本科逆向工程测量装备1r1

1、概述概述 ?坐标测量零件外形的数据采集 ?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，高效、高精度地实现样件表面 的数据采集，是实施逆向工程的第一步。 ?目前实物坐标测量的范围和手段以惊人的速度发展， 基于光学、声学、磁学、卫星遥感、三维微观摄像 等的测量设备，能够获得大如星球、天体，小如细 胞分子结构的各种三维数据。 测量设备的分类测量设备的分类 实物测量 接触式非接触式破坏式 机械手CMM 自动断层扫描 光学声学 声波定位仪MRI磁共振 结构光激光三角形 电磁学 激光测距法干涉测量法图像分析法 影响数据采集质量的因素影响数据采集质量的因素 ?测量方法本身的精度 ?仪器的

2、校准 ?测量范围的限制 ?夹具阻挡、样件自身结构阻挡 ?采集数据的局部缺少 ?被测物体表面的光洁度 ?零件数据的统计性分布 接触式坐标测量机接触式坐标测量机 ?接触式测头种类及其工作原理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 硬式测头硬式测头 ?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。 ?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。 ?按形状可分为圆锥测头、圆柱形测头、球形测头、 回转半圆和回转四分之

3、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。 MicroScribe 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。 触发式测头触发式测头 ?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。 ?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。 ?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。 模拟式测头模拟式测头

4、 ?模拟式（扫描式）测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。 ?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。 三坐标测量机（三坐标测量机（CMM） ?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。

5、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。 三坐标测量机（三坐标测量机（CMM） ?三坐标测量机基本原理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

6、，也可有五坐标或六坐标测量机。 三坐标测量机（三坐标测量机（CMM） ?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， 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。 三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 ?主机主机 ?框架结构 ?标尺系统 ?导轨 ?驱动装置 ?平衡部件 ?转台与附件 三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 ?三维测头三维测头 三维测头可在三个方向上感受瞄准信

7、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。 三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 ?电气系统电气系统 ?电气控制系统 ?计算机硬件部分 ?测量机软件 ?打印与绘图装置 ? 将三坐标测量机应用在逆向工程中，测量可通过人工操作 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

8、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。 ? 三坐标测量机的主要特点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。 机械手式测量机机械手式测量机 ? 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，

9、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。 ? 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。 光学测量设备光学测量设备 ?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

10、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。 光学测量基理光学测量基理 ? 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。 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。 光学测量基理光学测量基理 4.干涉测量法

11、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。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

12、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。 激光三角测距原理激光三角测距原理 光电检测器 z o x 测 量 范 围 激 光 束 激 光 发 生 器 聚光镜 成像镜 成像镜 激光三角法测量特点激光三角法测量特点 ?工作距离大，离样件表面很远处也可对工件进行测量。 ?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。 ?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。 ?数据采集速度很快，对大型表面可在CMM或数控机床上 迅速完成数据采集，无需测头补偿。 ?价格较贵，杂散反射，对于垂直壁等表面特征会影响采

13、集精度。 ?对被测材料、表面粗糙度、反射特性敏感，精度一般比 CMM略低。 ? 激光三角法分为点测量、线测量和面测量激光三角法分为点测量、线测量和面测量 单点式激光测量法单点式激光测量法 ? 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。 1 sincos ax x bx? ? ? ? x x? 直射式 斜射式是激光器发出的光和被测 面的法线成一定角

14、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 1 1212 cos sin()cos() ax x bx ? ? ? ? ? 线光源测量法线光源测量法 ?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

15、，计算该曲线上象素点偏离 标准像（基准平面）的位置便可 得出被测表面的深度变化。 线光源测量法线光源测量法 激光三角面形测量法激光三角面形测量法 ? 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。 3DLaser Scanner ?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/

16、秒的测量速度。 ?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；对表面粗糙和表面漫反射 率敏感；精度一般比CMM略低。 Cyberware的三维扫描仪的三维扫描仪 ?80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，

17、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。 结构光测量法结构光测量法 ? 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。 结构光测量法结构光测量法 ? 结构光投影双目立体测量具有以下主要特点 ? 一次可获取大量数据（可达百万点以上）； ? 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高效率测量； ? 分析相对复杂； ? 测量结果受物体表面光学特性

18、的影响（如 透明、黑色等情况下都会产生问题）； ? 精度比接触式测量略低。 结构光法结构光法 双目结构光测量系统结构图双目结构光测量系统结构图 ATOS光学测量机光学测量机 ?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。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。 ?ATOS II在距被测物体约700 mm处高速摄取实物表面数

19、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。 ?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。 ?单次测量精度可达，多视角测量的拼合测量精度 为。 0.03mm? 0.1mm/ m 测量注意事项测量注意事项 ?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

20、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。 测量注意事项测量注意事项 ?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。 ?待测实物定位分析待测实物零件不同部位的可测

21、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。 测量注意事项测量注意事项 ?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） ?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、

22、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。 测量注意事项测量注意事项 ?光线方向尽可能使光线照射方向和结构类零件主要待测表 面垂直，尽可能保证光线扫描方向和主要待测棱边垂直。 ?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

23、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。 测量注意事项测量注意事项 ?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、孔径计算和深度估计等。 ?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

24、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。 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 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-5 2-3611.8000611.7643-0.03575.84e-5 4-5545.9400545.94920.00921.69e-5 6-7545.8230545.82600.01753.21e-5 平均绝对误差0.0211 全局定位精度验证