线结构光与测头相结合的在机测量系统自由曲面重构

发布时间：2020-07-24 03:01

【摘要】：随着我国先进制造技术的发展和三维扫描、逆向工程技术的广泛应用,数字化制造与数字化测量之间的技术衔接更加密切。目前测量方式包括接触式测量、非接触式测量及多传感器集成复合式测量。其中,接触式测量精度高效率低;非接触式测量效率高精度低;复合式测量多是以非接触式测量数据重构曲面用以辅助定位或规划接触式测量路径,且存在重复测量,未能真正实现多源数据的相互渗透与融合。针对以上问题,提出以五轴加工中心为载体进行线结构视觉测量与接触式测量相结合的复合式在机测量,充分利用线结构光视觉测量的高效率和测头接触式测量的高精度特点,以线结构光视觉测量数据为初始曲面数据,以在机接触式测量的高精度点为曲面型值点约束,基于能量优化法,通过初始曲面的变形实现自由曲面重构。论文主要内容包括:(1)提取线结构光光条图像中心二维坐标。分析传统图像分割算法的特点,利用遗传算法与二维最佳直方图熵法光条图像分割算法将光条图像从背景和噪声中分离出来以便于光条中心提取;基于形态学细化算法,通过不断腐蚀光条图像边缘获得光条中心;提出基于形态学细化算法及拟合重采样的光条中心提取算法以解决光条中心提取过程中出现的断线、分枝等问题,进行重采样以获得完整的光条中心二维坐标数据。(2)完成基于线结构光的初始曲面建模。根据实验获得的视觉测量系统数学模型参数将提取的光条图像中心二维数据转换到三维世界坐标系下;应用逆向工程软件Imageware对转换得到被测物体截面线三维坐标点云数据进行点云预处理以利于后续的曲面重构;采用双三次B样条曲面完成初始曲面建模。(3)实现基于能量优化法的自由曲面重构。以薄板弹性变形的能量模型为目标函数,以接触式在机测量点为型值点约束条件完成能量函数数学模型的构造,并对B样条曲面能量函数及型值点约束进行处理;提出基于网格法求解能量模型中的大型积分;基于遗传算法和非线性规划的能量函数寻优算法求解能量模型,进而实现自由曲面重构。(4)在上述理论研究的基础上,以五轴加工中心为实验平台,将线结构光视觉传感器与测头相结合搭建复合式在机测量系统;并以自由曲面为实验对象,进行在机接触式测量、线结构光视觉测量、视觉测量系统标定实验;在论文研究算法的基础上对实验数据进行处理,并对自由曲面变形前后的重构曲面进行拟合误差分析对比,以验证论文提出算法的有效性。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG806
【图文】：

第 1 章 绪 论第 1 章 绪 论1.1 研究背景随着先进制造技术与计算机和信息技术相结合，数字化制造技术快速产生并飞速发展[1]。以航空发动机叶轮、螺旋桨、高铁车头等为代表的大型自由曲面类零部件如图 1-1 所示，已广泛应用于航空航天、航海、交通轨道运输等高端制造装备领域。随着我国先进制造技术的发展和三维扫描、逆向工程技术的广泛应用，数字化制造与数字化测量之间的技术衔接更加密切。数字化测量是应用相关测量仪器，基于某种测量方法获取被测物体表面几何形状或加工质量信息的过程。而如何实现高效率、高精度、低成本的数字化测量一直是曲面测量的研究重点[2-5]。

图 1-2 数字化测量分类针对单一测量方法存在测量精度与测量效率难以协调的矛盾，论文提出触式线结构光视觉测量与接触式在机测量相结合的复合式在机测量，既可有在机测量的实时性、避免离线检测存在的重复定位和二次装夹误差等问题、自由曲面零件数字化设计-加工-测量一体化等优点；又可综合不同测量方式的充分利用线结构光视觉测量的高效率和接触式测头测量的高精度特点，既解的接触测量数据无法完整表达曲面特征和测量效率低的问题，又解决高效获数据的线结构光扫描测量精度低的问题，实现自由曲面五轴加工的高效率高机测量及曲面重构。1.2 在机测量系统组成及分类在机测量是以机床硬件为载体，附以相应的软硬件测量工具，在机床上件表面特征测量。其中，在机测量系统的硬件部分可分为：数控加工系统（

在机接触式测量系统组成框架图

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本文编号：2768219