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光學三維測量機畢業設計
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- 光學三維測量機畢業設計
摘 要
逆向工程是當前用于產品開發和仿制加工的一種先進手段，是集測量技術、CAD技術、激光技術、材料技術和計算機控制技術等為一體的高新技術，它針對現有的工件（樣品或模型），利用3D數字化測量儀器快速、準確的測得大量輪廓坐標點，并對這些坐標點進行去噪，匹配加以構建，修改后輸入到CAD/CAM系統，生成NC的刀具加工路徑，或輸入CNC進行生成所需的模具，或者生成某種格式的文件輸入到快速成形機將樣品模型制造出來。三維光學測量機就是這樣一種設備，它可以將在三維物理空間中的被測物體復制到三維數據空間當中并進行重現，我們稱之為建立三維模型。這種能力使三維掃描儀擁有非常巨大的應用前景。由于逆向工程技術具有廣泛的應用領域和實用價值，因此，世界上主要工業國家紛紛投入巨資對此項技術進行研發和推廣應用，他們無不站在21世紀世界制造業全球競爭的戰略高度來對待這一技術。目前該項技術已經廣泛應用于機械零部件的快速開發、汽車和飛機覆蓋件的快速檢測和反求、快速模具、醫療及康復工程、家用電器、工業設計、工藝品制作以及兒童玩具等領域，取得了巨大的經濟效益。本次設計主要是完成光學三維測量機機械部分和控制系統的設計，本文提出的結構光三維測量系統是一種光柵式結構光掃描雙目視覺測量技術。由于是面掃描，所以，在速度上有很大的優勢，可以很好的實現被測自由曲面的快速、高精度的三維尺寸測量。通過對測量機的個部分部件的設計，最后完成光學三維測量機的設計工作。
關鍵詞 逆向工程 三維模型 光學三維測量機 光柵 掃描
Abstract
Reverse engineering is currently used for product development and imitation of an advanced means of processing, is set measurement technology, CAD technology, laser technology, materials technology and computer-controlled technology, which integrates high-tech, it addresses the existing part (or sample MODEL), using 3 D digital measuring instruments quickly and accurately measured the outline of a large number coordinates, and coordinates of these points denoising, match to build, the revised import to CAD / CAM system, generating the NC tool processing path, or enter CNC to generate the necessary die, or generate a certain format of the files into a rapid prototyping machine will be created by the sample model. Three-dimensional optical measuring machine is one such device, which can be three-dimensional physical space of the detected objects copied to the 3D data space and return them, we call it the establishment of three-dimensional model. This ability to 3-D scanner has a very great prospect. Since reverse engineering is a wide range of applications and practical value, the world's major industrial countries have invested heavily in research and development of the technology and application, they all stand in the 21st century global competition in world manufacturing strategy to deal with this highly A technology. Currently the technology has been widely used in the rapid development of machinery parts, automobile and aircraft coverage of the rapid detection and anti-seeking, rapid tooling, medical and rehabilitation engineering, home appliances, industrial design, craft making and children's toys, and other fields and achieved A huge economic benefits. The optical design is complete three-dimensional measuring machines and mechanical control system design, the paper's three-dimensional structure of optical measurement system is a grating structure of binocular vision measuring optical scanning technology. Since the scan, therefore, have great speed on the edge, you can achieve very good surface tested free of the fast, high-precision 3D measurement. By measuring machine parts parts of the design, the final completion of three-dimensional optical measuring machine design.
