2772 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì),光學(xué),三維,測(cè)量,丈量,設(shè)計(jì) 1光學(xué)三維測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)第一章 緒論引言隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技信息的傳播速度，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短。追求完美與個(gè)性化的消費(fèi)需求使產(chǎn)品品種越來(lái)越多，批量越來(lái)越小，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量與成本上的競(jìng)爭(zhēng)。而更重要的是產(chǎn)品開發(fā)速度以及上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)，這種趨勢(shì)在 21 世紀(jì)頭 10 年將日趨強(qiáng)勁。因此產(chǎn)品的開發(fā)速度和制造技術(shù)的柔性和可移植性變得十分關(guān)鍵?？焖僭椭圃?Rapid Prototyping，以下簡(jiǎn)稱 RP)技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的。RP 技術(shù)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)和自動(dòng)化控制等技術(shù)的發(fā)展成果，采用分層增材制造的新概念取代傳統(tǒng)的去材或變形法加工，是當(dāng)代最具有代表性的制造技術(shù)之一。快速原型制造技術(shù)對(duì)所加工的零件的幾何形狀無(wú)特別要求，可以將給定數(shù)據(jù)還原成實(shí)體模型，即它可快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速的評(píng)估、及功能測(cè)試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費(fèi)用，加快新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的進(jìn)程。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品，都可以在通用的 CAD 軟件上設(shè)計(jì)出它們的三維模型，求得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，另一方面我們還需要對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制或仿制加工，或進(jìn)行產(chǎn)品的二次開發(fā)，在某些情況下由于存在多種因素的影響，如功能，工藝，外觀，使得相當(dāng)一些零件的形狀很復(fù)雜，無(wú)法用通用的方法在 CAD 軟件上準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出它們的實(shí)物模型，而且整個(gè)開發(fā)周期長(zhǎng)，開發(fā)成本高，因此有必要首先開發(fā)出一定比例的小的實(shí)物模型，如木模，蠟?zāi)５?。反求工?也稱逆向工程Reverse Engineering)應(yīng)運(yùn)而生，反求工程是根據(jù)已有的實(shí)物樣件，利用 3D測(cè)量技術(shù)快速測(cè)得實(shí)物的數(shù)據(jù)點(diǎn)，反求出初始的設(shè)計(jì)意圖，包括形狀、材料、工藝等諸多方面。所謂“逆向工程”是相對(duì)于通常的先有設(shè)計(jì)意圖再進(jìn)行設(shè)計(jì)然后再加工出實(shí)物的設(shè)計(jì)流程－順向工程而言。如圖 1－1 所示：2逆向工程是當(dāng)前用于產(chǎn)品開發(fā)和仿制加工的一種先進(jìn)手段，是集測(cè)量技術(shù)、CAD 技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等為一體的高新技術(shù)，它針對(duì)現(xiàn)有的工件（樣品或模型） ，利用 3D 數(shù)字化測(cè)量?jī)x器快速、準(zhǔn)確的測(cè)得大量輪廓坐標(biāo)點(diǎn)，并對(duì)這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行去噪，匹配加以構(gòu)建，修改后輸入到CAD/CAM 系統(tǒng)，生成 NC 的刀具加工路徑，或輸入 CNC 進(jìn)行生成所需的模具，或者生成某種格式的文件輸入到快速成形機(jī)將樣品模型制造出來(lái)。1.1 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r三維光學(xué)測(cè)量機(jī)就是這樣一種設(shè)備，它可以將在三維物理空間中的被測(cè)物體復(fù)制到三維數(shù)據(jù)空間當(dāng)中并進(jìn)行重現(xiàn)，我們稱之為建立三維模型。這種能力使三維掃描儀擁有非常巨大的應(yīng)用前景。由于逆向工程技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)用價(jià)值，因此，世界上主要工業(yè)國(guó)家紛紛投入巨資對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和推廣應(yīng)用，他們無(wú)不站在 21 世紀(jì)世界制造業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度來(lái)對(duì)待這一技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件的快速開發(fā)、汽車和飛機(jī)覆蓋件的快速檢測(cè)和反求、快速模具、醫(yī)療及康復(fù)工程、家用電器、工業(yè)設(shè)計(jì)、工藝品制作以及兒童玩具等領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)外不同測(cè)量原理的逆向設(shè)備已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，如英國(guó) 3D-Scanner 公司、德國(guó) GOM 公司以及美國(guó)、日本、比利時(shí)等國(guó)產(chǎn)品。國(guó)外設(shè)備雖然性能優(yōu)良，但價(jià)格十分昂貴，國(guó)內(nèi)企業(yè)，特別是大量的中小企業(yè)一般很難有能力購(gòu)買。而且國(guó)外產(chǎn)品并不能完全適合我國(guó)國(guó)情，還需本土化。課題組申請(qǐng)的省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，能夠從整體上降低逆向工程技術(shù)在我國(guó)的使用門檻，使國(guó)內(nèi)眾多的中小企業(yè)能夠使用這種先進(jìn)技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品開發(fā)能力和市場(chǎng)3競(jìng)爭(zhēng)能力。國(guó)外生產(chǎn)廠家采取多種方式大力推介他們的設(shè)備，如，德國(guó) GOM 公司正在開發(fā)中文版三維測(cè)量軟件。形勢(shì)十分嚴(yán)峻,時(shí)不我待。盡快開發(fā)出提升我國(guó)制造業(yè)水平和自主創(chuàng)新能力的這一關(guān)鍵設(shè)備，是我們義不容辭的責(zé)任。近年來(lái)，華中科技大學(xué)、上海交大、西安交大、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校也加強(qiáng)了對(duì)逆向工程技術(shù)的研究。華中科技大學(xué)生產(chǎn)了我國(guó)第一臺(tái)商品化激光線掃描臺(tái)式反求設(shè)備，北京天遠(yuǎn)公司也推出了他們的產(chǎn)品。但總體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)的逆向工程技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)還處于初級(jí)階段，設(shè)備品種單一，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有很大差距，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到大面積推廣與應(yīng)用的水平。1.2 設(shè)計(jì)研究的目的和意義逆向工程（Reverse Engineering）在傳統(tǒng)的汽車，航空航天，通訊、家電、藝術(shù)品的快速模具制造與檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它是一門集機(jī)器視覺、CAD/CAM、光學(xué)測(cè)量、數(shù)控、精密機(jī)械、圖像采集與處理、工業(yè)設(shè)計(jì)為一體的高新技術(shù)，是一種對(duì)模型進(jìn)行仿型測(cè)量、CAD 模型重構(gòu)、模型加工并進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估的設(shè)計(jì)方法。作為先進(jìn)制造技術(shù)重要分支，已成為吸收、消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)和創(chuàng)新的重要手段，可以避免走自行開發(fā)中的許多彎路，極大地增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。