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来自 澳门新葡萄京在线 2019-11-28 08:56 的文章
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其设备包括面扫描三维测量设备及室内GPS跟踪定

Study on Several Key Techniques on 3D Digital Non-touched Measurement◎施进发/郑州航空工业管理学院探讨三维数字化非接触测量的几个关键技术,包括测量光源设计、瞬时法矢获取方法、非接触测头跟踪法矢的技术、避免测量盲区的措施、材质影响与镜面反射的消除方法等。近年来,有关物体三维数字化测量技术得到了迅速发展。其中的非接触测量技术发展更为迅速,例如,一维非接触测量方法有三角法、离焦法、自聚焦法、反射强度法、干涉法等,二维非接触测量方法有像面扫描法、物面扫描法、光学图像识别法等,三维非接触测量方法有莫尔条纹法、体视显微镜法等。非接触测量方法之所以在短时期内能得到如此快速发展,是因为它有许多无以伦比的优点,例如,允许高速扫描测量;可用摄像头或莫尔条纹等,对一个面进行测量;与工件不接触,可测柔软、易变形的工件;可在诸多特殊环境(如无损伤表面、强腐蚀、强辐射)条件下实施测量等。但是,目前在物体三维数字化非接触测量领域内,尚有许多关键技术如测量光源设计、瞬时法矢获取方法、非接触测头跟踪法矢的技术、测量盲区的措施、材质影响与镜面反射的消除方法、提高测量精度策略等,都需要进一步探索和研究。测量光源设计对于非接触测量方法,一般都需要有测量光源或称信号光源(必须经被测件表面反射)。由于激光比其他性质的光有明显的优越性,而常被选为非接触测量方法中的测量光源。因为测量光源经被测物体表面反射后将会带回被测物体表面特征信息,测量光源设计方案的不同,决定了具体测量方法的不同。例如,设计了一维点光源,则相当于一维非接触测量方法;设计了二维平面光源,则相当于二维非接触测量方法等。下面,介绍一维点光源两种测量光源设计方案。第一种测量光源设计方案为双束激光聚焦方案,为实现其聚焦,采用类似于人眼调焦原理,即采用两束等波长激光,每束激光经准直系统后分别对称地反射到被测物体表面上,被测物体表面光斑聚焦成像于图像传感器。第二种测量光源设计方案为单束激光聚焦方案。将单束激光经一凸透镜聚焦后形成的小光斑照射在被测物体表面上,被测物体表面光斑的漫射光又由该凸透镜收集,并经环状光阑后再由另一透镜聚焦在图像传感器上。以上两种方案都可以通过几何光学原理,由透镜焦距和环状光阑中心半径,建立图像传感器上光斑成像位置与被测物体表面光斑到透镜物焦点距离的函数关系。瞬时法矢获取方法在以激光作为测量光源的非接触测量方法与技术中,测量光源照射被测物体表面所形成光斑的形状、大小和质量,对测量精度都有着十分重要的影响。其中光斑形状的影响更明显。一般来说越趋于圆形的光斑,测量效果越好。实践证明,光只有沿着法矢方向照射被测物体表面时,才能在被照射点形成理论上的圆形光斑,否则将形成椭圆形或其他畸形光斑。这些非圆形光斑,将会影响测量数据的有效获取,产生测量坏点形成测量误差。因此,获取被测物体表面瞬时法矢以确保获得圆形的照射光斑,是激光非接触测量方法中的关键技术之一。被测物体表面曲率的变化规律事先是不可全知的,而且有些被测物体表面是复杂的曲面本身就不可能用数学公式来表示,因此,也就不可能利用传统的曲面曲率与法线的函数关系来找到被测物体表面的瞬时法矢。但是无论多么复杂的被测物体表面,它的法矢总是存在的。这里,首先借助于经聚焦后的测量扫描光信号的发送与接收,由光电子图像传感技术和几何光学原理来精确地计算出与被测物体表面有关的三维数据信息;然后采用先进的软件细分插补技术和拉格朗日插值算法,拟合出待测物体表面部位的法矢。