基于激光测量的自由曲面零件逆向工程的实现

    1　引言

    逆向工程(Reverse Engineering)是一门发展十分迅速的新兴学科,和传统工程不同,逆向工程主要是将原始模型转化为工程设计概念或设计模型,一方面为提高工程设 计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息,另一方面为充分利用先进的CAD/CAM技术对已有的物件进行再工程服务。目前,逆向工程技术已经在下述领域 得到应用:①复制没有原始图纸记录的产品零件;②既有产品零件的外形或性能已经不能满足现状要求,必须通过必要的分析和修改对该产品进行再工程设计;③在 汽车、造船等工业部门,当产品的美术设计十分重要时,设计师往往先通过制造实际比例的木模或粘土模型来评价设计,而不是通过高分辨率的显示屏观察一个比例 缩小的投影模型来作出评价;④进行人面拟合,对诸如头盔、太空服、假肢等一些功能复杂、价格昂贵的产品进行拟合设计等。出于对产品性能和外观等方面的考 虑,越来越多的零件采用自由曲面的形式,实现自由曲面零件的逆向工程的技术流程如图1所示。

    其中对模型的测量和重建是实现零件逆向工程的关键,传统的三坐标测量机多采用接触式测量,其缺点是测量速度慢、易划伤被测表面、存在接触压力和半径补偿等 缺点。随着传感技术、计算机技术、CAD/CAM/CAI技术及材料科学的迅速发展,基于激光光源的非接触式测量成为可能。从测量学观点看,非接触式测量 可真正实现“零接触力测量”,这样有效避免了在高精度测量中测量力带来的系统误差和随机误差,且可方便实现对软质和超薄形物体表面形状的测量;另外还具有 测量速度快、效率高等特点。本文正是基于此对自由曲面零件的非接触激光测量和测量数据的重建进行了研究。

    2　非接触式激光测量系统的软硬件组成

    2.1　测量系统的硬件组成[2]

    该测量系统是由激光点光源非接触式测头、工业控制计算机、精密机械系统和精密伺服系统组成的光、机、电一体化的综合检测系统,其总体布局如图2所示。

    激光点光源非接触式测头是实现自由曲面精密测量的关键部件,主要用于对曲面进行数字化以得到大规模测点数据。该系统选用激光测头,它采用半导体激光二极管 作为光源,PSD作为位置测量敏感元件。测头输出电缆经测头控制器和模/数转换采样电路与工控机连接以获得测点的Z向信息。测头的测量净空 H=80mm(激光测头下底面到激光束汇聚焦点的距离),物光点(激光束与被测曲面的交点)到测头焦点C的位置,由输出电压描述,模拟电压量输出与距离的 关系如图3所示,从图中可看出对应于测量范围80±20mm的电压输出在-5V~+5V之间呈线性变化。该测头还有一个报警信号,当物点位置不在测量范围 时,报警信号输出高电平,同时测头上的报警灯亮。在测量范围内的分辨率δ与测头采样频率f有关,当采样频率f=10Hz,δ=0.004mm; f=100Hz,δ=0.013mm;f=1000Hz,δ=0.04mm。本测量系统采用100Hz的采样频率。测量过程中,被测物体的X和Y坐标值可 以直接由测量机的当前X、Y坐标值获得,Z向坐标值为测量机当前Z坐标值与测头采样值的代数和。