一種光柵掃描測量系統(tǒng)在模具設(shè)計與制造中的應用

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1、一種光柵掃描測量系統(tǒng)在模具設(shè)計與制造中的應用張樹森肖勝兵鄭成志黑龍江科技學院摘要：討論一種三維光柵面掃描系統(tǒng)的原理.組成及在模具設(shè)計和制造屮的應用。關(guān)鍵詞：逆向工程，光柵掃描，模具設(shè)計與制造ApplicationofRasterScanMeasuringSysteminMoulc1°-一‘JPicturingZhangSliusenXiaoShengbingZh(Abstract：Theprinciple，composingandapplicationofthe3DgiatingsuiKeywords*reverseengineering,rasterscan,mould&

2、diedesignand1引言逆向工程針對現(xiàn)有的產(chǎn)品樣品，利用3D數(shù)字化測量儀器準確、快速地測得其輪廓坐標，并進行三維CAD面型重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進行再設(shè)計，其中幾何三維信息的獲得是逆向工程中很重要的工作⑴?，F(xiàn)在獲得三維兒何信息的方法有很多，其中三維光柵面掃描技術(shù)具有掃描速度快、掃描梢度高和測量范圍廣等優(yōu)點，文中主要介紹徳國GOM公司的ATOS的組成及在模具設(shè)計與制造中的應用。2掃描系統(tǒng)的技術(shù)原理和組成ATOS是基于計算機視覺的光柵面掃描測量系統(tǒng)，它能，出發(fā)，計算三維環(huán)境物體的尺寸、形狀等兒何信懇。雙目立體視覺是人類和動物的視覺系統(tǒng)獲取深度信息的主要手段之一，這里就一般性的原

3、理進行闡述。最簡單的情況如圖1所示。設(shè)C

4、,C「分別為左右兩個攝像機的光學中心位置也即透鏡中心，C

5、、cr所在的線稱之為基線，距離為兩個成像平面在該模型屮是共面的，焦距為設(shè)某特征點P(sy,z)在左右相機成像平面上的投影點分別為竹、Pr,P與基線C,Cr的距離為zo假設(shè)坐標原點與左攝像機光學中心重合,則根據(jù)△PMG和"4相似,設(shè)坐標原點與左攝像機光學屮心重合，則根據(jù)△刖G和△竹/Q相似的原理有收稿日期：2005年4月圖1視差測距原理圖種滿足最小區(qū)域的平而曲線輪廓度誤差評定方法。參考文獻1熊有倫.梢密測量的數(shù)學方法.中國計量出版社，19892蘇步青.微分兒何學.高等教育出版社

6、,19883王旭蘊，張玉坤.輪廓度誤差的悄密測量和評定.計量學報,1995,16(1):124劉文文凌觴挪一種自適應的平面線輪綁度誤差評定—=V（1）zJ同樣的，從△P/VC「和相似,有—（2）Zf由式（1）、式（2）可得由以上推導可以看出深度信息與b、f及X,-xr有關(guān),x,-xr就是點P在左右兩個成像平面上形成的視差，表示P點在左右兩幅圖像中成像點的位置差異[2]oATOS測量儀使用基于雙目立體視覺的光柵面掃描測量技術(shù)來采集數(shù)據(jù)。其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)采集快速便捷，操作方便，測量成本較低，冃具有實時三維測量能力，尤其適合于大型工件輪廓的檢測。掃描系統(tǒng)由兩個CCD攝像機

7、、一個燈光鏡頭、一套標定儀、兩塊圖像采集卡、一塊運動控制卡、一臺PC機及相應的控制碩件和軟件組成。ATOS測量儀外觀如圖2所示。圖2ATOS光柵面掃描測量儀3實測建模圖3渦輪葉片點云數(shù)據(jù)（通過測量設(shè)備）圖5根據(jù)點云山軟件造型得到實體模型圖6由原始圖紙得到的實體模型第二個方面就是在現(xiàn)有的模具破損之前，用現(xiàn)有的模貝來進行模貝的制造，或考是對設(shè)計好的木模，來進行測量，制造出生產(chǎn)需要的金屬模具。其實質(zhì)還是通過快速準確地測量出模型的三維數(shù)據(jù)來進圖7掃描得到IGS文件圖8造型完成后的實體文件ATOS光柵面掃描系統(tǒng)能夠非?？焖俚氐玫侥Ｐ偷娜S表而數(shù)據(jù)，剩下的就是如何快速地進行三維建模。幾

8、何建模是反求工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是影響反求工程速度的瓶頸環(huán)節(jié)，因此，提高反求工程幾何建模的自動化程度和通用性是目前反求工程研究的一個重點方向。常用的反求及CAD軟件有:Surfacer、Geomagic、Re_Sofe、CopyCAD、Pro/E及UG等。這些軟件各有特點，實際應用中通常是取長補短，將兒種軟件結(jié)合起來使用以提高效率，獲得最好的反求結(jié)果。下面以實際測量的一個渦輪葉片的建模過程，來描述逆向工程的建模過程：通過如圖6所示的正確數(shù)據(jù)比照，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計精度0.05mm,模型的尺寸完全可以得到保證。在得到準確的三維模型之后，還可以通過三維軟件方便地刪修改，來進一

9、步地設(shè)計創(chuàng)新。錐形細長軸的車削加工蘭成均屮國工程物理研究院細長軸的直徑和長度之比(厶/〃)一般都大于20,車削時機床一工件一刀具工藝系統(tǒng)的剛性較差,工件極易彎曲且產(chǎn)生振動，特別是加工錐形部分剛度更差。另外，由于細長軸熱擴散性差，切削過程中切削熱使工件產(chǎn)生的線膨脹，也會使工件容易產(chǎn)生腰鼓形、麻花形、竹節(jié)形等缺陷，不易獲得滿意的表面粗糙度及兒何精度。因此車削錐形細長軸時，關(guān)鍵是要提高工藝系統(tǒng)的剛度，這對刀具、機床、輔助工具和工藝方法均有較高要求。如圖1所示，細長軸的材料為45鋼。由于長徑比大，表面精度要求較高，錐形部分