基于浮力的三维实体轮廓无损测量实验系统研究

    0　引　言

    非接触测量方法主要有光学测量和非光学测量。光学方法是目前主要的非接触三维测量方法,但被测物体的测量盲区等问题是该方法中难以解决的关键技术。非光学 测量方法中,主要包括利用发射和接收电磁波信号的雷达成像、利用声波信号的超声波成像、利用物体对X射线吸收的计算机体层摄影(CT)等,多应用于特定专 业领域,造价较高,且精度和分辨度差异较大。MRI测量法基于核物理学的磁共振理论,能深入物体内部且不破坏物体,对生物没有损害,在医疗上应用广泛;但 其造价高,目前对非生物材料不适用。采用超声波的数字化方法,相对CT和MRI而言,设备简单,成本较低;但测量速度较慢,且测量精度不稳定,目前主要用 于物体的无损检测和壁厚测量。层去扫描法采用数控铣床逐层去除物体,再利用图像处理技术重构实体,测量精度较高,可测量实体的内外腔轮廓,得到较完整的数 据;但为破坏性测量。目前,依托图像处理技术,断层数据的三维重构技术的应用主要集中在医学领域。该技术在工业上的应用前景广阔,其中对新的测量技术与重 构算法的研究是其焦点问题之一[1]。测量装置与仪器的设计思想,正朝着多学科的交叉性、集成化、智能化的方向发展。在三维实体非接触测量这一领域,国外 已研发成功的三维测量装置有英国3D-scanner公司的replica激光快速扫描测量仪、德国GOM公司的ATOS测量仪等。这些测量设备功能较完 善,但价格相当昂贵。我国前一阶段的研究较为落后,主要偏重软件、优化算法等方面,多局限在如何利用计算机修正误差、把老装置数显化等问题上,对新装置的 设计与相关关键技术的研究不足。随着现代制造技术、快速原型制造技术、反求工程技术的深入发展,三维实体重构理论的研究和高精度、低成本的三维实体非接触 测量装置及其相应测控软件的开发,有着越来越重要的现实意义。我们设计了一种基于浮力测量的三维实体非接触测量方法,突破了目前三维非接触测量装置、三维 重构算法研发的局限,能对各种形状的实体内外轮廓进行测量。本论文主要介绍了该方法实验系统的设计和误差分析。该方法测量装置的研制成功将有重要的经济价 值和广阔的应用前景。

    1　测量原理

    根据阿基米德定律:浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开的液体的质量F浮=G液=ρ液gV排,式中,F浮———被测实体浸入液体中 所受的浮力;ρ液———液体的密度;V排———被测实体浸入液体中排开液体的体积。即浮力的大小与液体的密度和物体排开液体的体积有关,而与物体的形状无 关。本测量利用阿基米德定律,假设被测实体均质并由一个个很小的正方体单元实体组成(参见图1)。所选液体的密度已知,设计浮力测量装置在精密运动平台驱 动下作垂直运动,液面逐层