光学三维测量机设计

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，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、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，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的行程，直到基础支撑件。在设计中，处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联系实际是指对工艺可能性的分析，在参数拟订和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势，更应了解我国的实际生产水平，使设计的机器能发挥最佳的效果。从小处讲，指对设计的机械零部件的制造工艺、装配和维修要进行认真的切实际的考虑和分析。学会使用设计手册，对推荐的设计数据和各类标准要结合实际情况取舍。通过设计实践，了解和掌握结合实际、综合思考的设计方法。3.2 光学三维测量机的基本结构分析1， 主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）； 2， 测头系统； 3， 电气控制硬件系统； 4， 数据处理软件系统（测量软件）；3.2.1设计任务和内容设计任务定位在光学三维测量机机械结构及运动控制系统设计，其中机械部分的设计包括底座设计，主要承担运动功能。设备部件易拆易装，方便带至测量现场，不受地域的限制；其次是滑道的设计，包括限位手柄、整体结构的设计， 主要使测量机的扫描头可以实现y轴、z轴、绕z轴旋转的运动功能，扩大其测量范围。最后是测量机扫描头的设计，包括内部结构设计，主要是光栅电动平移台的设计；第二，控制系统设计。3.2.2 总体设计法案的拟定方案拟订为测量机机械结构和控制系统的设计，其中主要是测量机的整体结构定型；扫描头沿y、z轴的运动，绕z轴的旋转系统设计；底座支撑设计；扫描头设计。PLC控制系统设计。3.2.3 光学三维测量机机械部分设计测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。 初步设计方案具体化，技术设计阶段是将方案设计阶段拟订的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过技术经济分析，选择较优的设计方案。（1）确定结构原理放案根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。其中包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定和限制结构设计的空间条件，。在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。（2）总体设计总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。总体设计的内容大致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。（3）结构设计 结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。进行结构设计时，必须遵守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性等。光学三维测量机的结构草图如下：图3-1 光学三维测量机3.2.4 控制部分设计光学三维测量机系统的控制部分采用PLC控制。本书以S7-200系列PLC为目标机型，介绍西门子PLC的特点，为今后更好地学习和掌握S7-300/400打下基础。S7-200系列PLC作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个领域得到广泛的应用。1.S7-200系列PLC的基本硬件组成S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。（1）基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表3-1：表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块，78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块，168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块，248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块，48路数字量I/O点或35路模拟量I/O点 （2）.扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表3-2所示。表3-2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM23531 （3）.编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。 （4）程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。 （5）.写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。 （6） 文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。 2. S7-200系列PLC的主要技术性能下面以S7-200 CPU224为例说明S7系列PLC的主要技术性能。 （1）一般性能，S7-200 CPU224的一般性能如表3-3所示。表3-3 S7-200 CPU224一般性能电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护。在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740PII，PG760PII，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个 （2）输入特性S7-200 CPU224的输入特性如表3-4所示。