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)，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)。
1.引言
隨著汽車(chē)、船舶、航空、航天和模具工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品外觀、性能等方面的要求越來(lái)越高，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，設(shè)計(jì)常常不是從已知的圖紙或理論數(shù)據(jù)開(kāi)始，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，從實(shí)物模型獲取數(shù)據(jù)，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。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，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)，對(duì)其精度、速度、適用范圍進(jìn)行了分析與比較，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3dfamily 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，SP25掃描測(cè)頭為例，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)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、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的*，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，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)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。
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)，而檢測(cè)系統(tǒng)與物體的作用不外乎光、聲、機(jī)、電等方式，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
下表從精度、速度、適用范圍對(duì)主要的檢測(cè)方法進(jìn)行了分析與比較。
表 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，都會(huì)影響非接觸測(cè)頭的數(shù)字化效果。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，難以有效地測(cè)量非漫反射物體。而在實(shí)際應(yīng)用中，大量被測(cè)物體的表面性為非漫反射，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，非漫反射物體更是占有較大的比重，如拋光模具等精加工零部件、印刷電路板的焊點(diǎn)等。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)，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)量中目前使用的和zui為可靠的方法是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。傳統(tǒng)的測(cè)量機(jī)多采用觸發(fā)式接觸測(cè)頭，每一次獲取自由曲面上一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值。這種測(cè)量速度慢，而且很難測(cè)得較全面的曲面信息。九十年代初，一些坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家，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，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，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，數(shù)字化精度可以達(dá)到 1 微米，缺點(diǎn)是數(shù)字化速度低。
3.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，除了根據(jù)用戶(hù)提供的產(chǎn)品圖紙進(jìn)行模具設(shè)計(jì)外，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，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)。
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3DFAMILY測(cè)量機(jī)上用3D-DMIS測(cè)量軟件中的數(shù)學(xué)找正法建立工件坐標(biāo)系后，按未知曲線Digitize模式用SP25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輸出。
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RE軟件進(jìn)行除噪、過(guò)濾、平滑、稀疏等預(yù)處理不同，由于主動(dòng)式連續(xù)掃描測(cè)頭能夠地得到測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和法矢，所以數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作大為簡(jiǎn)單。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)*線時(shí)的個(gè)別異常點(diǎn)即可。
圖 2 CAD軟件中的測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn)
圖 3 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)*線，再采用過(guò)曲線造面的方法分片構(gòu)面，然后通過(guò)曲面編輯的方法得到整個(gè)產(chǎn)品的造型?；蚴峭ㄟ^(guò)Surfacer、CopyCAD等RE軟件進(jìn)行除噪、過(guò)濾、平滑、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2、3所示。
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，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，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)，并將繼續(xù)在產(chǎn)品和模具開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。
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