拟合精度随细分精度的提高而提高,拟合法矢也随之趋近于理论上的绝对法矢。非接触测头跟踪法矢的技术由于被测物体表面的法矢在测量过程中是瞬态变化的,所以非接触测头必须随之作相应的跟踪变化。实现这种跟踪变化,目前已有成熟的技术,即可采用类似于机器人手腕能在空间做任意方向转动的技术,来确保非接触测头能在空间到达任意方位和姿态,从而能随时跟踪法矢。若考虑测头能沿法矢随动,则可通过闭环控制原理和精密光栅技术的联合应用来实现。若考虑测头在测量、跟踪与随动过程中保持沿法矢等距的情况,则可以通过建立有关的跟踪与随动准则来实现。避免测量盲区的措施测量盲区,即不可测区,是指在非接触测量过程中,由于被测物体表面曲率的变化等因素,测量光源无法照射到或照射质量不高,从而无法实现通过测量光源的照射来提取被测物体表面形状特征信息的局部区域。一般来说,测量过程中测量盲区越少的测量方法,其技术比较成熟与完善。不过,再先进和完善的测量方法,都很难百分之百地避免在测量过程中所出现的测量盲区。要想避免这种测量盲区,可以从三个方面来考虑。第一,考虑采用非接触测量头正、逆扫描结合的方式来避免测量盲区。若在正向扫描中,出现局部测量盲区,则通过加测一次逆向扫描,从理论上来讲原先正向扫描存在的局部测量盲区将会消失,当然也可能在不同位置产生新的局部测量盲区;但正、逆两次测量结果的叠加,便会消除测量盲区。第二,从结构上确保非接触测量头能做全方位周向旋转。测量头旋转一周的过程中,测量信号扫描出一幅锥面光,也就是说测头可以从任一方向来测,因而不会出现测量盲区。第三,探索较远距离的非接触扫描技术。对于人眼而言,若是从一幢大楼的正面观察,则离它很近时,看到的只能是局部甚至仅能看清一扇窗户;而离它稍远些,看到的就可能是整个正面的全貌,当然清晰度会相对低些。同样,在满足精度要求的前提下,测头离被测物体表面稍远些,会适合表面凹凸变化较大的物体表面测量。材质影响与镜面反射的消除方法在所有利用光照射被测物体表面、再利用被测物体表面漫反射光来获取被测物体表面形状特征信息的非接触测量方法中,都不可避免地会遇到被测物体表面的材质影响和镜面反射问题。有关实验表明,越接近黑色的东西,对照射光的吸收越大(这是符合"黑洞"效应的),几乎没有漫反射;越接近白色的东西,对照射光的吸收越小,漫反射的强度越大;越接近镜面的东西,对照射光将遵守几何光学定律,几乎不存在漫反射现象。可见,基于光漫反射原理的非接触测量方法,对于具有镜面反射或近黑色材质的东西,难以应用;而对于近白色材质的东西,则具有优越性。为了让测量方法能适合于具有镜面反射或近黑色材质的东西,先在被测物体表面上均匀地涂上一层白色辅助材料后,再实施非接触测量的技术,这样便可彻底解决镜面反射与材质影响问题。这里,在测量获取的信息中扣除白色均匀涂层的厚度即是被测物体表面形状特征的真实信息。另外,在选用白色涂层材料时,要考虑容易被水或某种液体冲洗的因素,以便测量过程结束之后使被测物体表面能快速还原。提高测量精度的措施随着科学技术的飞速发展,各种测量方法、技术及其仪器的测量精度都在不断提高,达到微米级精度的技术已经比较成熟,目前正在向纳米级精度的方向迈进。影响测量精度的因素很多,但主要的可以从以下几个方面综合考虑以提高测量精度。提高测量光源的质量。可以通过选用高质量、高性能的激光发生器来解决。提高接收反射光或漫反射光的质量。可以通过选用高性能、高质量的光电传感器来解决。提高标尺精度。可以采用激光干涉标尺或精密光栅尺等来实现。提高结构精度(包括测量系统主机、测头及其附件的精度)。必须严格按照光机结构的要求来设计与加工,才有可能实现预期的结构精度目标。尽可能减小环境因素带来的影响。采取优选的采样策略。开发高质量的测量软件,实现在一定程度上有效减小系统误差。