表3-4 S7-200 CPU224输入特性类型源型或汇型输入电压DC 24V，“1信号”：14-35A，“0信号”：0-5A，隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大30kHz （3）输出特性，S7-200 CPU224输出特性如表3-5所示。表3-5 S7-200 CPU224的输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC 24V（20.4-28.8V）DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压“1信号”：最小DC 20VL+/L-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“0信号”：10sA“0信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200WS7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块 S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均为12位。 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表3-6所示。表3-6 S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能类型数字量扩展模块模拟量扩展模块型号EM21EM222EM223EM231EM232EM235输入点8无4/8/163无3输出点无84/8/16无21隔离组点数824无无无输入电压C24VDC24V输出电压DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230VA/D转换时间250s250s分辨率12bitA/D转换电流12bit电流11bit12bitA/D转换本文主要是扫描仪中光栅电动平移台的控制如图3-1所示：图3-1 PLC控制接线图3.3 主要参数的设定z向工作行程为2400mm，y向工作行程为1200mm，平移台行程40mm。工作进给速度为1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min进给运动的总阻力F测量精度为0.021mm3-4 本章总结本章主要介绍了此次设计的总体方案，主要设计的内容，详细介绍了S7-200系列PLC的结构功能。第四章 机械部分的具体设计及其硬件选择4.1 底座的设计根据设计要求，设计的产品不受地域和空间位置的影响，采用无固定式设计，设计结果如下图所示：图4-1 底座侧视图及主要尺寸标注图4-2 底座俯视图4.2 滑动体主要设计光学三维测量机另一个设计要求，扫描仪可以根据不同的视觉要求调整不同的视觉角度，所以本次采用扫描头三自由度设计。主要是实现y、z轴的移动和绕z轴的旋转。设计结果如下图4-3所示：图4-3 滑道的主要结构4.3 光学扫描仪测量系统的硬件组成4.3.1结构光三维测量系统的硬件组成光栅编码法测量组成原理如图4-4所示，光源照射光栅，经过投射系统将光栅条纹投射到被测物体上，经过被测物体形面调制形成测量条纹，由双目摄像机接受测量条纹，应用特征匹配技术、外极线约束准则和立体视觉技术获得测量曲面的三维数据。图4-4光栅编码法测量原理图4.3.2 CCD基本知识CCD是一种以电荷包形式存储和传输信息的新型半导体器件，目前正向小型化与多像素化两个方向发展。CCD作为摄像器件与传统的真空摄像管相比，具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长、成本低、坚固抗冲击、抗振动、耐强光、抗电磁干扰等明显优势，在清晰度、分辨率、灵敏度、残像、失真度、彩色与尺寸重现性等方面，也胜真空摄像管一筹。另外，CCD测量速度快，所以不仅可用于静态测量，还可用于动态在线检测。因此，本文选用CCD摄像机。选择这种摄像机时应该注意几个问题：（1）选择各种参数可以手动设置的摄像头，例如增益、快门速度等。（2）选择灵敏度高、信噪比大的摄像头，一般说明书上会标记最低照度为0.1Lux等，越小越好。（3）水平清晰度越大越好。（4）CCD尺寸大时，对成像质量有利，但是后续选择时要考虑到镜头的性能。出的是帧频是每秒钟采集图像的帧数，反映了CCD采集图像的速度，只有帧频高的CCD摄像机才能实现高速检测，而电子快门的速度是CCD芯片摄取每一幅图像的曝光时间，这和普通相机所使用的机械快门一样，快门速度越高，拍摄运动物体时图像在CCD芯片上位置的相对移动就越小，因此得的到运动图像就越清晰，相反，如果快门速度很低，运动的物体所成的像就会在CCD曝光时发上移动，从而导致图像的模糊（smear）。4.3.3 图像采集卡图像采集卡是一种对模拟视频信号进行采样并作A/D转换而输出数字信号的板卡，它广泛应用于图像传感、图像分析、信号处理、数字存储等领域。目前市场上常见的图像采集卡有基于ISA总线与PCI总线两种。由于本文采用的控制装置为微型计算机（PC），并且现在微型计算机的主板板卡插槽多为PCI总线插槽，ISA总线插槽呈现逐渐被淘汰的趋势，因此本文选用基于PCI总线的图像采集卡。按照输出图像的颜色来分，图像采集卡又分为黑白图像采集卡与彩色图像采集卡两种。其中，彩色图像采集卡的价格大约是同档黑白图像采集卡的2倍。根据测量系统的设计要求，并考虑成本，本文选用黑白图像采集卡。4.3.4 选择结果根据机器视觉光学理论的指导和实验效果对比，同时考虑性价比，本文所设计的结构光三维测量系统最终选择了如下的系统硬件：1）CCD摄像机与图像采集卡：（1）日本松下CCD摄像机：分辨率795X596，30帧/秒；WV-BP330 0.08Lux，570线，1/3自动白平衡（2）图像采集卡：北京嘉恒中自M10A单A/D通道、可单帧或连续帧进行图像采集。（3）CCD镜头定焦手动光圈日本35 mm F1.8 1/3C接口5.52）透射光栅，中科院长春光机所按用户要求制作。