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结构光三维测量技术在模具设计与制造过程中的应用 浏览:
文章来源:中国刀具信息网  添加人:阿刀   添加时间:2010-02-09

  随着现代制造业的快速发展,航空航天、汽车等大型制造业对质量控制提出了更高的要求,且由于这些行业的产品一般大而重,往往需要将质量问题在现场实时解决。正是基于这种需求,近20年来各种便携式光学三维测量技术相继问世,其中结构光三维测量技术由于具有便携性强、测量速度快、测量精度高等优点,已成为目前使用最为广泛的一种三维测量技术[1]。

  结构光三维测量技术发展现状

  1985年,位于德国Munich-Karlsfeld的M.A.N.光学测量技术中心率先利用相移干涉法(Phase Shift Interferometry, PSI)实现了变形测量和振动分析[2]。1986年,该中心的研究人员Dr.Breuckmann将PSI技术引入三维形貌测量,形成了一种新的三维形貌测量技术:相位测量轮廓术(PMP)。并成立了自己的实验室,专门从事此方面技术的研究,近20年来相继推出了不同型号的测量系统,并在工业检测、文物数字化、人体测量等多个领域得到了广泛的应用[3-5]。除Dr.Breuckmann 以外,Dr.Steinbichler[6-9]、Dr.Wolf[10]及德国Technical University of Braunschweig的Reinhold Ritter教授[11-12],也是结构光三维测量技术领域的先驱。他们在上世纪90年代分别成立了Steinbichler GmbH、Dr.Wolf GmbH和GOM GmbH,并相继推出了多款结构光三维测量系统。
  近10年来,国内的清华大学、华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学等多所高校也在跟踪、消化、吸收国外先进技术的基础上,对结构光测量技术进行了系统研究,并推出了商品化的系统,如:北京天远三维科技有限公司的OKIO-II型三维扫描仪,华中科技大学的PowerScanner系列结构光三维测量系统、上海数造机电科技有限公司的3DSS 综合型三维扫描仪等。
  从上述国内外的发展情况可知,结构光三维测量技术已较为成熟,但在相位计算和系统参数标定2个关键技术方面尚有很多问题需要解决,为此本文拟对此2个关键技术进行论述,并对其在航空工业中的实际应用情况进行介绍。

  结构光三维测量技术在航空模具设计与制造中的应用

  结构光三维测量技术作为一种快速、便携、高精度的三维测量技术,在汽车、航空、模具、医疗及康复工程、家用电器、工业设计、工艺品制作以及儿童玩具等领域均得到了广泛的应用并得到了用户的一致认可,已成为一种成熟的三维数据获取和质量评价与控制的手段。目前,本课题组已对数十种被测实体(包括大型飞机机翼、直升机螺旋桨、航空发动机机匣等)进行了现场测量,并且圆满完成了测量任务,达到了项目预期的要求。
  传统模具设计的思路与方法是首先利用CAD软件绘制模具三维数学模型,然后根据此模型进行工艺规程安排与数控加工程序编制,最后在数控设备上进行机械加工。然而对于表面复杂且自由曲面多的模具,最后的加工质量检测是很大的难题。过去常采用样板对模具进行检测,这样会带来一系列固有问题,如不同模具需要不同的样板,样板的加工与存放不仅使成本增加而且使模具制造周期大大延长。另外,即使采用样板进行模具检测,人为因素对检测结果影响也很大,造成检测一致性差。结构光三维测量技术的出现有效地解决了上述问题。如图1所示的某型直升飞机螺旋桨模具,首先通过现场测量获取被测模具(见图1(a))的三维点云数据(见图1(b)),然后将得到的数据与原始三维CAD模型进行比较,即所谓的质量评价。具体过程是将点云数据进行旋转与平移,使其与CAD模型重合,然后根据点云数据与CAD模型间的距离来分析加工误差,不同的误差区间用不同的颜色来表示如图1(c)所示,可以非常直观地反映出模具加工精度整体分布情况,如果需要还可以得到任意一点的误差情况,为下一步的修整或其他决策提供原始依据。

  在很多情况下,不仅需要得到被测实体的点云数据,而且还需要得到被测实体的三维实体数学模型,以便对其进行数控加工、快速原型制造或模具铸造等。这就需要对点云数据进行进一步处理,即三维数学模型重建。这个过程可以通过CAD软件或逆向软件来完成,目前对于飞机机翼模具及机身等大尺寸的三维测量,也主要使用这一测量方法。图2为波音飞机机翼模具三维测量现场。


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