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光學(xué)三維測量機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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光學(xué)三維測量機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要

逆向工程是當(dāng)前用于產(chǎn)品開發(fā)和仿制加工的一種先進(jìn)手段，是集測量技術(shù)、CAD技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等為一體的高新技術(shù)，它針對(duì)現(xiàn)有的工件（樣品或模型），利用3D數(shù)字化測量儀器快速、準(zhǔn)確的測得大量輪廓坐標(biāo)點(diǎn)，并對(duì)這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行去噪，匹配加以構(gòu)建，修改后輸入到CAD/CAM系統(tǒng)，生成NC的刀具加工路徑，或輸入CNC進(jìn)行生成所需的模具，或者生成某種格式的文件輸入到快速成形機(jī)將樣品模型制造出來。三維光學(xué)測量機(jī)就是這樣一種設(shè)備，它可以將在三維物理空間中的被測物體復(fù)制到三維數(shù)據(jù)空間當(dāng)中并進(jìn)行重現(xiàn)，我們稱之為建立三維模型。這種能力使三維掃描儀擁有非常巨大的應(yīng)用前景。由于逆向工程技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)用價(jià)值，因此，世界上主要工業(yè)國家紛紛投入巨資對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和推廣應(yīng)用，他們無不站在21世紀(jì)世界制造業(yè)全球競爭的戰(zhàn)略高度來對(duì)待這一技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件的快速開發(fā)、汽車和飛機(jī)覆蓋件的快速檢測和反求、快速模具、醫(yī)療及康復(fù)工程、家用電器、工業(yè)設(shè)計(jì)、工藝品制作以及兒童玩具等領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本次設(shè)計(jì)主要是完成光學(xué)三維測量機(jī)機(jī)械部分和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文提出的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)是一種光柵式結(jié)構(gòu)光掃描雙目視覺測量技術(shù)。由于是面掃描，所以，在速度上有很大的優(yōu)勢(shì)，可以很好的實(shí)現(xiàn)被測自由曲面的快速、高精度的三維尺寸測量。通過對(duì)測量機(jī)的個(gè)部分部件的設(shè)計(jì)，最后完成光學(xué)三維測量機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞　逆向工程三維模型光學(xué)三維測量機(jī) 光柵掃描
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
目錄
摘要 I
ABSTRaCT II

第一章緒論 1
引言 1
1.1 三維光學(xué)測量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2 設(shè)計(jì)研究的目的和意義 3
1.3 本文的內(nèi)容安排 4
1.4 本章總結(jié) 4
第二章光學(xué)三維測量機(jī)的測量原理 5
2.1 測量機(jī)的測量原理 5
2.2 三維測量機(jī)的特點(diǎn) 5
2.3 控制系統(tǒng)原理介紹 6
2.4 本章總結(jié) 7
第三章光學(xué)三維測量機(jī)整體設(shè)計(jì)方案 18
3.1 設(shè)計(jì)要求 8
3.2 光學(xué)三維測量機(jī)基本結(jié)構(gòu)分析 8
3.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容 8
3.2.2 總體設(shè)計(jì)法案的擬定 8
3.2.3 光學(xué)三維測量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 9
3.2.4 控制部分設(shè)計(jì) 10
3.3 主要參數(shù)設(shè)定 16
3.4 本章總結(jié) 16
第四章機(jī)械部分的具體設(shè)計(jì)及其硬件選擇 17
4.1底座設(shè)計(jì) 17
4.2 滑動(dòng)體主要設(shè)計(jì) 18
4.3 光學(xué)掃描儀測量系統(tǒng)的硬件組成 18
4.3.1結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的硬件組成 18
4.3.2 CCD基本知識(shí) 19
4.3.3圖像采集卡 20
4.3.4選擇結(jié)果 20
4.4 光柵電動(dòng)平移臺(tái)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.5 本章總結(jié) 21
第五章光學(xué)三維測量機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 22
5.1 控制系統(tǒng)中電機(jī)的選擇 22
5.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述 22
5.1.2 電動(dòng)機(jī)容量的選擇原則 22
5.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的容量計(jì)算 23
5.2 聯(lián)軸器的選擇 23
5.3 絲杠螺母副的選用計(jì)算 24
5.3.1絲杠螺母導(dǎo)程的確定 24
5.3.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 24
5.3.3 絲杠的等效負(fù)載 24
5.3.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 24
5.3.5 計(jì)算軸承動(dòng)載荷 25
5.3.6 絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率計(jì)算 25
5.4 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 26
5.5傳動(dòng)精度計(jì)算 26
5.6 本章總結(jié) 27
第六章總結(jié)和展望 28
6.1 全文總結(jié) 28
6.2 展望 28
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄1 33
附錄2 48

