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1、第一章 绪论引言随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技信息的传播速度，产品生命周期越来越短。追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多，批量越来越小，企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争。而更重要的是产品开发速度以及上市时间的竞争，这种趋势在21世纪头10年将日趋强劲。因此产品的开发速度和制造技术的柔性和可移植性变得十分关键。 快速原型制造(Rapid Prototyping，以下简称RP)技术就是在这种背景下产生的。RP技术综合运用了计算机辅助设计技术、数控技术、激光技术、材料科学和自动化控制等技术的发展成果，采用分层增材制造的新概念取代传统的去材或变形法加工，是当代最具有代
2、表性的制造技术之一。快速原型制造技术对所加工的零件的几何形状无特别要求，可以将给定数据还原成实体模型，即它可快速、准确地将设计思想变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速的评估、及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。对于大多数产品，都可以在通用的CAD软件上设计出它们的三维模型，求得相应的数据，另一方面我们还需要对原产品进行复制或仿制加工，或进行产品的二次开发，在某些情况下由于存在多种因素的影响，如功能，工艺，外观，使得相当一些零件的形状很复杂，无法用通用的方法在CAD软件上准确的设计出它们的实物模型，而且整个开发周期长，开发成本高，因此有必要首先开
3、发出一定比例的小的实物模型，如木模，蜡模等。反求工程(也称逆向工程Reverse Engineering)应运而生，反求工程是根据已有的实物样件，利用3D测量技术快速测得实物的数据点，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺等诸多方面。所谓“逆向工程”是相对于通常的先有设计意图再进行设计然后再加工出实物的设计流程顺向工程而言。如图11所示：逆向工程是当前用于产品开发和仿制加工的一种先进手段，是集测量技术、CAD技术、激光技术、材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术，它针对现有的工件（样品或模型），利用3D数字化测量仪器快速、准确的测得大量轮廓坐标点，并对这些坐标点进行去噪，匹配加以构建，
4、修改后输入到CAD/CAM系统，生成NC的刀具加工路径，或输入CNC进行生成所需的模具，或者生成某种格式的文件输入到快速成形机将样品模型制造出来。1.1 光学三维测量机的应用与发展状况三维光学测量机就是这样一种设备，它可以将在三维物理空间中的被测物体复制到三维数据空间当中并进行重现，我们称之为建立三维模型。这种能力使三维扫描仪拥有非常巨大的应用前景。由于逆向工程技术具有广泛的应用领域和实用价值，因此，世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发和推广应用，他们无不站在21世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。目前该项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发、汽车和飞机覆盖件的快速检
5、测和反求、快速模具、医疗及康复工程、家用电器、工业设计、工艺品制作以及儿童玩具等领域，取得了巨大的经济效益。目前，国外不同测量原理的逆向设备已进入我国市场，如英国3D-Scanner公司、德国GOM公司以及美国、日本、比利时等国产品。国外设备虽然性能优良，但价格十分昂贵，国内企业，特别是大量的中小企业一般很难有能力购买。而且国外产品并不能完全适合我国国情，还需本土化。课题组申请的省自然科学基金资助项目，能够从整体上降低逆向工程技术在我国的使用门槛，使国内众多的中小企业能够使用这种先进技术来提高产品开发能力和市场竞争能力。国外生产厂家采取多种方式大力推介他们的设备，如，德国GOM公司正在开发中文
6、版三维测量软件。形势十分严峻,时不我待。尽快开发出提升我国制造业水平和自主创新能力的这一关键设备，是我们义不容辞的责任。近年来，华中科技大学、上海交大、西安交大、清华大学、南京航空航天大学、大连理工大学等高校也加强了对逆向工程技术的研究。华中科技大学生产了我国第一台商品化激光线扫描台式反求设备，北京天远公司也推出了他们的产品。但总体上来看，国内的逆向工程技术研究和设备研发还处于初级阶段，设备品种单一，与国外先进技术相比还有很大差距，远没有达到大面积推广与应用的水平。1.2 设计研究的目的和意义逆向工程（Reverse Engineering）在传统的汽车，航空航天，通讯、家电、艺术品的快速模具
7、制造与检测领域有着广泛的应用。它是一门集机器视觉、CAD/CAM、光学测量、数控、精密机械、图像采集与处理、工业设计为一体的高新技术，是一种对模型进行仿型测量、CAD模型重构、模型加工并进行优化评估的设计方法。作为先进制造技术重要分支，已成为吸收、消化国内外先进技术、实现产品快速开发和创新的重要手段，可以避免走自行开发中的许多弯路，极大地增强企业的竞争能力。它针对现有的模型或样品，利用3D数字化测量仪器，准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行三维CAD曲面重构，在此基础上再设计，实现产品“创新”。然后通过CAM系统，产生刀具NC加工代码，控制CNC设备进行产品加工，或者送到快速成型机将模型或样品快
8、速制作出来。这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象。例如：在汽车车身等复杂覆盖件的工业设计中，形状独特而复杂的自由曲面一般不能直接建立起CAD模型，而是以制件模型（如粘土模型等）或经手工修改后的样件为设计原型，这类零件具有非常复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立非常困难。但是，一旦重构出自由曲面，并建立起CAD模型后，就可以方便地进行设计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控加工指令生成等。这就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计理念重构汽车车身CAD模型（或新产品模型），并进行反复优化评估，直到得到满意的设计结果。三维扫描测量技术
