【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)。激光三角法根據(jù)入射光不同，以三角法為原理的測(cè)量方法可分為點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量和面測(cè)量三種。點(diǎn)式激光三角測(cè)量法常采用直射式和斜射式兩種。直射式三角測(cè)量法的原理如圖22所示。當(dāng)光點(diǎn)在成像面上的位移為x’時(shí)，可計(jì)算出被測(cè)面的位移x: X=ax39。bsinθx39。sinθ （21）式中： a—激光束光軸與接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；b—接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離。θ—激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角。圖22直射式三角測(cè)量法的原理斜射式是激光器發(fā)出的光和被測(cè)面的法線成一定的角度入射到被測(cè)面上，其原理如圖2一3所示。當(dāng)光點(diǎn)在成像面上的位移為x’時(shí)，可計(jì)算出被測(cè)面的位移x: X=ax39。cosθ1bsinθ1+θ2x39。cos?(θ1+θ2) （21）式中： θ1—為激光束光軸與被測(cè)面法線的夾角。θ2—為成像透鏡光軸和被測(cè)面法線的夾角。圖23單點(diǎn)斜射式激光原理圖 2)結(jié)構(gòu)光法:結(jié)構(gòu)光法的基本原理是把一定模式的光源投影到被測(cè)件表面，受到被測(cè)件表面高度的限制，光柵影線發(fā)生變形，利用兩個(gè)鏡頭獲取不同角度的圖像，通過(guò)解調(diào)變形光柵影線就可以得到被測(cè)表面的三維坐標(biāo)。這種方法中最著名的是投影光柵法。其原理如圖24所示。測(cè)量時(shí)，入射光線P照射到參考平面上的A點(diǎn)，放上被測(cè)物體后，P照射到被測(cè)物體上的D點(diǎn)，從圖示觀察A點(diǎn)就移動(dòng)到C點(diǎn)，距離AC就包含了高度信息:z=h (x,y)，即高度受到了表面形狀的調(diào)制。圖24 結(jié)構(gòu)光法基本原理3)激光測(cè)距法:將光束的飛行時(shí)間轉(zhuǎn)化為被測(cè)點(diǎn)與參考面間的距離，主要有脈沖波、調(diào)幅連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等工作方式?？紤]到精度問(wèn)題，實(shí)踐中多采用單一頻率調(diào)制的激光束，比較發(fā)射光束和接收光束之間的相位計(jì)算距離。4)干涉法:由一個(gè)光源射出的一束光經(jīng)過(guò)分光后產(chǎn)生的兩束光分別射向參考平面和目標(biāo)平面，反射后的兩束光產(chǎn)生干涉圖樣，通過(guò)分析指定的入射光的波長(zhǎng)與干涉圖樣之間的關(guān)系測(cè)得目標(biāo)平面與參考平面的距離。5)圖像分析法:與結(jié)構(gòu)光法的區(qū)別在于它不采用投影模板，而是利用一點(diǎn)在多個(gè)圖像中的相對(duì)位置，通過(guò)視差計(jì)算距離，得到點(diǎn)的空間坐標(biāo)。6)CT測(cè)量法:計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)的主要結(jié)構(gòu)包括兩大部分:X線體層掃描裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CT測(cè)量法是目前最先進(jìn)的非接觸式測(cè)量方法，它可以在不破壞樣件的情況下測(cè)量樣件的內(nèi)部形狀、壁厚，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是它的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)需要較長(zhǎng)的積分時(shí)間，重建圖像計(jì)算量大，造價(jià)高。7)MRI測(cè)量法:磁共振成像術(shù)(MRD也稱為核磁共振，其基本原理是用磁場(chǎng)來(lái)標(biāo)定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當(dāng)被激發(fā)的核在動(dòng)態(tài)過(guò)程中自動(dòng)恢復(fù)到靜態(tài)場(chǎng)的平衡時(shí)，把吸收的能量發(fā)射出來(lái)。然后利用線圈來(lái)檢測(cè)這種信號(hào)，信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。MRI測(cè)量法能深入物體內(nèi)部而不破壞物體，對(duì)生物沒(méi)有損害，在醫(yī)療上具有廣泛的應(yīng)用。但是這種方法造價(jià)高，空間分辨率不及CT，且對(duì)非生物材料不適用。8)超聲波測(cè)量法:超聲波測(cè)量法的原理是當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體時(shí)，在被測(cè)物體的兩種介質(zhì)變界面會(huì)發(fā)生回波發(fā)射，通過(guò)測(cè)量回波與零點(diǎn)脈沖的時(shí)間間隔，即可計(jì)算出各面到零點(diǎn)的距離。這種方法相對(duì)于CT和MRI來(lái)說(shuō)，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，但是測(cè)量速度較低且精度不高。