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逆向工程技术的测量方式

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天宇 发表于 2014-12-28 22:35:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
    逆向工程技术所需要的测量按其特性及应用,一般可分为两大类:接触式测量与非接触式测量这两种。
逆向工程技术接触式测量有以下优点:(1)因接触式探头技术发展了几十年其机械结构与电子系统已相当成熟,故有较高的准确性和可能性。(2)接触式测量为直接接触工件表面,故与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大(3)被测物体固定在三坐标测量机上,并配合测量软件,可精确测量出物体的几何形状、如面、圆、圆柱、圆锥、圆球.缺点:(1)为了确定测量基准点而使用特殊夹具,会导致较高的测量费用。不同形状的产品会造成原来的夹具不适用而使成本大幅度增加。(2)球形的探头容易因接触力造成磨损。为了维持一定的精度,需要经常校正探头的直径。(3)不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度,也会使探头损坏。(4)逆向工程技术接触式触发探头是以逐点进出方式进行测量的所以测量速度慢。(5)检测一些内部元件有先天的先天限制,如测量内圆直径,触发头的直径必定要小于被测内圆直径。(6)对三维曲面的测量,因传统接触触发式探头是感应元件,测量到的点是探头的球心位置,故欲求得物体真实外型则需要对探头半径进行补偿,因而可能会导致修正误差的问题。逆向工程技术测量某一曲面时,假设此时探头正好定位在此被测点的表面发现方向上,探头尖端与被测检之间的接触点为A,A点至其球心C点有一偏差量产生,而实际上要求的位置时接触点A。所以沿法线负方向必须补正一个探头半径值。整个曲面补正需繁杂的计算,同时这也是测量误差的来源之一。(7)接触探头在测量时,接触探头得力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。(8)逆向工程技术测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。(9)由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象,趋近速度会产生动态误差。(10)另外测量接触力量即使一定,而测量压力并不能保证一定,这是因为接触面积与工件表面纹路的几何形状有关,不能保证为一样.

逆向工程技术非接触式测量优点:(1)不必作探头半径补偿,因为激光光点位置就是工件表面的位置(2)测量速度非常快,不必像接触式触发探头那样逐点进出测量。(3)软工件、薄工件、不可接触的高精度工件可直接测量缺点:(1)测量精度不算太高,因非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD(position sensitive detector)来检测光点位置,目前PSD的精度还不够高约为20缪以上(2)因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光,易受工件表面的反射特性影响,如颜色、斜率等(3)PSD易受环境光线及杂散光影响,故噪声较高,噪声信号的处理比较困难。(4)非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取样,对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较难。(5)使用CCD作探测器时成像镜头的焦距会影响测量精度,因工件几何外形变化大时成像会失焦,成像模糊。(6)工件表面的粗糙度会影响测量结果。

一、 逆向工程技术接触式测量探头种类:硬式探头、触发式探头、模拟探头
逆向工程技术硬式探头:最早使用的探头,通过手动探头接触工件表面,由人眼及感觉作判断,再利用脚踏开关触发,将此点坐标传送到处理器
逆向工程技术触发式探头:利用电子开关机构,当探头碰触到工件表面,则电子开关机构产生开关变化,将电子信号由NO转成OFF即将此时坐标锁住并送到处理器作处理逆向工程技术模拟式探头:接触工件时会右侧向位移,经可变线圈感应或光栅尺感应,产生一相对的电压变化,此模拟电压信号转换成数字信号送入处理器。这种方式称为模拟式测量。使用模拟式探头时须保持与工件接触,但位移量超过探头测量范围时,须控制机台的移动使探头回到其测量范围内。因模拟式测量为连续测量,无绝对坐标,故不能中途离开工件表面。这种测量适用于曲率平滑的曲面,不适用曲率大的工件表面。这种探头常用于CNC工具机做CNC和CMM线上检测