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澳门新葡亰手机版 2 面扫描三维测量设备澳门新葡亰手机版 3 GPS跟踪定位设备

在机械零件切削的过程中,刀具或砂轮遗留的刀痕,切屑分离时的塑性变形和机床振动等因素,会使零件的表面形成微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况叫做表面粗糙度, 也称为微观不平度, 它是一种微观几何形状误差。 产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量,因而粗糙度是重要的工业参数。

■记者团 李秋荣

粗糙度仪又叫表面粗糙度仪、表面光洁度仪、表面粗糙度检测仪、粗糙度测量仪、粗糙度计、粗糙度测试仪等多种名称。由于表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系,所以粗糙度仪做为测量设备在工业上有着广泛的应用。

日前,我校材料学院快速制造中心吸引了众多重工企业的目光,他们感兴趣的是史玉升教授团队研发的“组合式大尺寸空间精密三维测量系统”,这一发明不久前在第40届日内瓦国际发明展上获得金奖。

粗糙度仪从测量原理上主要分为两大类:接触式和非接触式,接触式粗糙度仪主要是主机和传感器的形式,非接触式粗糙度仪主要是光学原理,例如激光表面粗糙度仪。

其设备包括面扫描三维测量设备及室内GPS跟踪定位系统澳门新葡亰app下载:。据了解,飞机、船舶等大型物体在设计和制造过程中需要对其外表面进行快速而精密的三维数据测量,目前国内外使用最广泛的是面扫描三维测量设备加上摄影测量系统的三维测量方法,但其有两个缺陷:一是需要在被测物体上贴大量的标志点,耗费时间长;二是当测量物体尺寸大到十几米以上时,累计测量误差会增大,从而导致整体测量精度明显降低。

应用领域

针对这两个缺陷,快速制造中心研发出了“组合式大尺寸空间精密三维测量系统”。发明者之一李中伟博士介绍说,这是运用他们提出的外部参数标定算法和开发的数据拼合软件,将面扫描三维测量技术和室内GPS技术有机结合,形成的一种新的测量方法,其设备包括面扫描三维测量设备及室内GPS跟踪定位系统。

表面质量特征是零件重要的特征之一,由于表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系,因而粗糙仪有着广阔的应用领域。

在测量大型物体时,使用面扫描三维测量设备快速测量被测物体局部的细节三维信息;同时由室内GPS跟踪定位系统的四个红外激光发射器,实时跟踪定位出固定在测量终端上的多个传感器在整个测量空间的坐标;然后根据预先标定出的系统外部参数,把测量终端每次测量的数据自动拼合在一个统一的世界坐标系下面,从而可以精确地获得整个物体的三维数据。此方法不仅可以省去在物体上贴标志点的环节,而且可以支持多台设备同时测量,这大大提升了测量的速度和精度,效率提高了三到五倍以上。

目前粗糙度仪的应用领域有:

据李中伟介绍,早在2007年,快速制造中心对传统的面扫描三维测量设备进行了改良,研发了PowerScan系列面扫描三维测量技术及设备,使其1.5秒可测130万个点云数据,而传统测量方法则需5秒左右。

1、机械加工制造业,主要是金属加工制造。粗糙度仪最初的产生就是为了检测机械加工零件表面粗糙度而生的。尤其是触针式粗糙度测量仪比较适用于质地比较坚硬的金属表面的检测。如:汽车零配件加工制造业、机械零部件加工制造业,等等。这些加工制造行业只要涉及到工件表面质量的,对于粗糙度仪的检测应用是必不可少的。

改良后的测量设备虽然已经能够满足绝大部分工业的应用需求,但为了在大尺寸物体测量方面有所突破,2008年,快速制造中心开始寻找适合与测量终端结合的大尺寸跟踪定位系统,调研时他们发现当测量空间超过30米时,室内GPS跟踪定位系统是所有的同类系统中精度最高的,而且它可同时追踪多个传感器,这要是能与测量终端结合,效率可成倍增加,精度也可得到保证。

2、非金属加工制造业,随着科技的进步与发展,越来越多的新型材料应用到加工工艺上,如陶瓷、塑料、聚乙烯,等等,现在有些轴承就是用特殊陶瓷材料加工制作的,还有泵阀等是利用聚乙烯材料加工制成的。这些材料质地坚硬,某些应用可以替代金属材料制作工件,在生产加工过程中也需要检测其表面粗糙度。