它針對(duì)現(xiàn)有的模型或樣品，利用 3D 數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)確、快速地測(cè)得其輪廓坐標(biāo)，并進(jìn)行三維 CAD 曲面重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“創(chuàng)新” 。然后通過(guò) CAM 系統(tǒng)，產(chǎn)生刀具 NC 加工代碼，控制 CNC 設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品加工，或者送到快速成型機(jī)將模型或樣品快速制作出來(lái)。這一技術(shù)使產(chǎn)品模型得到精確的表達(dá)和再現(xiàn)，為產(chǎn)品的進(jìn)一步分析、優(yōu)化和制造確立了統(tǒng)一的對(duì)象。例如：在汽車車身等復(fù)雜覆蓋件的工業(yè)設(shè)計(jì)中，形狀獨(dú)特而復(fù)雜的自由曲面一般不能直接建立起 CAD 模型，而是以制件模型（如粘土模型等）或經(jīng)手工修改后的樣件為設(shè)計(jì)原型，這類零件具有非常復(fù)雜的自由曲面，其設(shè)計(jì)表達(dá)或數(shù)學(xué)模型的建立非常困難。但是，一旦重構(gòu)出自由曲面，并建立起 CAD 模型后，就可以方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)、有限元分析、模型修改、誤差分析和數(shù)控加工指令生成等。這就要求根據(jù)這些模型的表面測(cè)量數(shù)據(jù)，基于新的設(shè)計(jì)理念重構(gòu)汽車車身 CAD 模型（或新產(chǎn)品模型） ，并進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化評(píng)估，直到得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。三維掃描測(cè)量技術(shù)、設(shè)備和軟件是逆向工程的重要組成部分。在產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)開發(fā)、快速模具和復(fù)雜型面數(shù)控加工等方面都具有重要意義。41.3 本文的內(nèi)容安排緒論主要闡述逆向工程的概念，三維光學(xué)測(cè)量機(jī)在逆向工程中的作用以及它的應(yīng)用與發(fā)展，本次設(shè)計(jì)的目的及其重大意義。第二章首先介紹三維光學(xué)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量原理，測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的原理。第三章主要介紹三維光學(xué)測(cè)量機(jī)的整體設(shè)計(jì)法案。第四章主要描述機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和一些硬件件的選擇，對(duì)相應(yīng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第五章介紹測(cè)量機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。第六章進(jìn)行了全文總結(jié)以及對(duì)測(cè)量機(jī)的未來(lái)展望。1.4 本章總結(jié)本章首先介紹逆向工程的發(fā)展背景，概念，三維測(cè)量機(jī)在逆向工程中的應(yīng)用狀況；隨后介紹了逆向工程中數(shù)據(jù)獲取方法和 CAD 建模方法，并將各種方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較；本次設(shè)計(jì)的目的、意義。最后對(duì)本次設(shè)計(jì)的整體安排進(jìn)行了介紹。5第二章 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理2.1 測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理光柵投影照相式三維測(cè)量?jī)x是一種高速高精度的三維掃描測(cè)量設(shè)備，應(yīng)用的是目前國(guó)際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測(cè)量原理。采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù)。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時(shí)測(cè)量一個(gè)面。光線垂直照射被測(cè)物體表面，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙目面陣 CCD 實(shí)時(shí)地將被測(cè)物體的圖像送入圖像采集卡，圖像采集卡把采集到的數(shù)據(jù)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理以后得到三維的數(shù)據(jù)點(diǎn)云。其基本原理如圖 2-1 所示：2.2 三維測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)1、掃描速度極快：5 秒內(nèi)可得到 100 多萬(wàn)點(diǎn)，效率很高 2、第三代的面掃描方式：每次掃描一個(gè)面，獲得整個(gè)面的三維數(shù)據(jù)，測(cè)量點(diǎn)分布密度極高且非常規(guī)則 3、非接觸掃描：利用照相式原理，進(jìn)行非接觸式光學(xué)掃描，得到物體表面三維數(shù)據(jù)。而且適應(yīng)了柔軟、易變形物體的測(cè)量要求。 4、精度高：利用獨(dú)有的測(cè)量技術(shù)，實(shí)際精度可達(dá) 0.02mm 65、大景深：掃描景深可達(dá) 300～500mm，為國(guó)內(nèi)最高。適合景深較大物體掃描　 6、標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)拼接：可將多次測(cè)量結(jié)果自動(dòng)拼接，掃描時(shí)物體可任意翻轉(zhuǎn)和挪動(dòng)。通過(guò)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的拼接加以生成多次測(cè)量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大面積掃描。減少了測(cè)量的死角。 7、點(diǎn)云噪聲處理和修剪：可以對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的噪音點(diǎn)進(jìn)行修剪、剔除。 8、對(duì)環(huán)境要求不高：環(huán)境光對(duì)該掃描系統(tǒng)影響不大，在大多數(shù)的環(huán)境下都能獲得高性能的數(shù)據(jù) 9、便攜式設(shè)計(jì)：設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。 10、測(cè)量輸出數(shù)據(jù)接口廣泛：測(cè)量所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為 ASC、VRML 格式，可直接與 Surfacer（image　ware） 、UG、CATIA、Geomagic、Pro／E、Master　CAM 等軟件交互數(shù)據(jù) 11、軟件性能良好：兼容 Windows98／NT／2000／XP　平臺(tái)，用戶易學(xué)易用，不需過(guò)多的培訓(xùn)就可以熟練操作，兼容性好，簡(jiǎn)便易學(xué) 12、彩色掃描：不但可以得到數(shù)字信息，還可以得到 RGB 彩色信息2.3 控制系統(tǒng)原理介紹隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的種類越來(lái)越多，可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)如圖 2-2 所示：計(jì)算機(jī)（可以包含各種控制器）根據(jù)所要求的進(jìn)給速度和位移輸出一定頻率和數(shù)量的脈沖，這種脈沖信號(hào)往往是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平，驅(qū)動(dòng)能力小，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)就需要相應(yīng)的功率放大器－－步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路把相應(yīng)的信號(hào)放大。每個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，從而帶動(dòng)絲杠，由絲杠帶動(dòng)刀具、測(cè)頭等。由于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械位移與輸入的脈沖有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而脈沖輸入的頻率則對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此通過(guò)輸入脈沖數(shù)和頻率即可控制速度和位移。