第二章光學(xué)三維測量機(jī)的測量原理
2.1測量機(jī)的測量原理
光柵投影照相式三維測量儀是一種高速高精度的三維掃描測量設(shè)備，應(yīng)用的是目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時(shí)測量一個(gè)面。光線垂直照射被測物體表面，運(yùn)動(dòng)控制器通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙目面陣CCD實(shí)時(shí)地將被測物體的圖像送入圖像采集卡，圖像采集卡把采集到的數(shù)據(jù)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理以后得到三維的數(shù)據(jù)點(diǎn)云。其基本原理如圖2-1所示：
2.2 三維測量機(jī)的特點(diǎn)
1、掃描速度極快：5秒內(nèi)可得到100多萬點(diǎn)，效率很高
2、第三代的面掃描方式：每次掃描一個(gè)面，獲得整個(gè)面的三維數(shù)據(jù)，測量點(diǎn)分布密度極高且非常規(guī)則
3、非接觸掃描：利用照相式原理，進(jìn)行非接觸式光學(xué)掃描，得到物體表面三維數(shù)據(jù)。而且適應(yīng)了柔軟、易變形物體的測量要求。
4、精度高：利用獨(dú)有的測量技術(shù)，實(shí)際精度可達(dá)0.02mm
5、大景深：掃描景深可達(dá)300～500mm，為國內(nèi)最高。適合景深較大物體掃描　
6、標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)拼接：可將多次測量結(jié)果自動(dòng)拼接，掃描時(shí)物體可任意翻轉(zhuǎn)和挪動(dòng)。通過對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的拼接加以生成多次測量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大面積掃描。減少了測量的死角。
7、點(diǎn)云噪聲處理和修剪：可以對(duì)測量產(chǎn)生的噪音點(diǎn)進(jìn)行修剪、剔除。
8、對(duì)環(huán)境要求不高：環(huán)境光對(duì)該掃描系統(tǒng)影響不大，在大多數(shù)的環(huán)境下都能獲得高性能的數(shù)據(jù)
9、便攜式設(shè)計(jì)：設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測量現(xiàn)場。
10、測量輸出數(shù)據(jù)接口廣泛：測量所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為ASC、VRML格式，可直接與Surfacer（image　ware）、UG、CATIA、Geomagic、Pro／E、Master　CAM等軟件交互數(shù)據(jù)
11、軟件性能良好：兼容Windows98／NT／2000／XP　平臺(tái)，用戶易學(xué)易用，不需過多的培訓(xùn)就可以熟練操作，兼容性好，簡便易學(xué)
12、彩色掃描：不但可以得到數(shù)字信息，還可以得到RGB彩色信息
2.3 控制系統(tǒng)原理介紹
隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的種類越來越多，可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-2所示：

計(jì)算機(jī)（可以包含各種控制器）根據(jù)所要求的進(jìn)給速度和位移輸出一定頻率和數(shù)量的脈沖，這種脈沖信號(hào)往往是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，驅(qū)動(dòng)能力小，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)就需要相應(yīng)的功率放大器－－步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路把相應(yīng)的信號(hào)放大。每個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，從而帶動(dòng)絲杠，由絲杠帶動(dòng)刀具、測頭等。由于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械位移與輸入的脈沖有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而脈沖輸入的頻率則對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此通過輸入脈沖數(shù)和頻率即可控制速度和位移。但開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋裝置，計(jì)算機(jī)輸出一定的脈沖數(shù)，無法知道步進(jìn)電機(jī)是否丟步，絲杠是否移動(dòng)到了指定的位置。因此這種系統(tǒng)只能靠機(jī)械和電機(jī)的精度保證，系統(tǒng)速度和精度都較低。
閉環(huán)系統(tǒng)常用在精度要求較高的反求系統(tǒng)中，一種構(gòu)成位置環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖2-3所示。當(dāng)位置反饋信號(hào)從電機(jī)端部通過編碼器或者從絲杠端部獲得（如圖2-3虛線所示），間接測量執(zhí)行部件的實(shí)際位置為半閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)位置反饋信號(hào)從絲杠等執(zhí)行部件上直接測實(shí)際的位置或位移（如圖2-3實(shí)線所示）為全閉環(huán)系統(tǒng)。這種閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)由于對(duì)實(shí)際的執(zhí)行部件的位置進(jìn)行反饋，因此其位移精度高于開環(huán)系統(tǒng)。
由圖2-3見閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)包含速度調(diào)節(jié)部分和位置調(diào)節(jié)部分，數(shù)控裝置進(jìn)給的指令通常包括位移和速度兩個(gè)信息。為了使電機(jī)的輸出速度和位置跟隨速度和位置指令，系統(tǒng)設(shè)有速度和位置控制部分。速度測量一般用測速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器，隨時(shí)測得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與速度指令相比得到速度誤差信號(hào)，即可對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；位置反饋用一般脈沖編碼器或直線光柵尺，將測得的實(shí)際位置與指令位置比較的得到的結(jié)果即是位置誤差信號(hào)，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。
從掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)，速度，精度，成本等方面考慮，我們選擇了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用編碼器反饋回各軸的位置信息，然后再與設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差信號(hào)作為誤差補(bǔ)償信號(hào)，這樣的半閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件比較簡單， ...

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