目前主要用于物體的無(wú)損檢測(cè)和壁厚測(cè)量。9)層去掃描法:層去掃描法是一種直接從樣件到模型的實(shí)用、可靠的方法，它可以對(duì)任意復(fù)雜形狀的樣件進(jìn)行快速測(cè)量。這種測(cè)量方法可以對(duì)具有孔或者內(nèi)腔的物體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，得到的數(shù)據(jù)完整，但是這種測(cè)量方法是破壞性的。與接觸式測(cè)量方法相比較，非接觸式測(cè)量方法具有以下特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn):測(cè)量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易。2)不需要進(jìn)行測(cè)量半徑補(bǔ)償。3)無(wú)接觸力，不會(huì)損傷精確表面，可以直接測(cè)量軟工件、薄工件、不可接觸的工件。缺點(diǎn):1)測(cè)量精度較低，無(wú)法判定特定的幾何特征，價(jià)格較高。2)易受工件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等。3)工件表面的粗糙度和明暗度會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。4)易受環(huán)境光線以及雜亂光線的影響產(chǎn)生噪聲，數(shù)據(jù)處理比較麻煩。5)對(duì)邊線、孔以及不連續(xù)形狀的處理比較困難。非接觸式測(cè)量方法在高速采集數(shù)據(jù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)而且數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能夠進(jìn)行并行處理，因此越來(lái)越受到重視。其中，光學(xué)原理的測(cè)量方法在非接觸式測(cè)量方法中應(yīng)用最為廣泛，基于光學(xué)原理的測(cè)量設(shè)備在逆向工程中的應(yīng)用最為廣泛。 數(shù)據(jù)獲取方法比較實(shí)物的數(shù)據(jù)測(cè)量方法很多，但各有優(yōu)點(diǎn)與缺陷。從目前使用情況看，一般采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、投影光柵法和激光三角形法等對(duì)實(shí)物原型的外部形狀進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于物體內(nèi)部輪廓的測(cè)量則常用工業(yè)CT和逐層切削照相測(cè)量，可完成復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物的測(cè)量。通過(guò)對(duì)上述兩種測(cè)量方法原理的分析，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表21所示：表21 測(cè)量方法的比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)接觸式測(cè)量方法1. 因?yàn)闄C(jī)電技術(shù)的成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性；2. 與工件表面反射特性無(wú)關(guān)，與曲率關(guān)系不大；3. 適合基本幾何形狀的測(cè)量；4. 測(cè)量精度高。1. 需要特殊夾具，使測(cè)量成本增加；2. 需要經(jīng)常校正測(cè)頭；3. 操作不當(dāng)容易損傷零件表面精度和測(cè)頭；4. 需要對(duì)測(cè)頭進(jìn)行半徑補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致修正誤差的問(wèn)題。非接觸式測(cè)量方法1. 不必作測(cè)頭半徑補(bǔ)償；2. 測(cè)量速度快；3. 軟、薄、不可接觸的工件可直接測(cè)量。1. 測(cè)量精度較低；2. 易受工件表面反射特性的影響，如顏色、斜率等；3. 噪聲較高。 激光掃描機(jī) 本課題采用的數(shù)字化設(shè)備是LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機(jī)，如圖25所示。它的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：復(fù)雜曲面抄數(shù)、文物數(shù)字化產(chǎn)品仿真、反求工程設(shè)計(jì)、零件質(zhì)量檢測(cè)及快速成型應(yīng)用等。它的主要特征如下：（1）快速準(zhǔn)確地采集完整的三維幾何點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）獨(dú)特的濾光設(shè)計(jì)，可使CCD基本不受環(huán)境光影響；兩組測(cè)頭從兩側(cè)不同方位測(cè)量，幾乎沒(méi)有測(cè)量死角；（3）整個(gè)系統(tǒng)的掃描驅(qū)動(dòng)、位移值獲取、圖像信號(hào)采集、信號(hào)處理、系統(tǒng)定標(biāo)全部采用電腦控制；（4）被測(cè)工件可以任意擺放，采用四軸全自動(dòng)掃描，旋轉(zhuǎn)軸中心自動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化掃描，并可實(shí)現(xiàn)多角度掃描，所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接；（5）通過(guò)高精度光學(xué)放大測(cè)頭，將被測(cè)微小尺寸予以放大，利用先進(jìn)的圖像信息處理技術(shù)，可編程控制光學(xué)照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小或易變形的零部件的非接觸測(cè)量，輕松實(shí)現(xiàn)2D輪廓測(cè)量，彌補(bǔ)了單純?nèi)S激光掃描不能確定產(chǎn)品準(zhǔn)確邊界條件的不足。