三坐标测量机是典型的接触式逆向工程技术测量系统,三坐标测量机可在三个相互垂直的导轨上移动,探头以接触式的方式传递信号,三个导轨的位移测量系统(如光栅尺)经数据处理器或计算机等计算出工件的各坐标(X、Y、Z)。在逆向工程技术逐点式扫描测量时,通常是将探头在横向以等速或等间距逐点移动,再以等时间或等间个位置量取工件在Z轴的坐标。但当工件轮廓有明显起伏变化时,需要增加测量点来提高分辨力,最简单的方式是取(△X+△Z)为常数,△X和△Z分别是X轴和Z轴的分辨力。当△Z变大时,△X应变小,测量点将更加密集。也就是说当工件斜率变大时,测量速度减慢此动作成为速度追踪。将CMM应用在逆向工程三位点数据获取时,测量人员可用人工方式逐点测量,或用CNC做辅助,沿着曲面的外形接触被测物取得数据。使用CMM时必须设定较多参数,包括探头形状、大小、扫描间隔、误差允许量、步进距离、扫描速度、扫描方向等。一般来说,扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件表面形状不一,故常常将工件分成不同区域,使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件,则比较耗时。

机械手臂逆向工程技术:机械手臂为一关节式结构,具有多自由度,可用做弹性坐标测量机,传感器可装置在其爪部,各关节的旋转角度可由旋转编码器获取,有机构学原理可求得传感器在空间的坐标位置。这种测量机几乎不受方向限制,可在工作空间作任意方向的测量。测量精度不高是其主要缺点,一般作为大型钣金模具的逆向工程测量逆向工程技术。

非接触式逆向工程技术测量方式一般是基于三角测量原理,可分为点测量、线测量及面测量三种。非接触式探头一般用于不规则曲面的测量,因不规则曲面对于接触式探头的半径补偿相当不易,而且测量速度相当慢。

逆向工程技术-三角法位移测量原理
单点式激光三角法位移测量原理:单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。

逆向工程技术-直射式三角测量原理:激光器发出的光线,经会聚透镜聚焦后垂直射入被测物体表面上,物体移动或表面变化,入射点沿入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光,并将其成像在光敏位置探测器(PSD、CCD)敏感面上。

逆向工程技术-斜射式三角测量原理:激光器发出的光和被测面的法线成一定角度入射被测面上,同样用一接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。

直射式和斜射式的技术对比:(1)斜射式可接收来之被测物体的正反射光,当被测物表面为镜面时,不会由于散射光过弱而导致光电探测器输出信号太小,使测量无法进行。直射式由于其接收散射光的特点适合测量散射性能好的表面(2)在被测物体发生位移x时,斜射式入射光光点照射在物体不同的点上,因此无法知道被测物体某点的位移情况,而直射式却可以。(3)斜射式传感器分辨力高于直射式,但它的测量范围小、体积大。

根据三角测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。一般光源采用半导体激光器(LD)功率在5mw左右,光敏位置探测器可采用PSD或CCD。PSD属于非分割型位置探测器,分辨率高,动态响应快,后续处理电路简单。但线性差,需要精确标定

逆向工程技术-激光三角法面形测量原理:激光三角法面形测量的基本原理是利用激光在被测物体表面投射一光条,由于被测表面起伏及曲率变化,投射的光条随此轮廓位置起伏而扭曲变形,由CCD摄像机摄取激光束影像,这样就可由激光束的发射角度和激光束在CCD内成像位置,通过三角几何关系获得被测点的距离或位置坐标等数据。因三角测量法具有使用方便、运算速度快等优点,所以它是目前应用最广泛而且最为普遍的测量技术之一。但三角测量法在应用上有很多定位参数要求,在测量设备上标定非常繁琐而且费时,实测时若系统中某项参数数值无法正确得到,将使测量数据产生误差。另外,当测量设备有些为小变动时,系统中的每项参数必须重新标定,所以其弹性很差这些都是三角测量法的缺点。

逆向工程技术-视觉测量基本原理:随着CCD等光电器件的快速发展,产生了以三角测量技术为基础的快速轮廓视觉测量技术。视觉测量一般使用三种激光光源:点机构光、线结构光和面条纹结构光使用电激光时需有X,Y逐点扫描机构,这使测量速度受到限制。为了增加测量速度,故将点结构光改成扫描式线结构光或面条纹结构光扫描。用激光穿过平行等距里直线的振幅光栅组件,或使用干涉仪,形成直线干涉条纹,即面条纹光结构光,将此面条纹结构光投射到物体上,由于物体表面曲度或深度的变化使条纹变形利用CCD摄像机摄取此变形条纹的图像即可分析物体表面轮廓变化,一般而言,使用面条纹结构光测量物体轮廓,可省去扫描机构,测量速度快,但测量分辨力受到限制,当被侧面曲率过大时有断线问题。

