簡(jiǎn)要介紹了測(cè)量造型中應(yīng)用的三維測(cè)量技術(shù), 并以實(shí)物模型為例重點(diǎn)介紹了基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的接觸式掃描技術(shù)稻填，表明了接觸式掃描技術(shù)在高精度測(cè)量應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)掷雪。

1.引言

     隨著汽車(chē)、船舶哗蛋、航空词祝、航天和模具工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品外觀届谈、性能等方面的要求越來(lái)越高枯夜，使得自由曲面零件在現(xiàn)代工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。并且在產(chǎn)品和模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中艰山，設(shè)計(jì)常常不是從已知的圖紙或理論數(shù)據(jù)開(kāi)始湖雹，而是直接以實(shí)物樣件作為設(shè)計(jì)依據(jù)或參考模型。因此必須借助于坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備曙搬，從實(shí)物模型獲取數(shù)據(jù)摔吏，采用測(cè)量造型技術(shù)來(lái)得到CAD數(shù)學(xué)模型以便于進(jìn)行修改，并同時(shí)生成數(shù)控代碼通過(guò)CNC生產(chǎn)出產(chǎn)品或開(kāi)發(fā)制造出模具纵装。

     由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用征讲，特別是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象。本文介紹了測(cè)量造型中應(yīng)用的三維掃描技術(shù)诗箍，對(duì)其精度癣籽、速度、適用范圍進(jìn)行了分析與比較滤祖，以目前市場(chǎng)上流行的超薄CRT電視機(jī)中的16：9扁平玻錐和ZEISS VAST掃描測(cè)頭為例才避，重點(diǎn)介紹了基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的接觸式掃描技術(shù)在測(cè)量造型中的應(yīng)用。

2.三維掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

     三維掃描是集光掰废、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)缴碉，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描敢添，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)叁乍，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段季训。

     三維檢測(cè)技術(shù)是近十年來(lái)蓬勃發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域，常見(jiàn)的三維物體形狀檢測(cè)方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)则沃，而檢測(cè)系統(tǒng)與物體的作用不外乎光肝庸、聲、機(jī)章迎、電等方式吓死，主要的檢測(cè)方法如下圖所示。
 

圖 1三維物體形狀檢測(cè)方法

表1 從精度焚寂、速度普晌、適用范圍對(duì)主要的檢測(cè)方法進(jìn)行了分析與比較。
表1. 各種測(cè)量方法的比較：

    非接觸測(cè)頭數(shù)字化速度高,比如激光帶掃描可達(dá)到 19000 點(diǎn), 3D成像每場(chǎng)可達(dá) 1,300,000 點(diǎn)(一場(chǎng)約需要 10 秒種), 然而, 非接觸測(cè)頭的精度比較低,低于25 微米(100x100x100 mm3 ), 且物體表面條件: 如質(zhì)地, 顏色粗糙度反光程度等沧奴，都會(huì)影響非接觸測(cè)頭的數(shù)字化效果痘括。此外，現(xiàn)有光學(xué)三維測(cè)量主流技術(shù)及其設(shè)備主要針對(duì)的是漫反射物體的三維測(cè)量滔吠，難以有效地測(cè)量非漫反射物體．而在實(shí)際應(yīng)用中纲菌，大量被測(cè)物體的表面性質(zhì)為非漫反射，特別是在工業(yè)領(lǐng)域疮绷，非漫反射物體更是占有較大的比重翰舌，如拋光模具等精加工零部件、印刷電路板的焊點(diǎn)等矗愧。對(duì)于希望作高精度拷貝的應(yīng)用或生產(chǎn)中的精加工工件來(lái)說(shuō)灶芝，使用接觸式掃描測(cè)頭仍然有不可取代的優(yōu)勢(shì)。

