第三章-逆向建模点云数据获取

逆向工程建模与产品创新设计•３.1接触式测量法•３.2非接触式测量法•３.3断层数据测量方法•３.4测量数据误差分析第三章逆向建模点云数据获取数据获取方法非接触式方法接触式方法光学声学电磁机械手臂CMM三角测量激光测距干涉法结构光法图像分析层析法超声波法点云数据获取方法分类3.1接触式测量1机械结构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。2接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。3被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的优点：三坐标测量机（CMM）CoordinateMeasuringMachine一种高效率的新型精密测量仪器，是一种具有很强柔性的大型精密三坐标测量设备。它的出现一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机提供技术基础。广泛应用于对各类零件的自动检测和测量。通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制。三坐标测量机具有适应性强功能完善等特点。坐标测量原理:将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。CMM的工作原理—孔特征的检测•如图所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三个点的坐标值就可以计算出孔的直径及圆心坐标；如果在该截面内触测更多的点，则课根据最小二乘法或最小条件计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆进行测量，则根据测得点坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。从原理上说，它可以测量任何工件上的任何几何元素的任何参数。三坐标测量机的组成作为一种测量仪器，三坐标测量机需要三个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。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。三坐标测量机的组成1）主机框架结构——测量机的主体机械结构。包括工作台、立柱、桥框、壳体等早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台。这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。标尺系统——线纹尺、精密丝杠、感应同步器、光栅尺、磁尺等注：坐标测量机的三个运动轴x、y、z及分别安装于其上的3把测量尺，在整个测量空间建立起一个笛卡尔直角坐标系，通常称为机器坐标系。•光栅测量系统•光栅测量系统由标尺光栅（即主光栅）和指示光栅组成，它利用了莫尔条纹原理来检测移动的坐标值。长光栅一般安装在三坐标测量机的导轨上，指示光栅安装在与导轨作相对运动的部位。金属标尺光栅多是在表面镀金的金属基体上采用光刻的方法制成的每毫米50线的不锈钢光栅尺，即在20微米的长度上有一条明条纹和一条暗条纹。当标尺光栅与指示光栅相对运动为X（mm）时，光栅尺上的明暗就要移过50X条。•感应同步器式测量系统的检测元件是一对上面具有平面绕组的定尺和动尺，当它们相对运动时，利用磁感应原理进行位移测量。使用时一般将定尺安装在固定不动的部件上，将动尺安装在移动的部件上。定尺和动尺通常都用钢板做基体，用绝缘粘结剂把铜箔粘在钢板做成的基体上，用照相腐蚀的方法，制成方齿形平面绕阻。其重要的优点是不怕灰尘和油污，因此对环境的适应性强，能在普通车间条件下进行工作。导轨——多采用气浮导轨，它具有制造简单、精度高、摩擦力极小，工作平稳等优点。移动桥式结构CMM气浮导轨的结构如右图所示，其结构中有六个气垫（水平面四个，侧面两个），使得整个桥架浮起。滚轮受压缩弹簧的压力作用而与导向块紧贴，由弹簧力保证侧向气垫在工作状态下与导轨导向面之间的间隙气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大突破。有些厂家已选用陶瓷或高膜量的碳素纤维作为移动桥架和横梁上运动部件的材料。驱动装置——实现机动和程序控制伺服运动功能。由丝杠螺母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。平衡部件——用于Z轴框架，用以平衡Z轴的重量,使Z轴上下运动时无偏重干扰。转台与附件——增加转动运动的自由度，包括分度台、单轴回转台、万能转台和数控转台等。2）三维测头即三维测量传感器，它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。(1)分为机械式、光学式、电气式三类。机械式——开关式、扫描式开关式——零位发讯开关（结构简单、寿命长、具有较好的测量重复性，而且成本低廉，测量迅速）见右图，测杆安装在芯体上，二芯体则通过三个沿圆周120度分布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有收到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均保持接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到X、Y、Z那个方向的接触力，至少会引起一个钢球与接触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号。•扫描式——能输出与探针偏转成比例的信号，能确定所在表面的法矢方向，更适于曲面测量。•(2)触发式测头应用范围•1）零件所关注的是尺寸、间距、位置，而并不强调其形状误差•2）触发测头体积较小，适用于测量空间狭窄的部位。•中等精度的测量机多采用此等方式•扫描式测头的应用范围（其测量数据包含大量的点，能精确地描述形状、轮廓）•1）应用于有形状要求的零件和轮廓的测量•2）对于未知曲面的扫描。测量机可以根据已运动的轨迹来计算下一步运动轨迹。