，是一种结构光测量设备。

16、该扫描系统可将特定光栅条纹于被测物体上，通过光栅间距的变化，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，经过数码影像分析和基于光学原理计算，求得实物表面三维坐标数据，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云，实现三维扫描高速化。第33页/共46页nATOS II在距被测物体约700 mm处高速摄取实物表面数据，一次测量的有效测量区域为280350mm，获得的扫描点数最大可达一百三十万个点。n由于一次测量的范围有限，多角度测量然后拼合到一个共同的坐标系下，从而得到一个完整的测量模型。两次测量中设置共同可见的至少三个参考点来实现的。n单次测量精度可达 ，多视角测量的拼合测量精度为 。0.

17、03mm0.1mm/m第34页/共46页n一般来说，用光学测量法对某个表面进行一次数据采集往往只需数秒时间，但是为了能够比较完整和准确地得到该表面测量数据，通常需要花费大量的时间用于确定测头位置和测量角度。因此，在测量之前或测量过程中，根据实物样件的结构特点制定测量方案，用尽可能少的测量次数获取满足模型重建所需的数据，不仅可以有效减少数据测量和预处理的工作量，而且在某种程度上可以提高测量数据的整体精度。下面从以下几个方面讨论在使用ATOS II光学测量机进行测量时应该注意的问题以及需要采用的原则。第35页/共46页n实物表面喷涂由于部分深色零件表面对光的吸收能力较强，因此不利于采用光学三角定理

18、进行测量，为此要对这些零件进行表面白色喷涂处理。选择喷涂材料时需要保证涂层在测量后容易清洗（如选择工业探伤剂），在喷涂过程中尽可能使涂层薄而均匀，既可以达到加强反光的效果，又不至于对测量精度造成很大的影响。n待测实物定位分析待测实物零件不同部位的可测性，然后按照可测性将待测实物零件的特征进行分组，以测头和实物零件定位是否方便和牢靠为基础选择较好的定位基准（必要时使用橡皮泥在零件实物的背面进行定位），从而减少改变测头位置、角度和待测实物零件的定位方式的次数，提高测量效率并有效提高主要待测表面的测量精度。第36页/共46页n多视测量准备为了实现将从不同视角下测得的数据转换到一个统一的坐标系下，以生

19、成完整的数据点模型，一般可以采用标签定位法以实现多个视图的粗定位。（Tritop照相拍摄系统）n整体到部分原则，按照从整体到部分的原则对同一个零件的不同部位合理采用适当的标定精度进行测量。可以将测量数据划分为主要视图、细节视图和补充视图，其中主要视图是指测量数据较多且从某个角度可以反映待测实物零件整体形状的视图；细节视图指的是针对待测实物零件的某些局部细节特征测量所得到的数据，这些数据主要用于细节部位的特征重建；补充视图是指对模型重建无关紧要的数据，这部分数据原则上不参与模型的重建，但是可以用来检验多视拼合的结果以及校验模型重建的精度。第37页/共46页n光线方向尽可能使光线照射方向和结构类零

20、件主要待测表面垂直，尽可能保证光线扫描方向和主要待测棱边垂直。n单面测量由于薄板类零件的模型重建可以通过单面曲面重建后利用加厚等方法来创建实体模型，因此对于飞机钣金件等薄板类零件的测量一般只需要进行单面测量，必要时有选择性地测量另外一面的部分数据用于判断应该向哪一侧加厚、加厚厚度的确定以及后续模型重建后的精度校验等。使用单面测量策略不仅减少了测量和拼合次数，而且测得的数据比双面测量的数据更容易实现分块。第38页/共46页n深孔测量在对深孔进行测量时，通常无法获取完整的孔侧面的数据点，这时也需要在孔周围和孔底部（指盲孔）测量足够多的关键数据点，以便在模型重建时有足够的信息进行孔定位、孔径计算和深

21、度估计等。n装配件的测量在装配件拆卸前应采集尽可能多的数据点，并考虑装配件中不同零件之间的装配关系的提取（如装配件内部零件之间贴合面以及分界线的测量等），然后尽量在不重新定位的原则下，逐步拆卸覆盖在外部的零件进行内部零件的测量，对于必须重新定位的情况，需要在装配件未拆卸之前记录该零件的相对位置，从而在后续模型重建过程中考虑到零件之间的装配约束关系。第39页/共46页大型物体测量方案 CCD相机测量/建模软件图象分析/多视图几何特征点线数据/全局定位数据表面点云数据图象抓取及非结构光投射控制单元双目立体成像分析投影装置自由拍摄光学镜头/CCD2被测物体光学镜头/CCD1定位测量表面测量第40页/共46页条件名称实际距离重建结果重建结果绝对误差相对误差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平均绝对误差0.0211第41页/共46页n以上介绍的测量方法，通常只能测量物体外表面的几