      接觸式測(cè)量中目前使用最為廣泛的和最為可靠的方法是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）唉韭。傳統(tǒng)的測(cè)量機(jī)多采用觸發(fā)式接觸測(cè)頭夜涕，每一次獲取自由曲面上一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值女器。這種測(cè)量速度慢口迟，而且很難測(cè)得較全面的曲面信息。九十年代初巨脚，一些坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家保蒲，先后研制出三維力位移傳感的掃描測(cè)量頭，這些測(cè)量頭可以在工件上滑動(dòng)測(cè)量敢弟，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息贼卿，其掃描速度可高達(dá)8m/min，數(shù)字化速度可高達(dá)500點(diǎn)/秒捅振，數(shù)字化精度可以達(dá)到 1 微米彬率，缺點(diǎn)是數(shù)字化速度低。但德國(guó)ZEISS的三坐標(biāo)機(jī)通過(guò)其主動(dòng)式高速掃描VAST模擬測(cè)頭和強(qiáng)大的CALYPSO怯糠、HOLOS署隔、DIMETSION等測(cè)量軟件從特征元素自動(dòng)識(shí)別、數(shù)學(xué)找正瓦统、未知曲線曲面掃描等等方面極大程度地彌補(bǔ)了測(cè)量效率問(wèn)題贿妹，與非接觸式三維檢測(cè)方法需要較多的前期準(zhǔn)備工作如噴顯影劑、貼參考點(diǎn)或參考球金矛、調(diào)整背景亮度或后期較大工作量的數(shù)據(jù)處理等相比芯急，在總耗時(shí)上縮短了差距，成為高精度工件反求測(cè)量的良好選擇绷柒。

3志于、接觸式掃描測(cè)繪應(yīng)用實(shí)例

     在玻璃制品生產(chǎn)中，為加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度废睦，除了根據(jù)用戶提供的產(chǎn)品圖紙進(jìn)行模具設(shè)計(jì)外伺绽，對(duì)樣品實(shí)物進(jìn)行測(cè)繪造型可以更好地了解產(chǎn)品的實(shí)際使用要求和更準(zhǔn)確地快速確定出模具型腔尺寸。對(duì)于玻璃這樣的非漫反射物體嗜湃，接觸式掃描測(cè)量在精度和速度方面具有不可取代的優(yōu)勢(shì)奈应。
 

圖2未知線掃描測(cè)量中的扁平玻錐       

            
圖3 測(cè)量結(jié)果IGES輸出

     圖2、3為目前市場(chǎng)上流行的超薄CRT電視機(jī)中的16：9扁平玻錐在ZEISS PRISMO測(cè)量機(jī)上用CALYPSO測(cè)量軟件中Iterative BaseAlignment數(shù)學(xué)找正法建立工件坐標(biāo)系后购披，按未知曲線Digitize模式用VAST掃描測(cè)頭進(jìn)行閉線掃描等高線的情況和CALYPSO內(nèi)嵌CAD模塊對(duì)曲線測(cè)量結(jié)果和工件坐標(biāo)系的IGES精確輸出杖挣。

    與非接觸測(cè)量法獲得工件外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)后需要通過(guò)Surfacer、CopyCAD等專(zhuān)用RE軟件進(jìn)行除噪刚陡、過(guò)濾惩妇、平滑、稀疏等預(yù)處理不同筐乳，由于主動(dòng)式連續(xù)掃描測(cè)頭能夠精確地得到測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和法矢撤掀，所以數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作大為簡(jiǎn)單狱槽。對(duì)玻錐測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)只需去除每條曲線兩端觸測(cè)點(diǎn)附近的幾點(diǎn)數(shù)據(jù)和在CAD軟件中由點(diǎn)構(gòu)建曲線時(shí)的個(gè)別異常點(diǎn)即可。

圖4  CAD軟件中的測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn)    

               
圖5  產(chǎn)品CAD造型

    將處理后的點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中按點(diǎn)→線→面的方法逐條構(gòu)建曲線拂谆，再采用過(guò)曲線造面的方法分片構(gòu)面屿帕，然后通過(guò)曲面編輯的方法得到整個(gè)產(chǎn)品的造型⌒崭伲或是通過(guò)Surfacer盗晓、CopyCAD等專(zhuān)用RE軟件進(jìn)行除噪、過(guò)濾愕啰、平滑津霜、稀疏等預(yù)處理后構(gòu)造三角面片再生成曲面也可得到整個(gè)產(chǎn)品的造型。 如圖4温盅、5所示殃烤。

4、 結(jié)束語(yǔ)

     對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量造型過(guò)程中的三維數(shù)據(jù)采集方法多種多樣篡话，非接觸式或接觸式掃描測(cè)量都有各自的應(yīng)用范圍，在高精度和非漫反射物體等的測(cè)量中水孩，基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的接觸式掃描測(cè)頭仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)镰矿，并將繼續(xù)在產(chǎn)品和模具開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。

（柴書(shū)彥俘种，王立新秤标，程金宏，劉洪濤 ）

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