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光學三維測量機畢業設計
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- 光學三維測量機畢業設計
摘 要
逆向工程是當前用于產品開發和仿制加工的一種先進手段，是集測量技術、CAD技術、激光技術、材料技術和計算機控制技術等為一體的高新技術，它針對現有的工件（樣品或模型），利用3D數字化測量儀器快速、準確的測得大量輪廓坐標點，并對這些坐標點進行去噪，匹配加以構建，修改后輸入到CAD/CAM系統，生成NC的刀具加工路徑，或輸入CNC進行生成所需的模具，或者生成某種格式的文件輸入到快速成形機將樣品模型制造出來。三維光學測量機就是這樣一種設備，它可以將在三維物理空間中的被測物體復制到三維數據空間當中并進行重現，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用前景。由于逆向工程技術具有廣泛的應用領域和實用價值，因此，世界上主要工業國家紛紛投入巨資對此項技術進行研發和推廣應用，他們無不站在21世紀世界制造業全球競爭的戰略高度來對待這一技術。目前該項技術已經廣泛應用于機械零部件的快速開發、汽車和飛機覆蓋件的快速檢測和反求、快速模具、醫療及康復工程、家用電器、工業設計、工藝品制作以及兒童玩具等領域，取得了巨大的經濟效益。本次設計主要是完成光學三維測量機機械部分和控制系統的設計，本文提出的結構光三維測量系統是一種光柵式結構光掃描雙目視覺測量技術。由于是面掃描，所以，在速度上有很大的優勢，可以很好的實現被測自由曲面的快速、高精度的三維尺寸測量。通過對測量機的個部分部件的設計，最后完成光學三維測量機的設計工作。
關鍵詞 逆向工程 三維模型 光學三維測量機 光柵 掃描
Abstract
Reverse engineering is currently used for product development and imitation of an advanced means of processing, is set measurement technology, CAD technology, laser technology, materials technology and computer-controlled technology, which integrates high-tech, it addresses the existing part (or sample MODEL), using 3 D digital measuring instruments quickly and accurately measured the outline of a large number coordinates, and coordinates of these points denoising, match to build, the revised import to CAD / CAM system, generating the NC tool processing path, or enter CNC to generate the necessary die, or generate a certain format of the files into a rapid prototyping machine will be created by the sample model. Three-dimensional optical measuring machine is one such device, which can be three-dimensional physical space of the detected objects copied to the 3D data space and return them, we call it the establishment of three-dimensional model. This ability to 3-D scanner has a very great prospect. Since reverse engineering is a wide range of applications and practical value, the world's major industrial countries have invested heavily in research and development of the technology and application, they all stand in the 21st century global competition in world manufacturing strategy to deal with this highly A technology. Currently the technology has been widely used in the rapid development of machinery parts, automobile and aircraft coverage of the rapid detection and anti-seeking, rapid tooling, medical and rehabilitation engineering, home appliances, industrial design, craft making and children's toys, and other fields and achieved A huge economic benefits. The optical design is complete three-dimensional measuring machines and mechanical control system design, the paper's three-dimensional structure of optical measurement system is a grating structure of binocular vision measuring optical scanning technology. Since the scan, therefore, have great speed on the edge, you can achieve very good surface tested free of the fast, high-precision 3D measurement. By measuring machine parts parts of the design, the final completion of three-dimensional optical measuring machine design.
