復(fù)雜曲面測量與重構(gòu)成型的精度研究

1、復(fù)雜曲面測量與重構(gòu)成型的精度研究     1逆向工程中的精度檢測  隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件的不斷發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)對(duì)自由曲面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供了越來越大的支持。但是，有些自由曲面產(chǎn)品往往最初以手工制作模型的形式存在，即實(shí)際上不存在CAD模型。為了利用先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)和快速原型制造技術(shù)，就需要從已存在的實(shí)物出發(fā)反向構(gòu)造CAD模型，這就是逆向工程的概念。在本文所處的環(huán)境條件下，在經(jīng)過比較和分析之后，可以采用如下一種可行的系統(tǒng)方案，如圖1所示。首先，利用ATOS光學(xué)掃描儀等設(shè)備測量原型件的表面，獲取復(fù)雜形狀的自由曲面產(chǎn)品三維點(diǎn)云。然后，通過曲

2、面擬合軟件Imageware軟件和三維造型軟件UG等構(gòu)造CAD模型，由此驅(qū)動(dòng)快速原型機(jī)制造產(chǎn)品。 快速逆向工程的研究大多集中于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云的曲面擬合等方面，但對(duì)其中各環(huán)節(jié)的精度評(píng)價(jià)和誤差分析研究得較少。實(shí)際上，經(jīng)常需要基于CAD模型進(jìn)行制造件加工精度的檢測。同時(shí)評(píng)價(jià)重構(gòu)模型精度也是非常重要的，這是以原型件為參考檢測重構(gòu)模型的過程。本文針對(duì)這些特點(diǎn)，對(duì)選擇的方案中影響精度的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。 2結(jié)構(gòu)光測量儀的誤差分析  德國GOM公司新近推出的以數(shù)碼相機(jī)為基礎(chǔ)的光學(xué)三維測量系統(tǒng).它包括測量頭、三腳架、控制器和計(jì)算機(jī)。測量頭中間是普通光源，兩端是CCD攝像頭(如圖2所示

3、)。其數(shù)據(jù)采集原理是投影光柵法(如圖3所示)o 該測量儀可以自由地繞著被測物體移動(dòng)，能夠在無任何平臺(tái)的支撐下實(shí)現(xiàn)流動(dòng)式操作。每幅掃描照片可獲得工件表面400 000個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，掃描精度達(dá)0. 03 mm,整體拼合掃描精度為0. 1 mm/m。 用ATOS測量時(shí)所產(chǎn)生的誤差，分為機(jī)器本身的誤差、拍攝前外界因素的影響誤差、儀器校正時(shí)的誤差以及拍攝時(shí)的誤差。2. 1機(jī)器本身的誤差 投影光源的強(qiáng)度和照明均勻性影響圖像條紋質(zhì)量。如果光源的照明不均勻，攝取的條紋圖像亮度不均勻使檢測的條紋邊緣易出現(xiàn)斷線，給后處理帶來麻煩?？梢圆扇≌彰鞯木鶆蛐院煤土炼容^高的燈作為光源，以減少投影光源的強(qiáng)度和照明均勻性的影

4、響。2. 2外界因素的影響2. 2. 1外界環(huán)境光的影響。 由于ATOS測量是通過投射光和獲取從實(shí)體表面反射的光進(jìn)行測量的，測量時(shí)變化很大的外界環(huán)境光會(huì)對(duì)測量光帶來影響，進(jìn)而影響我們測得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了防止外界環(huán)境光變化產(chǎn)生的影響，該測量儀自帶的軟件里可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)置規(guī)定的變化值，當(dāng)超過該規(guī)定的變化值時(shí)會(huì)出現(xiàn)提示的對(duì)話框。 該影響主要是由在拍攝時(shí)周圍環(huán)境的震動(dòng)引起鏡頭或者是待測實(shí)體的移動(dòng)而引起的。為了減小該誤差，測量儀白帶的軟件也可以進(jìn)行預(yù)先的設(shè)置。2. 2. 3顯像劑的影響。 當(dāng)對(duì)反光性不好的實(shí)體進(jìn)行測量時(shí)，要噴灑顯像劑進(jìn)行測量。測量時(shí)應(yīng)盡量把實(shí)體的表面噴灑得均勻，并且盡可能地薄，否則，

5、會(huì)加大實(shí)體尺寸與測量尺寸的誤差。此外，由于不同型號(hào)的顯像劑的顆粒不一樣，對(duì)測量也會(huì)有不同的影響。對(duì)一些反射性較好的實(shí)體進(jìn)行測量時(shí)，可以不涂顯像劑來減小測量誤差。2. 3儀器校正時(shí)的誤差 系統(tǒng)安裝后要進(jìn)行一次校準(zhǔn)，包括硬件校準(zhǔn)和軟件校準(zhǔn)。硬件校準(zhǔn)主要是校準(zhǔn)投射影像，中間投射鏡頭聚焦調(diào)校，左右鏡頭的焦距和光圈調(diào)校。而其軟件調(diào)校又可分為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定、快速標(biāo)定和擴(kuò)展標(biāo)定。一般進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定，當(dāng)掃描過程中多次出現(xiàn)參考點(diǎn)的誤差大于0. 1時(shí)，可采用快速標(biāo)定，擴(kuò)展標(biāo)定用于掃描非常小的物體時(shí)(小于50 mm x40 mm)。這種校正是人工的，由于操作者視覺誤差，使得測量系統(tǒng)不免要產(chǎn)生誤差。2. 4拍攝時(shí)的誤差 多視

6、圖拼合誤差主要是由公共參考點(diǎn)的誤差引起的。ATOS在貼參考點(diǎn)時(shí)不可貼成直線狀，最少三點(diǎn)(由幾何知，不在一條直線上的三點(diǎn)決定一個(gè)平面)。而且盡可能不要把參考點(diǎn)貼在孤立位置或曲率變化較大的位置，而要貼在曲率變化小的區(qū)域。避免出現(xiàn)狹長三角形，并且盡量使最基本的三個(gè)參考點(diǎn)接近正三角型。 在實(shí)際測量過程中貼參考點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn): 1) A.B,C三點(diǎn)不能共線，應(yīng)避免ABC成為狹長三角形ABC面積也要足夠大。 2)標(biāo)記點(diǎn)既可以是人工設(shè)定的，也可以是測量對(duì)象所固有的，但必須是能夠在測量數(shù)據(jù)點(diǎn)集中準(zhǔn)確識(shí)別、匹配和定位的點(diǎn)。 3)在實(shí)際工程應(yīng)用情況下，是用具有一定面積大小的圓形不干膠紙貼在被測物體表面上。由于從斜向圓變換為橢圓，而系統(tǒng)又有一定的橢圓度限制，所以三個(gè)標(biāo)志小圓面盡可能在一個(gè)實(shí)際平面上，就是不能滿足時(shí)，也要盡可能考慮到橢圓度不同的影響。 如何提高測量精度