复杂曲面测量与重构成型的精度研究

小黄豆 · 发表于 2011-1-5 09:31

利用现有的软硬件设施，如三维测量仪ATOS测童系统、点云处理软件Imageware、三维建模软件ug等，以一些产品造型的逆向设计过程为主线，结合逆向工程和工业设计的特点，对逆向工程和快速成型在工业设计中的精度控制问题进行探讨和研究，提出了一种新的误差评价方法，分析了各种误差产生的原因并给了提高精度的办法。
1 逆向工程中的精度检测
随着计算机软件和硬件的不断发展，CAD/CAM技术对自由曲面产品的设计和制造提供了越来越大的支持。但是，有些自由曲面产品往往最初以手工制作模型的形式存在，即实际上不存在CAD模型。为了利用先进的数控加工技术和快速原型制造技术，就需要从已存在的实物出发反向构造CAD模型，这就是逆向工程的概念。在本文所处的环境条件下，在经过比较和分析之后，可以采用如下一种可行的系统方案，如图1所示。首先，利用ATOS光学扫描仪等设备测量原型件的表面，获取复杂形状的自由曲面产品三维点云。然后，通过曲面拟合软件Imageware软件和三维造型软件UG等构造CAD模型，由此驱动快速原型机制造产品。

快速逆向工程的研究大多集中于点云数据处理和点云的曲面拟合等方面，但对其中各环节的精度评价和误差分析研究得较少。实际上，经常需要基于CAD模型进行制造件加工精度的检测。同时评价重构模型精度也是非常重要的，这是以原型件为参考检测重构模型的过程。本文针对这些特点，对选择的方案中影响精度的各个环节进行了分析。
2 结构光测量仪的误差分析
德国GOM公司新近推出的以数码相机为基础的光学三维测量系统.它包括测量头、三脚架、控制器和计算机。测量头中间是普通光源，两端是CCD摄像头(如图2所示)。其数据采集原理是投影光栅法(如图3所示)。

