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光学三维测量机毕业设计
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摘 要
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。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。本次设计主要是完成光学三维测量机机械部分和控制系统的设计，本文提出的结构光三维测量系统是一种光栅式结构光扫描双目视觉测量技术。由于是面扫描，所以，在速度上有很大的优势，可以很好的实现被测自由曲面的快速、高精度的三维尺寸测量。通过对测量机的个部分部件的设计，最后完成光学三维测量机的设计工作。
关键词 逆向工程 三维模型 光学三维测量机 光栅 扫描
Abstract
Reverse engineering is currently used for product development and imitation of an advanced means of processing, is set measurement technology, CAD technology, laser technology, materials technology and computer-controlled technology, which integrates high-tech, it addresses the existing part (or sample MODEL), using 3 D digital measuring instruments quickly and accurately measured the outline of a large number coordinates, and coordinates of these points denoising, match to build, the revised import to CAD / CAM system, generating the NC tool processing path, or enter CNC to generate the necessary die, or generate a certain format of the files into a rapid prototyping machine will be created by the sample model. Three-dimensional optical measuring machine is one such device, which can be three-dimensional physical space of the detected objects copied to the 3D data space and return them, we call it the establishment of three-dimensional model. This ability to 3-D scanner has a very great prospect. Since reverse engineering is a wide range of applications and practical value, the world's major industrial countries have invested heavily in research and development of the technology and application, they all stand in the 21st century global competition in world manufacturing strategy to deal with this highly A technology. Currently the technology has been widely used in the rapid development of machinery parts, automobile and aircraft coverage of the rapid detection and anti-seeking, rapid tooling, medical and rehabilitation engineering, home appliances, industrial design, craft making and children's toys, and other fields and achieved A huge economic benefits. The optical design is complete three-dimensional measuring machines and mechanical control system design, the paper's three-dimensional structure of optical measurement system is a grating structure of binocular vision measuring optical scanning technology. Since the scan, therefore, have great speed on the edge, you can achieve very good surface tested free of the fast, high-precision 3D measurement. By measuring machine parts parts of the design, the final completion of three-dimensional optical measuring machine design.
Key words Reverse engineering Three-dimensional model of optical scanning Three-dimensional measuring machines Grating
目 录
摘要 I
ABSTRaCT II
第一章 绪论 1
引言 1
1.1 三维光学测量机的应用与发展状况 2
1.2 设计研究的目的和意义 3
1.3 本文的内容安排 4
1.4 本章总结 4
第二章 光学三维测量机的测量原理 5
2.1 测量机的测量原理 5
2.2 三维测量机的特点 5
2.3 控制系统原理介绍 6
2.4 本章总结 7
第三章 光学三维测量机整体设计方案 18
3.1 设计要求 8
3.2 光学三维测量机基本结构分析 8
3.2.1 设计任务和内容 8
3.2.2 总体设计法案的拟定 8
3.2.3 光学三维测量机机械部分设计 9
3.2.4 控制部分设计 10
3.3 主要参数设定 16
3.4 本章总结 16
第四章 机械部分的具体设计及其硬件选择 17
4.1底座设计 17
4.2 滑动体主要设计 18
4.3 光学扫描仪测量系统的硬件组成 18
4.3.1结构光三维测量系统的硬件组成 18
4.3.2 CCD基本知识 19
4.3.3图像采集卡 20
4.3.4选择结果 20
4.4 光栅电动平移台基本结构设计 21
4.5 本章总结 21
第五章 光学三维测量机的设计计算 22
5.1 控制系统中电机的选择 22
5.1.1 步进电机概述 22
5.1.2 电动机容量的选择原则 22
5.1.3 步进电动机的容量计算 23
5.2 联轴器的选择 23
5.3 丝杠螺母副的选用计算 24
5.3.1丝杠螺母导程的确定 24
5.3.2 确定丝杠的等效转速 24
5.3.3 丝杠的等效负载 24
5.3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 24
5.3.5 计算轴承动载荷 25
5.3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率计算 25
5.4 丝杠的扭转刚度 26
5.5传动精度计算 26
5.6 本章总结 27
第六章 总结和展望 28
6.1 全文总结 28
6.2 展望 28
致 谢 30
参考文献 31
附录1 33
附录2 48
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300～500mm，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（image ware）、UG、CATIA、Geomagic、Pro／E、Master CAM等软件交互数据
11、软件性能良好：兼容Windows98／NT／2000／XP 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， ...
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