Key words Reverse engineering Three-dimensional model of optical scanning Three-dimensional measuring machines Grating
目 錄
摘要 I
ABSTRaCT II
第一章 緒論 1
引言 1
1.1 三維光學測量機的應用與發展狀況 2
1.2 設計研究的目的和意義 3
1.3 本文的內容安排 4
1.4 本章總結 4
第二章 光學三維測量機的測量原理 5
2.1 測量機的測量原理 5
2.2 三維測量機的特點 5
2.3 控制系統原理介紹 6
2.4 本章總結 7
第三章 光學三維測量機整體設計方案 18
3.1 設計要求 8
3.2 光學三維測量機基本結構分析 8
3.2.1 設計任務和內容 8
3.2.2 總體設計法案的擬定 8
3.2.3 光學三維測量機機械部分設計 9
3.2.4 控制部分設計 10
3.3 主要參數設定 16
3.4 本章總結 16
第四章 機械部分的具體設計及其硬件選擇 17
4.1底座設計 17
4.2 滑動體主要設計 18
4.3 光學掃描儀測量系統的硬件組成 18
4.3.1結構光三維測量系統的硬件組成 18
4.3.2 CCD基本知識 19
4.3.3圖像采集卡 20
4.3.4選擇結果 20
4.4 光柵電動平移臺基本結構設計 21
4.5 本章總結 21
第五章 光學三維測量機的設計計算 22
5.1 控制系統中電機的選擇 22
5.1.1 步進電機概述 22
5.1.2 電動機容量的選擇原則 22
5.1.3 步進電動機的容量計算 23
5.2 聯軸器的選擇 23
5.3 絲杠螺母副的選用計算 24
5.3.1絲杠螺母導程的確定 24
5.3.2 確定絲杠的等效轉速 24
5.3.3 絲杠的等效負載 24
5.3.4 確定絲杠所受的最大動載荷 24
5.3.5 計算軸承動載荷 25
5.3.6 絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率計算 25
5.4 絲杠的扭轉剛度 26
5.5傳動精度計算 26
5.6 本章總結 27
第六章 總結和展望 28
6.1 全文總結 28
6.2 展望 28
致 謝 30
參考文獻 31
附錄1 33
附錄2 48
第二章 光學三維測量機的測量原理
2.1測量機的測量原理
光柵投影照相式三維測量儀是一種高速高精度的三維掃描測量設備，應用的是目前國際上最先進的結構光非接觸照相測量原理。采用一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。與傳統的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時測量一個面。光線垂直照射被測物體表面，運動控制器通過驅動器控制步進電機帶動雙目面陣CCD實時地將被測物體的圖像送入圖像采集卡，圖像采集卡把采集到的數據信息送入計算機進行相應的圖像處理以后得到三維的數據點云。其基本原理如圖2 -1所示：
2.2 三維測量機的特點
1、掃描速度極快：5秒內可得到100多萬點，效率很高
2、第三代的面掃描方式：每次掃描一個面，獲得整個面的三維數據，測量點分布密度極高且非常規則
3、非接觸掃描：利用照相式原理，進行非接觸式光學掃描，得到物體表面三維數據。而且適應了柔軟、易變形物體的測量要求。
4、精度高：利用獨有的測量技術，實際精度可達0.02mm
5、大景深：掃描景深可達300～500mm，為國內最高。適合景深較大物體掃描
6、標志點自動拼接：可將多次測量結果自動拼接，掃描時物體可任意翻轉和挪動。通過對標志點的拼接加以生成多次測量數據，從而實現大面積掃描。減少了測量的死角。
7、點云噪聲處理和修剪：可以對測量產生的噪音點進行修剪、剔除。
8、對環境要求不高：環境光對該掃描系統影響不大，在大多數的環境下都能獲得高性能的數據
9、便攜式設計：設備部件易拆易裝，方便帶至測量現場。
10、測量輸出數據接口廣泛：測量所得的點云數據為ASC、VRML格式，可直接與Surfacer（image ware）、UG、CATIA、Geomagic、Pro／E、Master CAM等軟件交互數據
11、軟件性能良好：兼容Windows98／NT／2000／XP 平臺，用戶易學易用，不需過多的培訓就可以熟練操作，兼容性好，簡便易學
12、彩色掃描：不但可以得到數字信息，還可以得到RGB彩色信息
2.3 控制系統原理介紹
隨著自動控制技術的發展，控制系統的種類越來越多，可以分為開環控制系統，半閉環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統如圖2-2所示：
計算機（可以包含各種控制器）根據所要求的進給速度和位移輸出一定頻率和數量的脈沖，這種脈沖信號往往是標準的TTL電平，驅動能力小，不足以驅動電機，此時就需要相應的功率放大器－－步進電機驅動電路把相應的信號放大。每個脈沖驅動步進電機旋轉一個步距角，從而帶動絲杠，由絲杠帶動刀具、測頭等。由于步進電機的機械位移與輸入的脈沖有嚴格的對應關系，而脈沖輸入的頻率則對應電機的轉速，因此通過輸入脈沖數和頻率即可控制速度和位移。但開環系統沒有反饋裝置，計算機輸出一定的脈沖數，無法知道步進電機是否丟步，絲杠是否移動到了指定的位置。因此這種系統只能靠機械和電機的精度保證，系統速度和精度都較低。
閉環系統常用在精度要求較高的反求系統中，一種構成位置環控制系統原理如圖2-3所示。當位置反饋信號從電機端部通過編碼器或者從絲杠端部獲得（如圖2-3虛線所示），間接測量執行部件的實際位置為半閉環系統；當位置反饋信號從絲杠等執行部件上直接測實際的位置或位移（如圖2-3實線所示）為全閉環系統。這種閉環或半閉環系統由于對實際的執行部件的位置進行反饋，因此其位移精度高于開環系統。
由圖2-3見閉環伺服控制系統包含速度調節部分和位置調節部分，數控裝置進給的指令通常包括位移和速度兩個信息。為了使電機的輸出速度和位置跟隨速度和位置指令，系統設有速度和位置控制部分。速度測量一般用測速發電機或脈沖編碼器，隨時測得電機的實際轉速，與速度指令相比得到速度誤差信號，即可對電機的速度進行調節；位置反饋用一般脈沖編碼器或直線光柵尺，將測得的實際位置與指令位置比較的得到的結果即是位置誤差信號，根據其差值與指令進給速度的要求，按一定的運動規律進行轉換后得到進給伺服系統的速度指令。
從掃描系統的特點，速度，精度，成本等方面考慮，我們選擇了半閉環控制系統，采用編碼器反饋回各軸的位置信息，然后再與設定值進行比較，將偏差信號作為誤差補償信號，這樣的半閉環控制系統硬件比較簡單， ...
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