该测量仪可以自由地绕着被测物体移动，能够在无任何平台的支撑下实现流动式操作。每幅扫描照片可获得工件表面400 000个点的三维坐标，扫描精度达0. 03 mm,整体拼合扫描精度为0. 1 mm/m。
用ATOS测量时所产生的误差，分为机器本身的误差、拍摄前外界因素的影响误差、仪器校正时的误差以及拍摄时的误差。
2. 1机器本身的误差
投影光源的强度和照明均匀性影响图像条纹质量。如果光源的照明不均匀，摄取的条纹图像亮度不均匀使检测的条纹边缘易出现断线，给后处理带来麻烦。可以采取照明的均匀性好和亮度较高的灯作为光源，以减少投影光源的强度和照明均匀性的影响。
2. 2外界因素的影响
2. 2. 1外界环境光的影响。
由于ATOS测量是通过投射光和获取从实体表面反射的光进行测量的，测量时变化很大的外界环境光会对测量光带来影响，进而影响我们测得的数据的准确性。为了防止外界环境光变化产生的影响，该测量仪自带的软件里可以进行预先设置规定的变化值，当超过该规定的变化值时会出现提示的对话框。
2.2.2镜头或实体微小移动的影响。
该影响主要是由在拍摄时周围环境的震动引起镜头或者是待测实体的移动而引起的。为了减小该误差，测量仪白带的软件也可以进行预先的设置。
2. 2. 3显像剂的影响。
当对反光性不好的实体进行测量时，要喷洒显像剂进行测量。测量时应尽量把实体的表面喷洒得均匀，并且尽可能地薄，否则，会加大实体尺寸与测量尺寸的误差。此外，由于不同型号的显像剂的颗粒不一样，对测量也会有不同的影响。对一些反射性较好的实体进行测量时，可以不涂显像剂来减小测量误差。
2. 3仪器校正时的误差
系统安装后要进行一次校准，包括硬件校准和软件校准。硬件校准主要是校准投射影像，中间投射镜头聚焦调校，左右镜头的焦距和光圈调校。而其软件调校又可分为标准标定、快速标定和扩展标定。一般进行标准标定，当扫描过程中多次出现参考点的误差大于0. 1时，可采用快速标定，扩展标定用于扫描非常小的物体时(小于50 mm x40 mm)。这种校正是人工的，由于操作者视觉误差，使得测量系统不免要产生误差。
2. 4拍摄时的误差
多视图拼合误差主要是由公共参考点的误差引起的。ATOS在贴参考点时不可贴成直线状，最少三点(由几何知，不在一条直线上的三点决定一个平面)。而且尽可能不要把参考点贴在孤立位置或曲率变化较大的位置，而要贴在曲率变化小的区域。避免出现狭长三角形，并且尽量使最基本的三个参考点接近正三角型。
在实际测量过程中贴参考点时应注意以下几点:
1) A.B,C三点不能共线，应避免△ABC成为狭长三角形△ABC面积也要足够大。
2)标记点既可以是人工设定的，也可以是测量对象所固有的，但必须是能够在测量数据点集中准确识别、匹配和定位的点。
3)在实际工程应用情况下，是用具有一定面积大小的圆形不干胶纸贴在被测物体表面上。由于从斜向圆变换为椭圆，而系统又有一定的椭圆度限制，所以三个标志小圆面尽可能在一个实际平面上，就是不能满足时，也要尽可能考虑到椭圆度不同的影响。
如何提高测量精度，是一个理论和实践相结合的问题，除了在理论上分析之外，更重要的是在实际测量中细心谨慎，不断摸索总结经验，以尽可能地降低各种误差，提高测量精度，为后续处理打下一个很好的基础。
3 曲面重构成型的精度研究
在逆向工程中真实曲面是未知的，由测量点集重构的CAD模型只是对真实曲面的逼近。模型重构涉及到数据处理、数据分区、多视图拼合、曲面拟合和拼接以及实体模型建立等多个环节，任何一个环节的误差都会影响最终CAD模型的精度。
ATOS非接触光学扫描仪能获得高密度的测量点云中包含大量数据，完全表达了被测曲面的特征，因而可以把它当作真实曲面一样使用。基于这样的认识，原型件与制造件之间的比较还必须考虑模型重构精度的影响，据此本文提出“原型件点集一重构模型一快速成型件点集”的两步骤比较策略。“原型件点集一重构模型”比较用以评价模型的重构精度，其结果可反馈给模型重构过程;“重构模型一快速成型件点集”比较用来评价制造件的加工精度，其结果可用于指导改进加工过程。通过这种两步骤的比较策略，既能更精确地分析原型和制造件之间的形状误差，又能清晰地表明误差的来源，有利于采取有目的的改进措施。
3. 1原型件点集与重构模型的比较来评价重构模型精度
对于螺旋桨曲面来说，实物模型与数学模型的对比一般通过不同模型对应点之间的距离来表示。在这里我们运用线、面重合检测方法将重构的三维模型导人到Imageware软件中进行重构模型与原型件点集的对应点误差分析。如图4、5、6所示。

在螺旋桨的反求实例中，其反求误差范围为t0.6mm，在允许误差范围内，原型件点集与重构模型的精度评价取得了较为满意的结果。
3. 2重构模型与快速成型件点集的比较来评价加工精度
螺旋桨是一个较为典型的薄壁复杂曲面零件。对于薄壁复杂曲面零件，如何选择合适的成型工艺对保证其成型精度和表面质量至关重要，本文使用的是西安交大开发的SPS600'决速成型机，其一次最大成型尺寸是600 mm x 600 mm x 500 mm，分层厚度是0.1-0.2mm，成型精度为土0.lmm。
对于薄壁零件，零件摆放方式及支撑、激光功率、预热温度及成型温度、扫描速度对制件的加工精度和表面质量有影响。
零件摆放方式对制件的成型质量影响较大。对于每个零件来说，其摆放方式可以有无数种。零件摆放方式的基本原则是:尽量缩短某一方向上扫描路径的长度并使两个方向的扫描路径长度相近。如图7所示为螺旋桨摆放方式及支撑图。

对快速成型件进行了三维扫描，运用线、面重合检测方法将重构的三维模型导人到Imageware软件中进行重构模型与快速成型件点集的对应点误差分析。如图8、9、10所示。取得了较为满意的结果。

4 结论
本文在对逆向工程中的复杂曲面测量技术与逆向工程和快速成型中的质量控制进行了比较系统的研究的基础上，通过对典型薄壁复杂曲面产品的反求设计，探索了产品在这一过程中的精度问题。

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