视觉测量中使用的CCD是一种数组式光电耦合检像器称为电荷耦合器件在摄取图像时,有类似传统相机底片的感光作用。图像摄取是利用摄像机CCD将任何视频信号转换成模拟的RS-170信号。经过信号线的传输送到插在计算机上的图像处理卡上,图像卡会把模拟信号转换成数字信号,并储存于图像卡上的内存中。同时图像卡也会在输出模拟的信号到监视器上,将摄像机所摄取的图像按像素作图像处理,便可以将图像转换成三维轮廓图像。图像数字化后,我们从计算机上所取得到的图像数据是由多个像素组成的,每个像素都有其特定的坐标且对应于物体上的每一个点。每个像素的值一般称为灰度值。若图像卡采用8位的A/D转换,则灰度值可从0变化到255。一幅经过数字化后的图像其质量的好坏与其分辨力有密切的关系,分辨力越高图像的质量越好。分辨力可分成空间分辨力和亮度分辨力两种,空间分辨力越高表示一张图像被分割成越多的像素,图像的质量自然越好,但是要付出大量的存储空间和处理时间;亮度分辨力指一个像素所能表示亮度变化的范围,即像素的灰度值变化范围。视觉轮廓测量的数字模型是视觉测量技术的核心内容,视觉传感器中,CCD摄像机是重要的组成部分,是视觉系统获取三维信息最直接的来源,传感器的建模就是建立在摄像机面坐标系与测量参考坐标系之间的关系。

根据模型的参数选择建模方法主要有以下两种:对映函数法和小孔成像透视变换法
对映函数法:就是找出测量平面的空间坐标与CCD像平面的图像坐标之间关系的方法。基于成像原理,在CCD的测量范围空间中的任意一点,都会对映成像到CCD像平面上一个像素点。选取空间中已知距离的特征点构成一特殊平面ABCD经由CCD摄像机摄取其图像,因为透视成像之故,这些整齐排列的特征点在CCD像平面曾显出abcd排列。若能找出两者之间的确定关系,并能正确补齐空白点部分所对映得数值,则可使用视觉技巧进行测量,即CCD摄像机内所有的像素点均可正确对映到其相关的空间坐标值,如此再配合激光束扫描技术即可进行物体外型轮廓的扫描测量。
逆向工程技术—小孔成像透视变换法:通过具有明确物理意义的几何结构参数,如光学中心、焦距、位置以及方向等,建立图像坐标系与测量参考坐标系关系。这类方法的模型参数一般分为摄像机内部参数和传感器结构参数两部分。摄像机内部参数指摄像机内部的几何和光学特性,传感器结构参数指图像坐标系相对于测量参考坐标系的位置参数。这种模型可根据使用场合及要求达到精度的不同,建立不同复杂程度的数学模型。

逆向工程技术-摄像机透视变换模型:摄像机是视觉传感器的主要功能元件,被测物体的位置、形状等几何尺寸是从摄像机获取的图像信息中计算出的,图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点散射光的强度信息,而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关,这些位置的相互关系由摄像机成像模型决定。

逆向工程技术-面条纹扫描原理:用激光穿过平行等距里直线的振幅光栅组件,或使用干涉仪,形成直线干涉条纹,即面条纹光结构光,将此面条纹结构光投射到物体上,由于物体表面曲度或深度的变化使条纹变形,利用CCD摄像机摄取此变形条纹的图像即可分析物体表面轮廓变化,CCD是一种数组式光电耦合检像器称为电荷耦合器件。在摄取图像时,有类似传统相机底片的感光作用。图像摄取是利用摄像机CCD将任何视频信号转换成模拟的RS-170信号。经过信号线的传输送到插在计算机上的图像处理卡上,图像卡会把模拟信号转换成数字信号,并储存于图像卡上的内存中。同时图像卡也会在输出模拟的信号到监视器上,将摄像机所摄取的图像按像素作图像处理,便可以将图像转换成三维轮廓图像。图像数字化后,我们从计算机上所取得到的图像数据是由多个像素组成的,每个像素都有其特定的坐标且对应于物体上的每一个点。面条纹结构光的投射器投射的多个平面照射到被测物体表面上时形成多个光带,被测区域的表面被这些光带覆盖。因此除了可以根据其模型测出所有在光带上的物点以外,还可以用各种插值方法或拟合方法测量出不在光带上的物点。从而实现对被测物体表面的三维连续坐标测量。

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nkwsz 发表于 2015-12-24 22:45:17 | 显示全部楼层
我也想听大家的建议!谢












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