圖25 LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機(jī)其規(guī)格參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如下表22：表22 激光掃描儀的規(guī)格參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)LaserRE600III行程(mm) (X，Y，Z)500*600*400旋轉(zhuǎn)臺(tái)360176。重復(fù)精度(mm)定位精度(mm)外形尺寸(mm)1000*1300*1600重量(kg)650圖像采集系統(tǒng)Euresys高速圖像采集卡+精工鏡頭+低照度高分辨率CCD環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)辦公室環(huán)境，無(wú)強(qiáng)光或陽(yáng)光激光掃描參數(shù)精度(mm)激光650nm,20mW掃描速度100015000points/sec掃描軟件Rescantm掃描寬度(mm)50掃描景深(mm)1502D投影參數(shù)精度(mm)放大倍數(shù)20光學(xué)解析度(mm)數(shù)據(jù)格式ASCII, IGS, STL, DXF, IMW 汽車后視鏡的數(shù)據(jù)獲取實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集方法都存在一定的局限性，要根據(jù)逆向工程中測(cè)量樣件的具體要求選擇相應(yīng)的測(cè)量方式，也可以采用不同測(cè)量的方式相互補(bǔ)充，以便高效率、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集。本課題采用的數(shù)字化設(shè)備是LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機(jī)，它的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：復(fù)雜曲面抄數(shù)、文物數(shù)字化產(chǎn)品仿真、反求工程設(shè)計(jì)、零件質(zhì)量檢測(cè)及快速成型應(yīng)用等。要掃描的工件如圖26所示。圖26 后視鏡罩與底座掃描原件在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量前觀察樣件的形狀復(fù)雜度、表面明暗度、測(cè)量環(huán)境等。如果表面反光應(yīng)噴灑表面噴劑，以便得到較好的測(cè)量效果。在測(cè)量過(guò)程中要盡量保證工作環(huán)境的溫度和光線的穩(wěn)定性，以免影響測(cè)量精度和速度。在樣件裝配完整的情況下，為了采集完整的數(shù)據(jù)需要在不破壞樣件的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量樣件進(jìn)行分解。在進(jìn)行樣件分解時(shí)，要明確它的裝配工藝避免樣件在外力作用下發(fā)生變形影響最后的測(cè)量精度。由于該后視鏡的面比較多，需要進(jìn)行多次測(cè)量。在保證能夠獲得完整測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下，盡量減少分塊數(shù)據(jù)的數(shù)量并且保證每個(gè)數(shù)據(jù)具有明顯的形狀特征，這樣可以減少數(shù)據(jù)拼接時(shí)的誤差，使獲得的后視鏡的數(shù)據(jù)具有較高的精度。為了保證后視鏡與車架的裝配關(guān)系，需要測(cè)量出它們之間的裝配基準(zhǔn)。經(jīng)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖27所示，圖27 后視鏡罩和后視鏡底座掃描點(diǎn)暈數(shù)據(jù)著色圖第3章 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類測(cè)量數(shù)據(jù)按反映特征和組織結(jié)構(gòu)大致可分為二類:有序點(diǎn)和無(wú)序點(diǎn)。無(wú)論采用何種測(cè)量設(shè)備，如果使用了多次測(cè)量的方法，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在分布上不遵循一定的規(guī)律，無(wú)明顯的幾何關(guān)系則稱為散亂點(diǎn)，在測(cè)量整個(gè)零件的外曲面時(shí)常出現(xiàn)。散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)除要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊外，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化及散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)的拓樸關(guān)系。