但開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有反饋裝置，計(jì)算機(jī)輸出一定的脈沖數(shù)，無(wú)法知道步進(jìn)電機(jī)是否丟步，絲杠是否移動(dòng)到了指定的位置。因此這種系統(tǒng)只能靠機(jī)械和電機(jī)的精度保證，系統(tǒng)速度和精度都較低。指 令 脈 沖 絲 杠 圖 2-2 開 環(huán) 進(jìn) 給 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 電 路 步 進(jìn) 電 機(jī) 7閉環(huán)系統(tǒng)常用在精度要求較高的反求系統(tǒng)中，一種構(gòu)成位置環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖 2-3 所示。當(dāng)位置反饋信號(hào)從電機(jī)端部通過(guò)編碼器或者從絲杠端部獲得（如圖 2-3 虛線所示） ，間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位置為半閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)位置反饋信號(hào)從絲杠等執(zhí)行部件上直接測(cè)實(shí)際的位置或位移（如圖 2-3 實(shí)線所示）為全閉環(huán)系統(tǒng)。這種閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)由于對(duì)實(shí)際的執(zhí)行部件的位置進(jìn)行反饋，因此其位移精度高于開環(huán)系統(tǒng)。由圖 2-3 見閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)包含速度調(diào)節(jié)部分和位置調(diào)節(jié)部分，數(shù)控裝置進(jìn)給的指令通常包括位移和速度兩個(gè)信息。為了使電機(jī)的輸出速度和位置跟隨速度和位置指令，系統(tǒng)設(shè)有速度和位置控制部分。速度測(cè)量一般用測(cè)速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器，隨時(shí)測(cè)得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與速度指令相比得到速度誤差信號(hào)，即可對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；位置反饋用一般脈沖編碼器或直線光柵尺，將測(cè)得的實(shí)際位置與指令位置比較的得到的結(jié)果即是位置誤差信號(hào)，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。從掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)，速度，精度，成本等方面考慮，我們選擇了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用編碼器反饋回各軸的位置信息，然后再與設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差信號(hào)作為誤差補(bǔ)償信號(hào)，這樣的半閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件比較簡(jiǎn)單，控制較方便，系統(tǒng)的精度介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間，精度符合我們要求。2.4 本章總結(jié)本章首先介紹了三維掃描系統(tǒng)的工作原理，采用結(jié)構(gòu)光三角原理進(jìn)行測(cè)量；接著簡(jiǎn)單介紹了控制系統(tǒng)的分類，介紹了開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的精度要求和成本考慮選用了帶有編碼器反饋的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，并符合三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的要求。指 令 圖 2-3 一 種 閉 環(huán) 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 位 置 調(diào) 節(jié) 器 速 度 調(diào) 節(jié) 器 電 機(jī) 速 度 反 饋 位 置 反 饋 機(jī) 械 裝 置 8第三章 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)整體設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)要求在繪制產(chǎn)品總裝圖和部件裝配圖時(shí)要注意設(shè)計(jì)的科學(xué)性和條理性。設(shè)計(jì)一個(gè)部件，其過(guò)程大致如下：首先，確定末端執(zhí)行件的概略形狀尺寸，然后，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行件與其相臨的下一個(gè)功能部件的結(jié)合的形式與概率尺寸。若為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一測(cè)相當(dāng)于滑臺(tái)，相臨部件一測(cè)相當(dāng)于滑座，考慮導(dǎo)軌精度，選擇并確定導(dǎo)軌的類型及尺寸。根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合部的設(shè)計(jì)結(jié)果和該運(yùn)動(dòng)的行程，直到基礎(chǔ)支撐件。在設(shè)計(jì)中，處處從實(shí)際出發(fā)分析和處理問(wèn)題是至關(guān)重要的。從大處講，聯(lián)系實(shí)際是指對(duì)工藝可能性的分析，在參數(shù)擬訂和方案確定中，既要了解當(dāng)今的先進(jìn)生產(chǎn)水平和可能趨勢(shì)，更應(yīng)了解我國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)水平，使設(shè)計(jì)的機(jī)器能發(fā)揮最佳的效果。從小處講，指對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件的制造工藝、裝配和維修要進(jìn)行認(rèn)真的切實(shí)際的考慮和分析。學(xué)會(huì)使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)推薦的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和各類標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合實(shí)際情況取舍。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解和掌握結(jié)合實(shí)際、綜合思考的設(shè)計(jì)方法。3.2 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)分析1， 主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)（X、Y、Z 三軸或其它）； 2， 測(cè)頭系統(tǒng)； 3， 電氣控制硬件系統(tǒng)； 4， 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測(cè)量軟件）；3.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容設(shè)計(jì)任務(wù)定位在光學(xué)三維測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)包括底座設(shè)計(jì)，主要承擔(dān)運(yùn)動(dòng)功能。設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，不受地域的限制；其次是滑道的設(shè)計(jì)，包括限位手柄、整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要使測(cè)量機(jī)的掃描頭可以實(shí)現(xiàn) y 軸、z 軸、繞 z 軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)功能，擴(kuò)大其測(cè)量范圍。最后是測(cè)量機(jī)掃描頭的設(shè)計(jì)，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是光柵電動(dòng)平移臺(tái)的設(shè)計(jì)；第二，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.2.2 總體設(shè)計(jì)法案的擬定方案擬訂為測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中主要是測(cè)量機(jī)的整體結(jié)構(gòu)定型；掃描頭沿 y、z 軸的運(yùn)動(dòng)，繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；底座支撐設(shè)計(jì)；9掃描頭設(shè)計(jì)。