9、、设备和软件是逆向工程的重要组成部分。在产品快速设计开发、快速模具和复杂型面数控加工等方面都具有重要意义。1.3 本文的内容安排绪论主要阐述逆向工程的概念，三维光学测量机在逆向工程中的作用以及它的应用与发展，本次设计的目的及其重大意义。第二章首先介绍三维光学测量机系统的测量原理，测量机的特点，然后详细介绍了控制系统的原理。第三章主要介绍三维光学测量机的整体设计法案。第四章主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择，对相应的硬件进行详细的介绍。第五章介绍测量机的相关设计计算。第六章进行了全文总结以及对测量机的未来展望。1.4 本章总结本章首先介绍逆向工程的发展背景，概念，三维测量机在逆向工程中的应
10、用状况；随后介绍了逆向工程中数据获取方法和CAD建模方法，并将各种方法进行了简单比较；本次设计的目的、意义。最后对本次设计的整体安排进行了介绍。第二章 光学三维测量机的测量原理2.1测量机的测量原理光栅投影照相式三维测量仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，应用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。光线垂直照射被测物体表面，运动控制器通过驱动器控制步进电机带动双目面阵CCD实时地将被测物体的图像送入图像采集卡，图像采集卡把采集到的数据信息送入计算机进行
11、相应的图像处理以后得到三维的数据点云。其基本原理如图2-1所示：2.2 三维测量机的特点1、扫描速度极快：5秒内可得到100多万点，效率很高 2、第三代的面扫描方式：每次扫描一个面，获得整个面的三维数据，测量点分布密度极高且非常规则 3、非接触扫描：利用照相式原理，进行非接触式光学扫描，得到物体表面三维数据。而且适应了柔软、易变形物体的测量要求。 4、精度高：利用独有的测量技术，实际精度可达0.02mm 5、大景深：扫描景深可达300500mm，为国内最高。适合景深较大物体扫描 6、标志点自动拼接：可将多次测量结果自动拼接，扫描时物体可任意翻转和挪动。通过对标志点的拼接加以生成多次测量数据，从
12、而实现大面积扫描。减少了测量的死角。 7、点云噪声处理和修剪：可以对测量产生的噪音点进行修剪、剔除。 8、对环境要求不高：环境光对该扫描系统影响不大，在大多数的环境下都能获得高性能的数据 9、便携式设计：设备部件易拆易装，方便带至测量现场。 10、测量输出数据接口广泛：测量所得的点云数据为ASC、VRML格式，可直接与Surfacer（imageware）、UG、CATIA、Geomagic、ProE、MasterCAM等软件交互数据 11、软件性能良好：兼容Windows98NT2000XP平台，用户易学易用，不需过多的培训就可以熟练操作，兼容性好，简便易学 12、彩色扫描：不但可以得到数字
13、信息，还可以得到RGB彩色信息2.3 控制系统原理介绍随着自动控制技术的发展，控制系统的种类越来越多，可以分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统如图2-2所示：计算机（可以包含各种控制器）根据所要求的进给速度和位移输出一定频率和数量的脉冲，这种脉冲信号往往是标准的TTL电平，驱动能力小，不足以驱动电机，此时就需要相应的功率放大器步进电机驱动电路把相应的信号放大。每个脉冲驱动步进电机旋转一个步距角，从而带动丝杠，由丝杠带动刀具、测头等。由于步进电机的机械位移与输入的脉冲有严格的对应关系，而脉冲输入的频率则对应电机的转速，因此通过输入脉冲数和频率即可控制速度和位移。但开环系统
14、没有反馈装置，计算机输出一定的脉冲数，无法知道步进电机是否丢步，丝杠是否移动到了指定的位置。因此这种系统只能靠机械和电机的精度保证，系统速度和精度都较低。闭环系统常用在精度要求较高的反求系统中，一种构成位置环控制系统原理如图2-3所示。当位置反馈信号从电机端部通过编码器或者从丝杠端部获得（如图2-3虚线所示），间接测量执行部件的实际位置为半闭环系统；当位置反馈信号从丝杠等执行部件上直接测实际的位置或位移（如图2-3实线所示）为全闭环系统。这种闭环或半闭环系统由于对实际的执行部件的位置进行反馈，因此其位移精度高于开环系统。由图2-3见闭环伺服控制系统包含速度调节部分和位置调节部分，数控装置进给的
15、指令通常包括位移和速度两个信息。为了使电机的输出速度和位置跟随速度和位置指令，系统设有速度和位置控制部分。速度测量一般用测速发电机或脉冲编码器，随时测得电机的实际转速，与速度指令相比得到速度误差信号，即可对电机的速度进行调节；位置反馈用一般脉冲编码器或直线光栅尺，将测得的实际位置与指令位置比较的得到的结果即是位置误差信号，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的运动规律进行转换后得到进给伺服系统的速度指令。从扫描系统的特点，速度，精度，成本等方面考虑，我们选择了半闭环控制系统，采用编码器反馈回各轴的位置信息，然后再与设定值进行比较，将偏差信号作为误差补偿信号，这样的半闭环控制系统硬件比较简单，
16、控制较方便，系统的精度介于开环和闭环系统之间，精度符合我们要求。2.4 本章总结本章首先介绍了三维扫描系统的工作原理，采用结构光三角原理进行测量；接着简单介绍了控制系统的分类，介绍了开环控制系统和闭环控制系统，并根据系统的精度要求和成本考虑选用了带有编码器反馈的半闭环控制系统，并符合三维光学测量系统的要求。第三章 光学三维测量机整体设计方案3.1 设计要求在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性。设计一个部件，其过程大致如下：首先，确定末端执行件的概略形状尺寸，然后，设计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸。若为运动导轨结合部，则执行件一测相当于滑台，相临部件一测相当于滑座，考虑导轨精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。根据导轨结合部的设计结果和该运动