3）步进电机与驱动器、步进电机1套、驱动器：1套、运动控制卡1块4）白炽光源一个5）三角支架一个6）CCD、光源及光栅支撑架， 7）控制用计算机一台4.4 光栅电动平移台基本结构设计如图4-5所示：图 4-5 光栅电动平移台4.5本章小结本章主要介绍了光学三维测量机的主要部件的设计，扫描仪测量系统介绍以及硬件的选择。第五章 光学三维测量机的设计计算5.1 控制系统中电机的选择5.1.1 步进电动机的概述步进电机是一种将脉冲信号转换为机械位移的机电执行单元，专门用于位置和速度精确控制的特种电机，步进电机的最大特点是其“数字性”，对于微电脑或控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。由于步进电机工作简单可靠，成本低廉，根据三维扫描系统控制要求：运动速度适中、控制精度高、扭矩超过1.5Nm，我们选用了雷赛公司的步进电机，并且取得了较好的效果。本设计采用步进电机驱动丝杠旋转实现光栅平移台的直线进给。步进电机又称脉冲马达，是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度和输入脉冲数成正比，因此可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，并能实现快速启动、反转和制动。随着微电子技术的发展，步进电机已作为重要的执行元件应用于数控机床、智能仪器和自动控制中。5.1.2电动机容量的选择原则在机电传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。 选择电动机应根据以下三项基本原则进行。（1）发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于电机允许的最高工作温度。（2）过载能力：电动机再运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性较大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载说仍可保证上面的原则，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。既所选电动机的最大转矩或允许电流必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩和最大负载电流即：（3） 启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，所以，为使电动机能可靠启动，必须保证 式中 选择电动机容量的方法一般有计算法、统分析计法和类比法。5.1.3 步进电动机的容量计算下面的计算结果所以选用反应式步进电动机，输出功率0.2kw，同步转速1500r/min，电动机的参数如下表一所示：表5-1 电动机的各种参数：电动机型号步距角最大静转矩（N.m）运行频率最高空载启动频率轴径长度55BF0030.75/1.50.686 18006mm70mm5.2 联轴器的选择 联轴器计算转矩则：按照计算转矩应小于联轴器公称直径的条件，查标准GB5843-86或手册，选用合适的联轴器表5-2联轴器的参数型号公称转矩T（N.M）许用转速（r/min）轴孔直径D(H7)DD1螺栓直径ML0YL1101300062217M235根据联轴器的孔径选取丝杠端最小轴的直径。5.3 丝杠螺母副的选用计算5.3.1丝杠螺母导程的确定再本设计中，电机与丝杠直接相连，传动比i=1，选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为5.3.2确定丝杠的等效转速最大进给时，丝杠的转速为 最慢进给时，丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速（估计5.3.3 丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的实验公式计算。选用导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，取摩擦系数f为0.005，则丝杠所受的最大牵引力为故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）由以上确定进给运动的总阻力F=12N5.3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 查表，取丝杠的工作寿命Th为15000h，同时取精度系数fa=1，负荷性质系数fw=105，温度系数ft=0.95，硬度系数fh=1，可靠性系数fk=0.53；平均转速为1000r/min。 选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为，基本导程，丝杠螺母的接触刚度为1692N/，螺旋升角丝杠的底径26mm，螺母长度为210mm，取丝杠的精度等级为1级。5.3.5 计算轴承动载荷寿命系数为： 式中 寿命系数： 可靠性为90%的额定寿命，取为10000h；转速系数：；计算转速取最高转速，取；故能满足要求。5.3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚，丝杠的最小拉压刚度：当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。螺母座刚度。轴向拉压总刚度为：丝杠拉压振动的固有频率由计算可知，丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min，所以能满足要求。5.4 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度：由机械设计手册得平移物体的转动惯量为：丝杠的转动惯量为丝杠扭转振动的固有频率为：显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/min，所以，能满足要求。5.5传动精度计算丝杠的拉压刚度： 由以上的各条件可知最小机械传动刚度为：最大机械传动刚度：因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为其中，F0为空载时导轨的静摩擦力5.6 本章总结本章主要介绍了电动机的相关内容，丝杠的相关设计计算。