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.2.3 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)測(cè)量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)可歸類于機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)，可分為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)、和組合設(shè)計(jì)三大類型，設(shè)計(jì)的過(guò)程隨設(shè)計(jì)類型而不同，其中創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程最典型，可分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段。產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計(jì)任務(wù)，通常應(yīng)在市場(chǎng)調(diào)查與預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上識(shí)別產(chǎn)品需求，進(jìn)行可行性分析，制定設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù)書。 初步設(shè)計(jì)方案具體化，技術(shù)設(shè)計(jì)階段是將方案設(shè)計(jì)階段擬訂的初步設(shè)計(jì)方案具體化，確定結(jié)構(gòu)原理方案；進(jìn)行總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)；進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。（1）確定結(jié)構(gòu)原理放案根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，再充分理解原理的基礎(chǔ)上，確定結(jié)構(gòu)原理方案。其中包括決定尺寸的依據(jù)，如功率、流量和聯(lián)系尺寸等；決定布局的依據(jù)等，決定和限制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間條件， 。在上述的依據(jù)約束下，對(duì)主要功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思，初步確定其材料和形狀，進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（2）總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是將結(jié)構(gòu)原理方案進(jìn)一步具體化?？傮w設(shè)計(jì)的內(nèi)容大致包括主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、總體布局、系統(tǒng)原理圖、其它。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)原理方案結(jié)構(gòu)化，繪制產(chǎn)品總裝圖；提出初步的零件表及裝配說(shuō)明書。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，充分考慮人機(jī)工程、外觀造型、結(jié)構(gòu)可靠和耐用性、加工和裝配工藝性等。光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)草圖如下：10圖 3-1 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)3.2.4 控制部分設(shè)計(jì)光學(xué)三維測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的控制部分采用 PLC 控制。本書以 S7-200 系列 PLC 為目標(biāo)機(jī)型，介紹西門子 PLC 的特點(diǎn)，為今后更好地學(xué)習(xí)和掌握 S7-300/400 打下基礎(chǔ)。S7-200 系列 PLC 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。111.S7-200 系列 PLC 的基本硬件組成 S7-200 系列 PLC 可提供 4 種不同的基本單元和 6 種型號(hào)的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。（1）．基本單元S7-200 系列 PLC 中可提供 4 種不同的基本型號(hào)的 8 種 CPU 供選擇使用，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配見表 3-1：表 3-1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元型 號(hào) 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7-200CPU221 6 4 —S7-200CPU222 8 6 2 個(gè)擴(kuò)展模塊，78 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 10 路模擬量 I/O 點(diǎn)S7-200CPU224 14 10 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35路模擬量 I/O 點(diǎn)S7-200CPU226 24 16 2 個(gè)擴(kuò)展模塊，248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35路模擬量 I/O 點(diǎn)S7-200CPU226XM 24 162 個(gè)擴(kuò)展模塊，48 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)（2）.擴(kuò)展單元S7-200 系列 PLC 主要有 6 種擴(kuò)展單元，它本身沒(méi)有 CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展 I/O 點(diǎn)數(shù)，S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展單元型號(hào)及輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表 3-2 所示。表 3-2 S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展單元型號(hào)及輸入輸出點(diǎn)數(shù)類 型 型 號(hào) 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn)EM221 8 無(wú)EM222 無(wú) 8數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223 4/8/16 4/8/16EM231 3 無(wú)EM232 無(wú) 2模擬量擴(kuò)展模塊EM235 3 1（3）.編程器PLC 在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來(lái)進(jìn)行用戶程序的編制、存儲(chǔ)和管理等，并將用戶程序送入 PLC 中，在調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè)。S7-200 系列 PLC 可采用多種編程器，一般可分為簡(jiǎn)易型和智能型。12簡(jiǎn)易型編程器是袖珍型的，簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉，是一種很好的現(xiàn)場(chǎng)編程及監(jiān)測(cè)工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200 系列PLC 的專用編程軟件為 STEP7-Micro/WIN。（4）程序存儲(chǔ)卡為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型 PLC 設(shè)有外接 EEPROM 卡盒接口，通過(guò)該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入 PLC，也可將 PLC 內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接 EEPROM 卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲(chǔ)卡 EEPROM 有 6ES 7291-8GC00-0XA0 和 6ES 7291-8GD00-0XA0 兩種，程序容量分別為 8K 和 16K 程序步。（5）.寫入器寫入器的功能是實(shí)現(xiàn) PLC 和 EPROM 之間的程序傳送，是將 PLC 中 RAM 區(qū)的程序通過(guò)寫入器固化到程序存儲(chǔ)卡中，或?qū)?PLC 中程序存儲(chǔ)卡中的程序通過(guò)寫入器傳送到 RAM 區(qū)。（6） 文本顯示器文本顯示器 TD200 不僅是一個(gè)用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對(duì)某個(gè)量的數(shù)值進(jìn)行修改，或直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認(rèn)的方法，最多可顯示 80 條信息，每條信息最多 4 個(gè)變量的狀態(tài)。過(guò)程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時(shí)修改。