层析式激光三维测量技术

　　1引言

　　逆工程技术是近几年首先从美国迅速发展起来的集成快速制造系统中的关键技术之一，而物体形状的三维快速精密测量则是该技术的核心。传统的物体三维测量方法主要有机械法和光学法，机械法的典型实例是三座标测量机，光学法的典型实例是云纹仪等。近二十年来，随着计算机图像处理和视频技术的发展，光学法和信息自动处理相结合而形成的光电自动测量法得到飞速发展，利用激光三角测量、激光线扫描、投影云纹、阴影云纹和投影光栅等原理而开发的各种自动化三维测量设备得到了广泛应用。但是，所有这些方法都存在一个共同的缺点:无法测量物体内腔复杂形面。在实际工程中，不但对物体外形，而且往往对其内腔也需要测量。为此，我们提出一种层析式物体形状三维精确测量方法，并在此基础上开发了一种层析式三维测量装置，用该装置可对任何复杂物体的外形和内腔同时进行三维自动测量，不受物体材料和表面状态的限制，并且其测量精度高于一般的光电测量装置。

　　2测量原理

　　层析式物体形状三维自动测量的基本原理是:用计算机控制的立式端面层削刀具(如铣刀或砂轮等)，按一定的厚度逐层切除被测物体，并由高分辨率的数字化线阵扫描器测取物体各断层的二维形状尺寸按序存入计算机，最后由计算机把所有断面的二维数据按序合成三维数据，于是，物体内外部形状尺寸被自动测得。这个方法的本质是一种用逐层解析法自动测量物体的三维形状尺寸，核心是物体的精确分层和光电自动测量，特点是物体内外部的任何复杂程度的三维形状和尺寸均可同步精密测量。

　　图1是层析式三维测量系统原理图，图2是测量流程图。该系统包括计算机，层削加工头Y向(垂直方向)运动数控装置，层削加工头Y向运动装置，变频电机，立式端面层削刀具，负压排屑装置，被测工件，测量机工作台，工作台X向(纵向)进给装置，工作台X向运动数控装置，

扫描装置，高分辨率线阵传感器.激光测距仪和测量结果输出装价。

　　整个测量过程可用图1来说明:先将被测物体放入专门的装置中进行预处理，使其内部空腔和外部周围被特定的填充材料充满，形成便于层析测量的待测工件(7)。将工件放到测量机工作台(8)上，启动测量机按钮，层削加工头(3)沿Y轴升高，工作台沿X向移回原处，至此，一个测量循环即告完成。然后，层削加工头(3)沿Y轴降下到预设位置，此时，变频电机(4)驱动立式端面层削刀具(5)做高速旋转，工作台(8)做X向进给运动，于是工件(7)表面被切除一层材料。同时，负压排屑装置(6)吸净工件切削时产生的碎屑。当工件到达线扫描装置(12)下方时，工作台停止X向运动，线扫描器进行扫描测量，测得的二维截面数据存入计算机(1)。接着层削加工头(3)再次沿Y轴下降到预定位置，激光测距仪(13)测得工件在前一循环中加工后的表面实际高度，数据输入计算机，一方面检查前道工序切除的材料层实际厚度，用来修正Y向数据;另一方面判断实际高度是否已经达到预定的最低高度，若否，则重复进行切削和测量循环，直到工件实际高度已达到预定的最低高度，整机停止层削、扫描测量工作，并由计算机把测得的所有截面数据按序组合成物体的三维数据。至此，物体三维形状测量工作全部完成。