Key words Reverse engineering Three-dimensional model of optical scanning Three-dimensional measuring machines Grating
目 錄
摘要 I
ABSTRaCT II
第一章 緒論 1
引言 1
1.1 三維光學測量機的應用與發展狀況 2
1.2 設計研究的目的和意義 3
1.3 本文的內容安排 4
1.4 本章總結 4
第二章 光學三維測量機的測量原理 5
2.1 測量機的測量原理 5
2.2 三維測量機的特點 5
2.3 控制系統原理介紹 6
2.4 本章總結 7
第三章 光學三維測量機整體設計方案 18
3.1 設計要求 8
3.2 光學三維測量機基本結構分析 8
3.2.1 設計任務和內容 8
3.2.2 總體設計法案的擬定 8
3.2.3 光學三維測量機機械部分設計 9
3.2.4 控制部分設計 10
3.3 主要參數設定 16
3.4 本章總結 16
第四章 機械部分的具體設計及其硬件選擇 17
4.1底座設計 17
4.2 滑動體主要設計 18
4.3 光學掃描儀測量系統的硬件組成 18
4.3.1結構光三維測量系統的硬件組成 18
4.3.2 CCD基本知識 19
4.3.3圖像采集卡 20
4.3.4選擇結果 20
4.4 光柵電動平移臺基本結構設計 21
4.5 本章總結 21
第五章 光學三維測量機的設計計算 22
5.1 控制系統中電機的選擇 22
5.1.1 步進電機概述 22
5.1.2 電動機容量的選擇原則 22
5.1.3 步進電動機的容量計算 23
5.2 聯軸器的選擇 23
5.3 絲杠螺母副的選用計算 24
5.3.1絲杠螺母導程的確定 24
5.3.2 確定絲杠的等效轉速 24
5.3.3 絲杠的等效負載 24
5.3.4 確定絲杠所受的最大動載荷 24
5.3.5 計算軸承動載荷 25
5.3.6 絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率計算 25
5.4 絲杠的扭轉剛度 26
5.5傳動精度計算 26
5.6 本章總結 27
第六章 總結和展望 28
6.1 全文總結 28
6.2 展望 28
致 謝 30
參考文獻 31
附錄1 33
附錄2 48
3.1 設計要求
在繪制產品總裝圖和部件裝配圖時要注意設計的科學性和條理性。設計一個部件，其過程大致如下：首先，確定末端執行件的概略形狀尺寸，然后，設計末端執行件與其相臨的下一個功能部件的結合的形式與概率尺寸。若為運動導軌結合部，則執行件一測相當于滑臺，相臨部件一測相當于滑座，考慮導軌精度，選擇并確定導軌的類型及尺寸。根據導軌結合部的設計結果和該運動的行程，直到基礎支撐件。
在設計中，處處從實際出發分析和處理問題是至關重要的。從大處講，聯系實際是指對工藝可能性的分析，在參數擬訂和方案確定中，既要了解當今的先進生產水平和可能趨勢，更應了解我國的實際生產水平，使設計的機器能發揮最佳的效果。從小處講，指對設計的機械零部件的制造工藝、裝配和維修要進行認真的切實際的考慮和分析。學會使用設計手冊，對推薦的設計數據和各類標準要結合實際情況取舍。通過設計實踐，了解和掌握結合實際、綜合思考的設計方法。
3.2 光學三維測量機的基本結構分析
1， 主機機械系統（X、Y、Z三軸或其它）；
2， 測頭系統；
3， 電氣控制硬件系統；
4， 數據處理軟件系統（測量軟件）；
3.2.1設計任務和內容
設計任務定位在光學三維測量機機械結構及運動控制系統設計，其中機械部分的設計包括底座設計，主要承擔運動功能。設備部件易拆易裝，方便帶至測量現場，不受地域的限制；其次是滑道的設計，包括限位手柄、整體結構的設計， 主要使測量機的掃描頭可以實現y軸、z軸、繞z軸旋轉的運動功能，擴大其測量范圍。最后是測量機掃描頭的設計，包括內部結構設計，主要是光柵電動平移臺的設計；第二，控制系統設計。
3.2.2 總體設計法案的擬定
方案擬訂為測量機機械結構和控制系統的設計，其中主要是測量機的整體結構定型；掃描頭沿y、z軸的運動，繞z軸的旋轉系統設計；底座支撐設計；掃描頭設計。PLC控制系統設計。
3.2.3 光學三維測量機機械部分設計
測量機的機械系統設計可歸類于機械制造裝備設計，可分為創新設計、變形設計、和組合設計三大類型，設計的過程隨設計類型而不同，其中創新設計的過程最典型，可分為產品規劃階段、方案設計、技術設計和施工設計四個階段。產品規劃階段的任務是明確設計任務，通常應在市場調查與預測的基礎上識別產品需求，進行可行性分析，制定設計技術任務書。
初步設計方案具體化，技術設計階段是將方案設計階段擬訂的初步設計方案具體化，確定結構原理方案；進行總體技術方案設計；進行結構設計；通過技術經濟分析，選擇較優的設計方案。
（1）確定結構原理放案
根據初步設計方案，再充分理解原理的基礎上，確定結構原理方案。其中包括決定尺寸的依據，如功率、流量和聯系尺寸等；決定布局的依據等，決定和限制結構設計的空間條件，。在上述的依據約束下，對主要功能結構進行構思，初步確定其材料和形狀，進行粗略的結構設計。
（2）總體設計
總體設計階段的任務是將結構原理方案進一步具體化。總體設計的內容大致包括主要結構參數、總體布局、系統原理圖、其它。
（3）結構設計
結構設計階段的主要任務是在總體設計的基礎上，對結構原理方案結構化，繪制產品總裝圖；提出初步的零件表及裝配說明書。進行結構設計時，必須遵守有關標準規范，充分考慮人機工程、外觀造型、結構可靠和耐用性、加工和裝配工藝性等。
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