•扫描式测头的优点及缺点•优点：适于形状及轮廓测量；采点率高；高密度采点保证了良好的重复性、再现性；更高级的数据处理能力•缺点：比触发测头复杂；对离散点的测量较触发测头慢；高速扫描时由于加速度而引起的动态误差很大，需要补偿；测尖的磨损必须考虑•触发式测头的优点及缺点•优点：适于空间棱柱形物体及已知表面的测量；通用性强；有多种不同类型的触发测头及附件供采用；采购及运行成本低；应用简单；适用于尺寸测量及在线应用；坚固耐用、体积小；测量机的动态性能对测量精度影响小•缺点：测量取点率低•(3)测头选择的原则•a）在可以应用接触式测头的情况下，慎选非接触式测头•b）在只测尺寸、位置要素的情况下，尽量选择接触式触发测头。•c）在考虑成本又满足要求的情况下，尽量选择接触式触发测头•d）对形状及轮廓精度要求较高的情况下，选用非接触式测头•e）扫描式测头应当可以对离散点进行测量•f）考虑扫描式测头与触发式测头的互换性•g）易变形零件、精度要求不高零件、要求超大量数据零件的测量，优先考虑非接触式测头。•h）要考虑软件、附加硬件的配套。•3)测头附件（1）测端与探针——直接对被测件进行探测的部件测端形状为：球形、盘形、圆柱形端、尖锥形和半球形等。球形测端——最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表面、接触变形小等优点。盘形测端——用于测量狭槽的深度和直径。尖锥形测端——用于测量凹槽、凹坑、螺纹底部和其它一些细微部位。半球形测端——其直径较大，用于测量粗糙表面。圆柱形测端——用于测量螺纹外径和薄板。探针——可更换的测杆•选择原则：•在满足测量要求的前提下，探针应尽量短；•探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针。•在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。•（2）连接器——将探针连接到测头上•常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。•星形测头座上可以安装若干不同的测头，并通过测头座连接到测量机主轴上。测量时，根据需要可由不同的测头交替工作。•（3）回转附件——使测头能对斜孔、斜面或类似形状进行精确测量。4）电气系统包括电气控制系统、计算机硬件部分、测量机软件、打印和绘图装置•三坐标测量机分类•按自动化程度分：数字显示及打印型；带小型计算机的测量机；计算机数字控制型•按测量范围分：小型、中性、大型•小型：X轴方向小于500mm，测量精度高•中性：X轴方向为500~2000mm，精度等级中等•大型：X轴方向大于2000mm，精度等级为中等或低等•按精度分：低精度、中等精度、高精度•按机械结构与运动关系分:桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式。（1）悬臂式三坐标测量机优点：结构简单，测量空间开阔缺点：悬臂沿Y向运动时受力点位置随时变化，会产生变形。（2）桥式三坐标测量机优点：结构简单，结构刚性好，承重能力大；工件重量对测量机的动态性能没有影响。缺点：X向的驱动在一侧进行，单边驱动，容易产生扭摆误差；光栅偏置在工作台一边，产生的阿贝误差大；不适用于大型测量机移动桥式阿贝误差：在测量过程中，因不符合阿贝原则而产生的误差（3）龙门式三坐标测量机——移动部位只是横梁优点：结构稳定，刚性好，测量范围较大缺点：因驱动和光栅尺集中在一侧，造成的阿贝误差较大，驱动不够稳定（4）卧镗式三坐标测量机在卧式镗床基础上发展起来的。优点：结构可靠，精度高，可将加工和检测集为一体。缺点：工件的重量对工作台有影响。（5）水平臂式三坐标测量机水平臂式三坐标测量机，又称地轨式三坐标测量机，在汽车工业中有广泛应用。其结构简单、空间开阔，但水平臂变形大。（水平悬臂梁的变形与Y向行程的4次方成正比。常用于画线，也称三坐标画线机。（6）仪器台式三坐标测量机仪器台式三坐标测量机是在工具显微镜的结构基础上发展起来的，其运动的配置形式与万能工具显微镜相同。操作方便、测量精度高，但测量范围小，多为小型测量机。１、基本测量软件•1)运动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选择、测量速度选择。•2)测头管理功能：包括测头标定、测头校正、自动补偿测头半径和各向偏值、测头保护及测头管理。•3)零件管理功能：确定零件坐标系及坐标原点、不同工件坐标系的转换。•4)辅助功能：坐标系、地标平面、坐标轴的选择；公制、英制转换及其他各种辅助功能。•5)输出管理功能：输出设备选择、输出格式及测量结果类型的选择等。•6)几何元素测量功能三坐标测量机软件分类2专用测量软件：指在基本测量软件平台上开发的针对某种具有特定用途的零部件的测量与评价软件。通常包括：齿轮、螺纹、凸轮、自由曲线、自由曲面等编程软件为了使三坐标测量机能实现自动测量，需要事前编制好相应的测量程序。而这些测量程序的编制有以下几种方式。•图示及窗口编程方式图示及窗口编程是最简单的方式，它是通过图形菜单选择被测元素，建立坐标系，并通过“窗口”提示选择操作过程及输入参数，编制测量程序。该方式仅适用于比较简单的单项几何元素测量的程序编制。•自学习编程方式这种编程方式是在CNC测量机上，由操作者引导测量过程，并键入相应指令，直到完成测量，而由计算机自动记录下操作者手动操作的过程及相关信息，并自动生成相应的测量程序，若要重复测量同种零件，只需调用该测量程序，便可自动完成以前记录的全部测量过程。该方式适合于批量检测，也属于比较简单的编程方式。•脱机编程这种方式是采用三坐标测量机生产厂家提供的专用测量机语言在其它通用计算机上预先编制好测量程序，它与坐标测量机的开启无关。编制好程序后再到测量机上试运行，若发现错误则进行修改。其优点是能解决很复杂的测量工作，缺点是容易出错。•自动编程在计算机集成制造系统中，通常由CAD/CAM系统自动生成测量程序。三坐标测量机一方面读取由CAD系统生成的设计图纸数据文件，自动构造虚拟工件，并根据虚拟工件自动生成测量路径，另一方面接受由CAM加工出的实际工件，实现无人自动测量。这一过程中的测量程序是完全由系统自动生成的。系统调试软件用于调试测量机及其控制系统，一般具有以下软件。•自检及故障分析软件包用于检查系统故障并自动显示故障类别；•误差补偿软件包用于对三坐标测量机的几何误差进行检测，在三坐标测量机工作时，