根據(jù)點(diǎn)云中的點(diǎn)的分布特征，點(diǎn)云可分為散亂點(diǎn)云、網(wǎng)格點(diǎn)云、等值線點(diǎn)云、掃描線點(diǎn)云。(1)散亂點(diǎn)云測(cè)量點(diǎn)沒(méi)有明顯的幾何分布特征，呈散亂無(wú)序狀態(tài)。隨機(jī)掃描方式下的CMM、激光掃描測(cè)量、結(jié)構(gòu)光測(cè)量等系統(tǒng)的點(diǎn)云呈現(xiàn)散亂狀態(tài)。對(duì)這種點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先要建立其拓?fù)潢P(guān)系，可以通過(guò)三角劃分建立三角網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。圖31 散亂點(diǎn)云(2)網(wǎng)格點(diǎn)云點(diǎn)云中所有點(diǎn)都與參數(shù)域中的一個(gè)均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)。將CMM、激光掃描系統(tǒng)、投影光柵測(cè)量系統(tǒng)及立體視差法獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化插值后得到的“點(diǎn)云”即為網(wǎng)格化點(diǎn)云。圖32 網(wǎng)格點(diǎn)云(3)等值線點(diǎn)云測(cè)量點(diǎn)分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點(diǎn)依次連接可形成一組有嵌套的平面多邊形。莫爾等高線測(cè)量、工業(yè)CT、層切法等系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)云呈現(xiàn)多邊形特征。圖33 等值線點(diǎn)云(4)掃描線點(diǎn)云點(diǎn)云由一組掃描線組成，掃描線上的所有點(diǎn)都位于掃描平面內(nèi)。CMM自動(dòng)跟蹤測(cè)量、CMM、激光測(cè)量系統(tǒng)沿自線掃描的測(cè)量數(shù)據(jù)和線結(jié)構(gòu)光掃描數(shù)據(jù)呈現(xiàn)掃描線特征。此外，對(duì)海量散亂點(diǎn)沿某一方向進(jìn)行橫截面法得到的也是掃描線點(diǎn)云。圖34 掃描線點(diǎn)云 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理在反求工程中占有極為重要的地位，是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的存在，測(cè)量數(shù)據(jù)中難免存在誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也會(huì)出現(xiàn)測(cè)量遺漏和數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象。通過(guò)造型軟件提供的各種視圖和編輯工具可以從多個(gè)角度觀察原始型面數(shù)據(jù)，找出上述缺陷。對(duì)于上述誤差明顯偏大的數(shù)據(jù)點(diǎn)需要將其剔除，以免影響造型精度。另一方面是，一般測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)太大，即使很小一個(gè)模型也要上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。因此數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)是必要的。數(shù)據(jù)預(yù)處理的任務(wù)是針對(duì)不同曲線曲面構(gòu)建方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的處理，以滿足其對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同要求。預(yù)處理過(guò)程包括多視點(diǎn)云的拼合、誤差點(diǎn)的識(shí)別和去除、點(diǎn)云的光順和平滑、精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、特征提取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊等多個(gè)方面。其工作流程圖如圖35所示。圖35 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖 點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)階段預(yù)處理1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)注冊(cè)及拼合多坐標(biāo)多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合是逆向工程中測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一個(gè)基本問(wèn)題，目前處理該問(wèn)題常用的方法是 ICP(Iterative Closet Point Algorithm)算法，該算法首先由點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造出局部幾何特征，然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重定位。其基本思想是：給定兩個(gè)