反求工程中三维光学测量系统在模具设计和制造中的应用

　　0　引言

　　在模具的设计和制造中,有时需要三维测量技术通过对实物进行激光扫描或结构光测量来获得实物的数据,并将其输入到计算机中进行处理,根据测量的 数据建立实物的三维CAD数模。ATOS三维光学扫描测量系统采用的是将投影测量和光栅测量方法相结合的的一种三维测量技术,是一种非接触式测量方法,具 有获得数据准确和快速的特点,在模具设计和制造中将起到越来越重要的作用。

　　1　ATOS三维光学测量系统

　　1.1　原理及特点

　　ATOS快速三维光学扫描仪是以数码相机为基础的光学测量系统,中间是普通光源,两端是CCD摄像头(参见图1),它采用摄影测量、光栅测量两种方法来测量实物,运用数字图像处理技术,获得实物的三维CAD数模。

　　摄影测量是用数码相机对已放置好参考点和参考标尺的实物依次从不同的角度(每次间隔大约45°)、方位对实物进行拍照。从不同角度拍的两幅数字 图像中,通过图像的处理识别获得5个以上的相同编码参考点在两幅相关图像中像坐标,然后运用摄影测量理论,根据2幅图像中编码参考点的像坐标来确定2次拍 摄中相机的一个空间变换,就获得了一个已知的空间坐标系。从而根据空间的拓扑关系来拟合不同图像中的同一个非编码参考点。这样经过多幅数字图像就可以获得 所有非编码参考点的在同一空间坐标系下的坐标。

　　光栅测量是将多条按照一定规则排列的光栅投射到只贴有非编码参考点的实物表面上,受到实物表面起伏及曲率的变化,投影光栅影线随此轮廓位置起伏而扭曲变形。通过解调变形光栅影线,就可获得被测表面高度信息,其原理如图2所示。

　　将投影光栅投射到实物P的表面,此时光栅影像发生变形,然后从不同角度的两个CCD抓取。经过数字图像处理后,基于三角形测量原理,大约 400000个摄像像素中每个一个像素点的3D坐标系值被独立而较精确地计算出来,然后通过拟合等后处理方法获得实物的三维CAD数模。

　　测量过程中,扫描仪可以自由地绕着被测实物移动,ATOS依靠其贴在被测量表面上的非编码参考点来拼接不同位置的测量区域。由于各参考点位置已 定,因此两相邻数据间可以没有公共区域。用者可以随心所欲采集数据而不要考虑拼接问题,可在原有的基础上更进一步减少了冗余、重复的数据,而且使测量精度 更高,整体精度可以控制在0.1mm/m以下。

　　相对其他测量方法而言,有以下几个特点:1)操作比较简单,它有简单的测量概念和容易使用的软件;2)测量范围大,它采用分块、自动拼接的手段 和可使用同一测头作多角度来实现对较大实物(10mm~10m)测量:3)携带容易,整个系统可容纳在两个箱子内,即使在运送途中遇振动,都对其精度没有 影响;4)高解析度,它可精密地测量一些精细部位,而准确性可与一些固定的三坐标测量仪相当;5)速度快、成本低,不需要任何平台支援下,用者可随意移动 测量到任何位置作高速测量,而所测量的数据会自动拼合。因此非常适宜对模具、汽车和摩托车的外形及零配件、大型模具、家庭电器等曲面的测量。由于是非接触 式的测量,所以也适合任何类型物件,如人体、软物体或不可磨损的模具及样品的测量。