TD200 面板上的 8 個(gè)可編程序的功能鍵，每個(gè)都分配了一個(gè)存儲(chǔ)器位，這些功能鍵在啟動(dòng)和測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和診斷。2. S7-200 系列 PLC 的主要技術(shù)性能下面以 S7-200 CPU224 為例說(shuō)明 S7 系列 PLC 的主要技術(shù)性能。（1）一般性能，S7-200 CPU224 的一般性能如表 3-3 所示。表 3-3 S7-200 CPU224 一般性能電源電壓 DC 24V，AC 100~230V電源電壓波動(dòng) DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）環(huán)境溫度、濕度 水平安裝 0~550C，垂直安裝 0~450C，5~95%大氣壓 860~1080hPa保護(hù)等級(jí) IP20 到 IEC529輸出給傳感器的電壓 DC 24V （20.4-28.8V）輸出給傳感器的電流 280mA，電子式短路保護(hù)（600mA）為擴(kuò)展模塊提供的輸出電 660mA13流程序存儲(chǔ)器 8K 字節(jié)/典型值為 2.6K 條指令數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2.5K 字存儲(chǔ)器子模塊 1 個(gè)可插入的存儲(chǔ)器子模塊數(shù)據(jù)后備整個(gè) BD1 在 EEPROM 中無(wú)需維護(hù)。在 RAM 中當(dāng)前的DB1 標(biāo)志位、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等通過(guò)高能電容或電池維持，后備時(shí)間 190h（40 0C 時(shí) 120h），插入電池后備200 天編程語(yǔ)言 LAD，F(xiàn)BD，STL程序結(jié)構(gòu) 一個(gè)主程序塊（可以包括子程序）程序執(zhí)行 自由循環(huán)。中斷控制，定時(shí)控制（1~255ms）子程序級(jí) 8 級(jí)用戶程序保護(hù) 3 級(jí)口令保護(hù)指令集 邏輯運(yùn)算、應(yīng)用功能位操作執(zhí)行時(shí)間 0.37μs掃描時(shí)間監(jiān)控 300ms（可重啟動(dòng)）內(nèi)部標(biāo)志位 256，可保持：EEPROM 中 0~112計(jì)數(shù)器 0~256，可保持：256，6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器定時(shí)器可保持：256，4 個(gè)定時(shí)器，1ms~30s16 個(gè)定時(shí)器，10ms~5min236 個(gè)定時(shí)器，100ms~54min接口 一個(gè) RS485 通信接口可連接的編程器/PC PG740PII，PG760PII，PC（AT）本機(jī) I/O數(shù)字量輸入：14，其中 4 個(gè)可用作硬件中斷，14個(gè)用于高速功能數(shù)字量輸出：10，其中 2 個(gè)可用作本機(jī)功能，模擬電位器：2 個(gè)可連接的 I/O數(shù)字量輸入/輸出：最多 94/74模擬量輸入/輸出：最多 28/7（或 14）AS 接口輸入/輸出：496最多可接擴(kuò)展模塊 7 個(gè)（2）輸入特性14S7-200 CPU224 的輸入特性如表 3-4 所示。表 3-4 S7-200 CPU224 輸入特性類型 源型或匯型輸入電壓 DC 24V，“1 信號(hào)”：14-35A，“0 信號(hào)”：0-5A，隔離 光耦隔離，6 點(diǎn)和 8 點(diǎn)輸入電流 “1 信號(hào)”：最大 4mA輸入延遲（額定輸入電壓）所有標(biāo)準(zhǔn)輸入：全部 0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）中斷輸入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）高速計(jì)數(shù)器：（I0.0-0.5）最大 30kHz（3）輸出特性，S7-200 CPU224 輸出特性如表 3-5 所示。表 3-5 S7-200 CPU224 的輸出特性類型 晶體管輸出型 繼電器輸出型額定負(fù)載電壓 DC 24V（20.4-28.8V） DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）輸出電壓 “1 信號(hào)”：最小 DC 20V L+/L-隔離 光耦隔離，5 點(diǎn) 繼電器隔離，3 點(diǎn)和 4 點(diǎn)最大輸出電流 “1 信號(hào)”：0.75A “1 信號(hào)”：2A最小輸出電流 “0 信號(hào)”：10μsA “0 信號(hào)”：0mA輸出開關(guān)容量 阻性負(fù)載：0.75A燈負(fù)載：5W 阻性負(fù)載：2A燈負(fù)載：DC30W，AC200WS7-200 系列 PLC 是模塊式結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)配接各種擴(kuò)展模塊來(lái)達(dá)到擴(kuò)展功能、擴(kuò)大控制能力的目的。目前 S7-200 主要有三大類擴(kuò)展模塊。（1）輸入/輸出擴(kuò)展模塊 S7-200 CPU 上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的數(shù)字量I/O 點(diǎn)，但如用戶需要多于 CPU 單元 I/O 點(diǎn)時(shí)，必須對(duì)系統(tǒng)做必要的擴(kuò)展。CPU221 無(wú) I/O 擴(kuò)展能力，CPU 222 最多可連接 2 個(gè)擴(kuò)展模塊（數(shù)字量或模擬量），而 CPU224 和 CPU226 最多可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊。S7-200 PLC 系列目前總共提供共 5 大類擴(kuò)展模塊：數(shù)字量輸入擴(kuò)展板EM221（8 路擴(kuò)展輸入）；數(shù)字量輸出擴(kuò)展板 EM222（8 路擴(kuò)展輸出）；數(shù)字量輸入和輸出混合擴(kuò)展板 EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模擬量輸入擴(kuò)展板EM231，每個(gè) EM231 可擴(kuò)展 3 路模擬量輸入通道，A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μs，12位；模擬量輸入和輸出混合擴(kuò)展模板 EM235，每個(gè) EM235 可同時(shí)擴(kuò)展 3 路模擬15輸入和 1 路模擬量輸出通道，其中 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μs，D/A 轉(zhuǎn)換時(shí)間]100μs，位數(shù)均為 12 位?；締卧ㄟ^(guò)其右側(cè)的擴(kuò)展接口用總線連接器（插件）與擴(kuò)展單元左側(cè)的擴(kuò)展接口相連接。擴(kuò)展單元正常工作需要+5VDC 工作電源，此電源由基本單元通過(guò)總線連接器提供，擴(kuò)展單元的 24VDC 輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)電源，可由基本單元的 24VDC 電源供電，但要注意基本單元所提供的最大電流能力。（2）熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（EM231）是為CPU222，CPU224，CPU226 設(shè)計(jì)的，S7-200 與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過(guò)模塊上的 DIP 開關(guān)來(lái)選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測(cè)量單位和開路故障的方向。（3）通訊擴(kuò)展模塊 除了 CPU 集成通訊口外，S7-200 還可以通過(guò)通訊擴(kuò)展模塊連接成更大的網(wǎng)絡(luò)。S7-200 系列目前有兩種通訊擴(kuò)展模塊：PROFIBUS-DP 擴(kuò)展從站模塊（EM277）和 AS-i 接口擴(kuò)展模塊（CP243-2）。S7-200 系列 PLC 輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能如表 3-6 所示。表 3-6 S7-200 系列 PLC 輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能類型 數(shù)字量擴(kuò)展模塊 模擬量擴(kuò)展模塊型號(hào) EM21 EM222 EM223 EM231 EM232 EM235輸入點(diǎn) 8 無(wú) 4/8/16 3 無(wú) 3輸出點(diǎn) 無(wú) 8 4/8/16 無(wú) 2 1隔離組點(diǎn)數(shù) 8 2 4 無(wú) 無(wú) 無(wú)輸入電壓 C24V DC24V 輸出電壓 DC24V 或AC24-230V DC24V 或AC24-230V A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間 <250μs <250μs分辨率 12bitA/D轉(zhuǎn)換 電流 12bit電流 11bit 12bitA/D 轉(zhuǎn)換16本文主要是掃描儀中光柵電動(dòng)平移臺(tái)的控制如圖 3-1 所示：圖 3-1 PLC 控制接線圖3.3 主要參數(shù)的設(shè)定z 向工作行程為 2400mm，y 向工作行程為 1200mm，平移臺(tái)行程 40mm。