此后,快速制造中心又提出了外部参数标定算法并开发了专业的数据拼合软件,今年年初他们成功地将测量终端和室内GPS跟踪定位系统有机结合起来,形成了“组合式大尺寸空间精密三维测量系统”。在实际运用过程中,该系统将测量2.5米长的风力发电叶片的时间由传统方法的半个小时以上缩短至十分钟左右,适用于飞机、船舶、风力发电叶片等大型物体的三维测量,目前已在国内外多家单位使用。

3、随着粗糙度仪的技术和功能不断加强和完善,以及深入的推广和应用,越来越多的行业被发现会需求粗糙度的检测,除机械加工制造外,电力、通讯、电子,如交换机上联轴器、集成电路半导体等生产加工过程中也需粗糙度的评定,甚至人们生活中使用的文具、餐具、人的牙齿表面都要用到表面粗糙度的检验。

值得一提的是,快速制造中心研发的面结构光三维测量设备曾获2011年度教育部科技进步一等奖。其在2011年8月顺利通过了教育部组织的科技成果鉴定,包括国内知名的测试计量技术及仪器专家叶声华院士在内的鉴定委员们一致认为:该项成果创新性强,所研发的系列面结构光三维测量设备在总体性能指标上达到同类设备的国际先进水平,推动了我国面结构光三维测量技术和设备的发展。

基本原理

非接触式粗糙度检测设备采用激光三角法原理对被测物体表面和激光器之间的距离变化进行测量。该方法提供了通过一台千兆网工业相机精确测量某一平面位移值的理论根据,从而将对工件表面高度变化值的测量转化为对相机成像面上光斑中心位置偏移值的测量。

激光三角法属于无接触测量,测量时,由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上,通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。

澳门新葡亰app,利用直射式三角法进行微位移测量在实际应用中必须满足以下的条件:

1、必须保证激光束始终和被测量物体表面垂直;

澳门新葡亰手机版,2、要使得被测量物体的运动方向和测量面垂直;

3、要使得测量点尽量在参考零点附近并且始终要在测量范围之内。

澳门新葡亰app下载,利用激光三角法测量原理测量工件表面高度变化的精确度很高, 理论精度可以达到±0.01mm 以下。我国目前将激光三角法应用于粗糙度、平面度以及工件高度和三维形状的检测技术方面的研究工作还做的很少,相关的文献资料基本上也没有,无先例可以参考借鉴,而在其他的加工领域,激光三角法已有不少应用的先例,如激光切割高度跟随系统精度在 0.01mm,国产的锡膏测厚仪精度在 0.1µm,激光测厚仪精度在1µm。

系统构成

非接触式粗糙度检测设备主要由激光光源系统、工业相机成像系统、计算机软件系统和驱动机构组成,如图所示。计算机系统为核心控制系统,用于控制相机的图像拍摄和存储,同时负责响应操作员发送的外部命令;

激光光源将光照射在被切割工件表面上;相机系统负责摄取图像信息,并输入计算机,通过计算机计算得出工件表面高度;驱动机构接收到计算机的指令后,调节传送带的速度,满足不同调节测量。

搭建该系统需要激光器、照明光源、滤光片、华用科技千兆网工业相机、工作台、驱动装置、PC机。激光三角测量法将对工件高度变化值的测量转化为对工业相机成像面上光斑中心位置偏移值的测量。测量的精度很大程度上和光斑在工业相机成像面上像点能量中心位置的测量准确度有关。光斑像点在工业相机上一般要占据几十个到上百个光敏单元,如果光斑本身越小,则像点也越小,光斑的能量中心也越突出, 则光斑的能量中心越容易检测。同理,光斑的光强越大,光斑的能量中心也越突出,则光斑的能量中心越容易检测。

方案优势

与传统的接触式粗糙度度检测设备相比,我们提供的激光非接触粗糙度检测设备具有独特的优势:

1、接触式粗糙度仪测量时需要探针接触,测尖易磨损和损坏,同时也容易划伤工件表面。而激光非接触粗糙度仪避免了对被测物体造成划痕和磨损,尤其适用于各种柔软材料、易腐蚀材料和传统方式无法检测的表面形态测量和分析。

2、接触式粗糙度仪需要工作过程中多次校准,而对于特定的测量环境,激光粗糙度测量仪只需一次性设置和校准,节约维护和再检定的时间和金钱成本。

3、传统的粗糙度测量仪不能安装在生产线上进行在线连续动态测量。激光粗糙度测量仪测量速度是传统仪器的10到100倍,可以安装在产品上进行动态测量。

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