第六章 总结与展望6.1 全文总结本次设计主要是光学三维测量机机械结构及其控制系统设计，根据设计要求，便携式设计：设备部件易拆易装，方便带至测量现场；可以实现横向、纵向的任意调动；利用步进电机带动光栅进行测量；工作的内容总结如下：一、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。二、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。三、主要介绍三维光学测量机的整体设计法案。四、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。1、绘制整体结构草图。2、底座、框架的设计。4、电动平移台的结构设计。5、扫描仪硬件的选择及一些硬件的详细介绍。五、介绍测量机的相关设计计算。6.2 展望人们经常需要快速的获得物体表面的立体信息，将其转变为计算机能直接处理的信息。三维光学扫测量机这一装置将在许多领域可以发挥重要作用。一、 工业制造业三维光学测量系统提供了一种快速无接触的快速方法，能快速测量物体的立体尺寸，可用于工业零件快速在线测量、仿制、快速制造系统、对特殊物体的测量等。二、影视娱乐业随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术越来越广泛地应用于影视、广告业，达到了过去无法想想的特技效果，已经成为高质量影视、广告制作不可缺少的手段。要在计算机上完成三维动画，必须要有三维模型数据，这时就可以用三维扫描系统将演员、道具、模型等的表面空间数据输入计算机系统中。三、文物保护三维光学测量系统能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息、纹理、便于长期保存、再现，给文物复制带来了很大的便利。四、艺术把该系统和数控雕刻机相结合，可以很方便地雕像。只要对对象进行一次扫描，就能获得其表面的每个点的坐标数据，将数据送入数控雕刻机，很快就能雕刻出逼真的雕像。五、医学、整形、美容能快速测量人体各个部分，宝库奥牙齿、面部、肢体等的尺寸，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。六、服装现在随着人民生活水平的提高，人们开始追求个性化服装设计，三维光学测量系统可以快速地获得人体所有尺寸，输入计算机，与服装CAD结合，按照每个人的模型进行服装设计，还可以直接在计算机上看到服装设计效果，并且可以进行二次设计。七、学术研究随着技术的发展，图形图像科技工作者的研究逐渐从二维进入三维，三维光学测量系统可以给他们提供迅速获取三维图像数据的手段，为三维物体识别的研究提供方便。致谢半学期的毕业设计即将结束，我们的毕业设计也已经到了尾声阶段，论文的完成标志着四年的本科学习即将结束，也意味着，新的生活即将开始。在进行毕业设计的半年里，我学到了很多知识，同时也得到了很多经验，给我即将结束的大学生活留下了很多值得回忆的经历，也给了我许多日后可以借鉴的丰富经验。这篇论文的题目涉及到的领域是现今最流行的技术逆向工程技术，这是我今后的发展方向，我对在毕业之前就能接触并深入了解这一科目而感到庆幸，因此我在这里要特别感谢我的指导教师程俊廷老师。衷心感谢程俊廷老师在这近半年的时间来对我的指导和教诲。您开阔的思维、敏锐的洞察力一直给我很大的启发。程老师广博的学识、严谨务实的工作作风、勇于开拓创新的精神无不激励着学生奋发向上、勇往直前。老师不仅在学生的学习、工作上给予热情的指导，在生活也给了无微不至的关怀。学生在学习上所取得的每一点进步和成绩无不浸透着老师的心血。在论文完成之际，谨向程老师致以最衷心的感谢。唯一的遗憾是自己不够主动，错过了许多与您交流的机会。感谢伏立老师在设计过程中对我的帮助。同时还要对班级同学在毕业设计期间给予我的无私帮助，再次表示感谢。毕业设计将给我四年的学习生活画上圆满的句号，这是我人生一个最重要的阶段，也是我最重要的人生经历。它预示我新生活的开始，我将会更珍惜以后的每一个人生阶段，因为每一段人生经历都将影响着我的生活，导致我或成功或失败 ，因此我将认真过好我的每一天。谨以此文献给所有关心、爱护和帮助过我的人们！学生 王永光 2008年5月参考文献1 姜玉田主编 画法几何及机械制图，黑龙江科技学院技术出版社2002 62 沈忠主编 机械设计，高等教育出版社第七版 2001 63 李庆祥、王东生主编 现代精密仪器设计，清华大学出版社 2004 34 王绍竣主编 机械加工工艺手册 北京：机械工业出版社 1991 5 成大先主编 机械设计手册，北京：化学工业出版社。 1997 6 徐立华主编 机械制造工程学，北京：兵器工业出版社， 19977 卢秉恒主编 机械制造技术基础，北京：机械工业出版社，19998 朱正心主编 机械制造技术， 北京：机械工业出版社，19999 郭炽盛主编 机械制造工程学，广州：华南理工大学出版社，1997Anonymous. Rapid prototyping . Foundry Management & Technology. Jan 2003, 131(1): 818210 周儒荣逆向工程与快速原型制造 计算机辅助设计与造,2000,9: 11 付丽琴, 王长江. 基于反求工程技术和快速原型技术的产品快速开 发. 机械管理开发, 2002, 2: 414212 栗全庆等，实物反求工程的关键技术分析，机械设计，1996年6月许智钦, 闫明, 张宝峰等. 逆向工程技术三维激光扫描测量. 天津大学学报, 2001, 34(3): 40440513 邓乾旺, 刘小燕, 于德介. 快速反求工程及其在快速成形制造中的应用. 械设计与制造, 2000, 4: 596014 Shauna R Pope. Non-contact measurement system. Modern Machine Shop, 2002, 75(1):21515 Anonymous.Coordinate measuring system .Modern Casting,200216 张畅等、快速造型技术中的反求工程 计量技术1998，No.117 周国彪, 韩明, 张李超等. 三维激光扫描仪控制系统研究. 华中科技大学学报, 2003, 31(2): 10911018 Daschbach, Abella, Mcnichols. Reverse Engineering : a tool for process planning . computer industry Engineer , 1995, 29(1-4):63764019 李