工作進(jìn)給速度為 1-1500mm/min，快速進(jìn)給速度 12m/min進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的總阻力 F∑測(cè)量精度為 0.021mm3-4 本章總結(jié)本章主要介紹了此次設(shè)計(jì)的總體方案，主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，詳細(xì)介紹了 S7-200 系列 PLC 的結(jié)構(gòu)功能。17第四章 機(jī)械部分的具體設(shè)計(jì)及其硬件選擇4.1 底座的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不受地域和空間位置的影響，采用無(wú)固定式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖所示：圖 4-1 底座側(cè)視圖及主要尺寸標(biāo)注圖 4-2 底座俯視圖184.2 滑動(dòng)體主要設(shè)計(jì)光學(xué)三維測(cè)量機(jī)另一個(gè)設(shè)計(jì)要求，掃描儀可以根據(jù)不同的視覺要求調(diào)整不同的視覺角度，所以本次采用掃描頭三自由度設(shè)計(jì)。主要是實(shí)現(xiàn) y、z 軸的移動(dòng)和繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖 4-3 所示：圖 4-3 滑道的主要結(jié)構(gòu)4.3 光學(xué)掃描儀測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成4.3.1 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成光柵編碼法測(cè)量組成原理如圖 4-4 所示，光源照射光柵，經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)將19光柵條紋投射到被測(cè)物體上，經(jīng)過(guò)被測(cè)物體形面調(diào)制形成測(cè)量條紋，由雙目攝像機(jī)接受測(cè)量條紋，應(yīng)用特征匹配技術(shù)、外極線約束準(zhǔn)則和立體視覺技術(shù)獲得測(cè)量曲面的三維數(shù)據(jù)。圖 4-4 光柵編碼法測(cè)量原理圖4.3.2 CCD 基本知識(shí)CCD 是一種以電荷包形式存儲(chǔ)和傳輸信息的新型半導(dǎo)體器件，目前正向小型化與多像素化兩個(gè)方向發(fā)展。CCD 作為攝像器件與傳統(tǒng)的真空攝像管相比，具備體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低、堅(jiān)固抗沖擊、抗振動(dòng)、耐強(qiáng)光、抗電磁干擾等明顯優(yōu)勢(shì)，在清晰度、分辨率、靈敏度、殘像、失真度、彩色與尺寸重現(xiàn)性等方面，也勝真空攝像管一籌。另外，CCD 測(cè)量速度快，所以不僅可用于靜態(tài)測(cè)量，還可用于動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)。因此，本文選用CCD 攝像機(jī)。選擇這種攝像機(jī)時(shí)應(yīng)該注意幾個(gè)問(wèn)題：（1）選擇各種參數(shù)可以手動(dòng)設(shè)置的攝像頭，例如增益、快門速度等。 （2）選擇靈敏度高、信噪比大的攝像頭，一般說(shuō)明書上會(huì)標(biāo)記最低照度為 0.1Lux 等，越小越好。 （3）水平清晰度越大越好。 （4）CCD 尺寸大時(shí)，對(duì)成像質(zhì)量有利，但是后續(xù)選擇時(shí)要考慮到鏡頭的性能。出的是幀頻是每秒鐘采集圖像的幀數(shù)，反映了 CCD 采集圖像的速度，只有幀頻高的 CCD 攝像機(jī)才能實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)，而電子快門的速度是 CCD 芯片攝取每一幅圖像的曝光時(shí)間，這和普通相機(jī)所使用的機(jī)械快門一樣，快門速度越高，拍攝運(yùn)動(dòng)物體時(shí)圖像在 CCD 芯片上位置的相對(duì)移動(dòng)就越小，因此得的到運(yùn)動(dòng)圖像就越清晰，相反，如果快門速度很低，運(yùn)動(dòng)的物體所成的像就會(huì)在 CCD 曝光20時(shí)發(fā)上移動(dòng)，從而導(dǎo)致圖像的模糊（smear） 。4.3.3 圖像采集卡圖像采集卡是一種對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采樣并作 A/D 轉(zhuǎn)換而輸出數(shù)字信號(hào)的板卡，它廣泛應(yīng)用于圖像傳感、圖像分析、信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上常見的圖像采集卡有基于 ISA 總線與 PCI 總線兩種。由于本文采用的控制裝置為微型計(jì)算機(jī)（PC） ，并且現(xiàn)在微型計(jì)算機(jī)的主板板卡插槽多為 PCI總線插槽，ISA 總線插槽呈現(xiàn)逐漸被淘汰的趨勢(shì)，因此本文選用基于 PCI 總線的圖像采集卡。按照輸出圖像的顏色來(lái)分，圖像采集卡又分為黑白圖像采集卡與彩色圖像采集卡兩種。其中，彩色圖像采集卡的價(jià)格大約是同檔黑白圖像采集卡的 2 倍。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并考慮成本，本文選用黑白圖像采集卡。4.3.4 選擇結(jié)果根據(jù)機(jī)器視覺光學(xué)理論的指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比，同時(shí)考慮性價(jià)比，本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)最終選擇了如下的系統(tǒng)硬件：1）CCD 攝像機(jī)與圖像采集卡：（1）日本松下 CCD 攝像機(jī)：分辨率 795X596，30 幀/秒；WV-BP330 0.08Lux，570 線，1/3"自動(dòng)白平衡（2）圖像采集卡：北京嘉恒中自 M10A 單 A/D 通道、可單幀或連續(xù)幀進(jìn)行圖像采集。（3）CCD 鏡頭定焦手動(dòng)光圈日本 35 mm F1.8 1/3"C 接口 5.52）透射光柵，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所按用戶要求制作。3）步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī) 1 套、驅(qū)動(dòng)器：1 套、運(yùn)動(dòng)控制卡 1 塊4）白熾光源一個(gè)5）三角支架一個(gè)6）CCD、光源及光柵支撐架，7）控制用計(jì)算機(jī)一臺(tái)214.4 光柵電動(dòng)平移臺(tái)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 4-5 所示：圖 4-5 光柵電動(dòng)平移臺(tái)4.5 本章小結(jié)本章主要介紹了光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的主要部件的設(shè)計(jì)，掃描儀測(cè)量系統(tǒng)介紹以及硬件的選擇。22第五章 光學(xué)三維測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 控制系統(tǒng)中電機(jī)的選擇5.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概述步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行單元，專門用于位置和速度精確控制的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的最大特點(diǎn)是其“數(shù)字性” ，對(duì)于微電腦或控制器發(fā)過(guò)來(lái)的每一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)在其驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度(簡(jiǎn)稱一步)，如接收到一串脈沖步進(jìn)電機(jī)將連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。由于步進(jìn)電機(jī)工作簡(jiǎn)單可靠，成本低廉，根據(jù)三維掃描系統(tǒng)控制要求：運(yùn)動(dòng)速度適中、控制精度高、扭矩超過(guò) 1.5Nm，我們選用了雷賽公司的步進(jìn)電機(jī)，并且取得了較好的效果。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光柵平移臺(tái)的直線進(jìn)給。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖馬達(dá)，是一種把電脈沖信號(hào)變換成直線位移或角位移的控制電機(jī)。它的位移速度和輸入脈沖數(shù)成正比，因此可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)已作為重要的執(zhí)行元件應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、智能儀器和自動(dòng)控制中。5.1.2 電動(dòng)機(jī)容量的選擇原則在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中選擇一臺(tái)合適的電動(dòng)機(jī)是極為重要的。電動(dòng)機(jī)的選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過(guò)載下運(yùn)行，會(huì)使它過(guò)早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)以下三項(xiàng)基本原則進(jìn)行。（1）發(fā)熱：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最高工作溫度等于或略小于電機(jī)允許的最高工作溫度。（2）過(guò)載能力：電動(dòng)機(jī)再運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的過(guò)載能力。特別是在短期工作時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的熱慣性較大，電動(dòng)機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載說(shuō)仍可保證上面的原則，故此時(shí)，決定電動(dòng)機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力。既所選電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩或允許電流必須大于運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大負(fù)載電流即：23（3） 啟動(dòng)能力：由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般較小，所以，為使電動(dòng)機(jī)能可靠啟動(dòng)，必須保證式中 nSTL??NsttT/??選擇電動(dòng)機(jī)容量的方法一般有計(jì)算法、統(tǒng)分析計(jì)法和類比法。5.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的容量計(jì)算下面的計(jì)算結(jié)果?F所以選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出功率 0.2kw，同步轉(zhuǎn)速 1500r/min，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下表一所示：表 5-1 電動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)：電動(dòng)機(jī)型號(hào) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩（N.m）運(yùn)行頻率最高空載啟動(dòng)頻率軸徑 長(zhǎng)度55BF003 0.75/1.5 0.686 1800 6mm 70mm5.2 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩 則：3.1142 ??? Aac KTK， 取， 考 慮 到 轉(zhuǎn) 矩 變 化 很 小查 表按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩 應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱直徑的條件，查標(biāo)準(zhǔn) GB5843-86 或手caT冊(cè)，選用合適的聯(lián)軸器表 5-2 聯(lián)軸器的參數(shù)型號(hào) 公稱轉(zhuǎn)矩T（N.M）許用轉(zhuǎn)速（r/min）軸孔直徑D(H7)D D1 螺栓直徑 M L0YL1 10 13000 6 22 17 M2 35根據(jù)聯(lián)軸器的孔徑選取絲杠端最小軸的直徑。NMAXLmIITT'max'???kwVPe 05.612/max???mNPA .365.73.1.31270/90/95022??245.3 絲杠螺母副的選用計(jì)算5.3.1 絲杠螺母導(dǎo)程的確定再本設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲杠直接相連，傳動(dòng)比 i=1，選擇電機(jī) Y 系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ，則絲杠的導(dǎo)程cmkgfMrn .2min,/150maxmax ??最 大 轉(zhuǎn) 矩為 VPh 8150/./ax5.3.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 in//2/maxa rnh??最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 .ini則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估計(jì) 21t mi/10)((21min1attt?5.3.3 絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選用導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 0.0025-0.005，取摩擦系數(shù) f 為 0.005，則絲杠所受的最大牽引力為 )(maxGFKFzyx??Nf 127.4605.in ???故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算 t1=t2 ;n2=2n1） 3/1212min313max )]/()[( tntFtF???由以上確定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的總阻力 F∑=12N5.3.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 ?aC查表，取絲杠的工作壽命 Th 為 15000h，同時(shí)取精度系數(shù) fa=1，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) fw=105，溫度系數(shù) ft=0.95，硬度系數(shù) fh=1，可靠性系數(shù) fk=0.53；平均轉(zhuǎn)速為 1000r/min。N2/2i25選用滑動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，絲杠公稱直徑為 ，基本導(dǎo)程 ，m45?mPh8?絲杠螺母的接觸剛度為 1692N/ ，螺旋升角 絲杠的底徑 26mm，螺母m?'.183??長(zhǎng)度為 210mm，取絲杠的精度等級(jí)為 1 級(jí)。5.3.5 計(jì)算軸承動(dòng)載荷壽命系數(shù)為： 71.250/13350/1??hhLf式中 ——壽命系數(shù)：——可靠性為 90%的額定壽命，取為 10000h；0——轉(zhuǎn)速系數(shù)： ；nf 28.045/3/?jnf計(jì)算轉(zhuǎn)速 取最高轉(zhuǎn)速，取 ；j mi150rj NC1828./7????故能滿足要求。5.3.6 絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率驗(yàn)算已知：軸承的接觸剛度 ，絲杠螺母的接觸剛NkB?/10，絲杠的最小拉壓剛度：mNKC?/1692?當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L 植分別為750mm 和 100mm。螺母座剛度 。軸向拉壓總剛度為：mNKH?/10?絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率由計(jì)算可知，絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1500r/min，所以能滿足要求。NnTffFCrnThkahtwmh 345.09./02)0/6).(/( 1915060 33/6 ???????? mNLAEs ?/1652.0/.253./ 4.875axin ???EsCBe/28 4.18/9/8//1in ??min/7165/50136.2/.910/6 rsradmKeB ????nThfFC/265.4 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度：由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為絲杠扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率為：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1500r/min，所以，能滿足要求。5.5 傳動(dòng)精度計(jì)算絲杠的拉壓剛度： 由以上的各條件可知最小機(jī)械傳動(dòng)剛度為：最大機(jī)械傳動(dòng)剛度：rNmLdKmT /4.207148.74. ??232.1058.)0.(81.9362kgJ??????23.4.mS? sradJKSZWTT /47810)35.6.058.(2733?????? ??LEdKS42??mNKBcs ?/1208/1692/.8//1//1minin0 ????27因此得到由于機(jī)械傳動(dòng)裝置所引起的定位誤差為其中，F(xiàn)0 為空載時(shí)導(dǎo)軌的靜摩擦力5.6 本章總結(jié)本章主要介紹了電動(dòng)機(jī)的相關(guān)內(nèi)容，絲杠的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。mNKKBcsmanan ?/45108/692/15///1/0 ?????KFqk ?? 12.0)45_12(0)_1(max0in0 ????28第六章 總結(jié)與展望6.1 全文總結(jié)本次設(shè)計(jì)主要是光學(xué)三維測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，便攜式設(shè)計(jì)：設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)；可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向的任意調(diào)動(dòng)；利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光柵進(jìn)行測(cè)量；工作的內(nèi)容總結(jié)如下：一、緒論主要闡述逆向工程的概念，三維光學(xué)測(cè)量機(jī)在逆向工程中的作用以及它的應(yīng)用與發(fā)展，本次設(shè)計(jì)的目的及其重大意義。二、介紹三維光學(xué)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量原理，測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的原理。三、主要介紹三維光學(xué)測(cè)量機(jī)的整體設(shè)計(jì)法案。四、主要描述機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和一些硬件件的選擇，對(duì)相應(yīng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。1、繪制整體結(jié)構(gòu)草圖。2、底座、框架的設(shè)計(jì)。4、電動(dòng)平移臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。5、掃描儀硬件的選擇及一些硬件的詳細(xì)介紹。五、介紹測(cè)量機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。6.2 展望人們經(jīng)常需要快速的獲得物體表面的立體信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能直接處理的信息。三維光學(xué)掃測(cè)量機(jī)這一裝置將在許多領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。一、工業(yè)制造業(yè)三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)提供了一種快速無(wú)接觸的快速方法，能快速測(cè)量物體的立體尺寸，可用于工業(yè)零件快速在線測(cè)量、仿制、快速制造系統(tǒng)、對(duì)特殊物體的測(cè)量等。二、影視娛樂(lè)業(yè)隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)影視特技技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于影視、廣告業(yè)，達(dá)到了過(guò)去無(wú)法想想的特技效果，已經(jīng)成為高質(zhì)量影視、廣告制作不可缺少的手段。要在計(jì)算機(jī)上完成三維動(dòng)畫，必須要有三維模型數(shù)據(jù)，這時(shí)就可以用三維掃描系統(tǒng)將演員、道具、模型等的表面空間數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。29三、文物保護(hù)三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)能以不損傷物體的手段，獲得文物的三維信息、紋理、便于長(zhǎng)期保存、再現(xiàn)，給文物復(fù)制帶來(lái)了很大的便利。四、藝術(shù)把該系統(tǒng)和數(shù)控雕刻機(jī)相結(jié)合，可以很方便地雕像。只要對(duì)對(duì)象進(jìn)行一次掃描，就能獲得其表面的每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入數(shù)控雕刻機(jī)，很快就能雕刻出逼真的雕像。五、醫(yī)學(xué)、整形、美容能快速測(cè)量人體各個(gè)部分，寶庫(kù)奧牙齒、面部、肢體等的尺寸，對(duì)美容、矯形、修復(fù)、口腔醫(yī)學(xué)、假肢制作都非常有用。六、服裝現(xiàn)在隨著人民生活水平的提高，人們開始追求個(gè)性化服裝設(shè)計(jì)，三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)可以快速地獲得人體所有尺寸，輸入計(jì)算機(jī)，與服裝 CAD 結(jié)合，按照每個(gè)人的模型進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)，還可以直接在計(jì)算機(jī)上看到服裝設(shè)計(jì)效果，并且可以進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。七、學(xué)術(shù)研究隨著技術(shù)的發(fā)展，圖形圖像科技工作者的研究逐漸從二維進(jìn)入三維，三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)可以給他們提供迅速獲取三維圖像數(shù)據(jù)的手段，為三維物體識(shí)別的研究提供方便。致謝30半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)也已經(jīng)到了尾聲階段，論文的完成標(biāo)志著四年的本科學(xué)習(xí)即將結(jié)束，也意味著，新的生活即將開始。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的半年里，我學(xué)到了很多知識(shí)，同時(shí)也得到了很多經(jīng)驗(yàn)，給我即將結(jié)束的大學(xué)生活留下了很多值得回憶的經(jīng)歷，也給了我許多日后可以借鑒的豐富經(jīng)驗(yàn)。這篇論文的題目涉及到的領(lǐng)域是現(xiàn)今最流行的技術(shù)——逆向工程技術(shù)，這是我今后的發(fā)展方向，我對(duì)在畢業(yè)之前就能接觸并深入了解這一科目而感到慶幸，因此我在這里要特別感謝我的指導(dǎo)教師程俊廷老師。衷心感謝程俊廷老師在這近半年的時(shí)間來(lái)對(duì)我的指導(dǎo)和教誨。您開闊的思維、敏銳的洞察力一直給我很大的啟發(fā)。程老師廣博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)、勇于開拓創(chuàng)新的精神無(wú)不激勵(lì)著學(xué)生奮發(fā)向上、勇往直前。老師不僅在學(xué)生的學(xué)習(xí)、工作上給予熱情的指導(dǎo)，在生活也給了無(wú)微不至的關(guān)懷。學(xué)生在學(xué)習(xí)上所取得的每一點(diǎn)進(jìn)步和成績(jī)無(wú)不浸透著老師的心血。在論文完成之際，謹(jǐn)向程老師致以最衷心的感謝。唯一的遺憾是自己不夠主動(dòng)，錯(cuò)過(guò)了許多與您交流的機(jī)會(huì)。感謝伏立老師在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的幫助。同時(shí)還要對(duì)班級(jí)同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我的無(wú)私幫助，再次表示感謝。畢業(yè)設(shè)計(jì)將給我四年的學(xué)習(xí)生活畫上圓滿的句號(hào)，這是我人生一個(gè)最重要的階段，也是我最重要的人生經(jīng)歷。它預(yù)示我新生活的開始，我將會(huì)更珍惜以后的每一個(gè)人生階段，因?yàn)槊恳欢稳松?jīng)歷都將影響著我的生活，導(dǎo)致我或成功或失敗 ，因此我將認(rèn)真過(guò)好我的每一天。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心、愛護(hù)和幫助過(guò)我的人們！學(xué)生 王永光2008 年 5 月參考文獻(xiàn)1　 姜玉田主編 畫法幾何及機(jī)械制圖，黑龍江科技學(xué)院技術(shù)出版社 2002 6312　 沈忠主編 機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社第七版 2001 63　 李慶祥、王東生主編 現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社 2004 34　 王紹竣主編 機(jī)械加工工藝手冊(cè) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1991 5　 成大先主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社。 1997 6　 徐立華主編 機(jī)械制造工程學(xué)，北京：兵器工業(yè)出版社， 19977　 盧秉恒主編 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19998　 朱正心主編 機(jī)械制造技術(shù)， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19999　 郭熾盛主編 機(jī)械制造工程學(xué)，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1997Anonymous. 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