一種復(fù)雜輪廓物體三維無損測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維測量技術(shù)，具體是一種復(fù)雜輪廓物體三維無損測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在物體內(nèi)外部輪廓三維測量技術(shù)方面，目前有核磁共振成象和CT掃描方法能夠測量物體的內(nèi)部輪廓，但這兩種方法的成本很高，對可測零件的尺寸和材料都有限制，測量精度低。另一種能夠?qū)ξ矬w內(nèi)部輪廓測量的方法是美國的自動斷層掃描技術(shù)，該方法雖然測量精度高。但它測量時要破壞被測零件，成本高，測量時間長，應(yīng)用也受到了限制。另外，一種基于浮力的三維實(shí)體非接觸測量與重構(gòu)方法，能測量內(nèi)部輪廓是通孔的物體，但該方法要求被測物體密度均勻，難以滿足工程實(shí)際需要。還有一種基于虛擬切片原理的復(fù)雜實(shí)體三維數(shù)字化無損測量方法。該方法以物體重力在平衡系統(tǒng)中力與力矩的變化關(guān)系為測量基礎(chǔ)原理，通過測量片層二維重心和重量特征，結(jié)合空間三個正交軸向空間虛擬切片原理，測得到被測實(shí)體三維尺寸特征信息。該方法由于采用的虛擬切片原理，測量在平衡系統(tǒng)中進(jìn)行，不破壞被測物體，但該方法也要求被測物體密度均勻，對密度不均勻的物體無法測量。因此，在含有內(nèi)部輪廓的三維物體無損測量方面，以上方法只能測量密度均勻的物體，不能測量含有復(fù)雜內(nèi)部輪廓的密度不均勻的物體，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述缺陷，本發(fā)明提出了一種基于網(wǎng)格片層體積測量的復(fù)雜物體三維無損測量與重構(gòu)的新方法及裝置。本測量方法不破壞被測物體，可測所有不溶于水且無封閉孔的復(fù)雜形狀材料，測量方便，成本低，所得三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層有序，重構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)自動測量。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:
一種復(fù)雜輪廓物體三維無損測量方法，包括如下步驟:
(1)建立一個復(fù)雜輪廓物體三維無損測量裝置，該裝置包括精密測量控制機(jī)構(gòu)和圖形重構(gòu)系統(tǒng)，精密測量控制機(jī)構(gòu)封裝在腔體中；
(2)在安裝夾具系統(tǒng)的空間坐標(biāo)系中將被測物體分層細(xì)化成由多個有序的微小網(wǎng)格正方體組成的網(wǎng)格體，按空間坐標(biāo)有序離散化，整個測量過程中每個微小網(wǎng)格正方體的中心坐標(biāo)位置相對于安裝夾具系統(tǒng)空間坐標(biāo)系的位置固定不變。將網(wǎng)格體置于精密測量控制機(jī)構(gòu)中，將帶溢出孔且填充有一定量液體的容量置于被測物體的正下方，使被測物體在精密測量控制機(jī)構(gòu)的作用下，按一定的方向和一定的下降距離浸入容器液體中。液體的溢出受到液體潤濕效應(yīng)、液面穩(wěn)定性和表面張力等因素影響，通過對液體的影響因素誤差分析、修正補(bǔ)償和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到滿足測量要求所需的液體。通過測出每次溢出液體的重量，再根據(jù)溢出液體的體積V等于質(zhì)量m除以密度P以精確求解每層的體積，每層的體積又等于本層所有微小網(wǎng)格正方體的單元體積之和。通過不同方向分層多次測量來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用遺傳算法智能運(yùn)算求解出網(wǎng)格體的上每一位置單元體是否為空，以得到該微小網(wǎng)格正方單元體的三維坐標(biāo)尺寸，從而得到被測物體所有構(gòu)成點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；
(3)精密測量控制機(jī)構(gòu)所測得的重力信號通過數(shù)據(jù)采集接口與圖形重構(gòu)系統(tǒng)連接，并形成數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行求解運(yùn)算、誤差數(shù)據(jù)處理和重構(gòu)計(jì)算，采用基于二進(jìn)制像素的三維重構(gòu)方法在圖形處理系統(tǒng)中對物體的小網(wǎng)格體進(jìn)行精確重構(gòu)三維圖形。
[0005]所述數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及三維重構(gòu)方法是:任設(shè)被測物體被邊長為η的最小空間包容體包容裝夾其中，網(wǎng)格體的邊長取I (假設(shè)被測物體最大長度為L，測量精度為Λ L，則n=L/ Δ L,在測量規(guī)劃時可適當(dāng)調(diào)整Λ L使η為整數(shù))，則最小包容體共有η3個微小網(wǎng)格體。沿Z軸方向向下逐層浸入液體中，即每次移動1，記網(wǎng)格體V(n，n，n)的體積為V(n，n，n)，Z軸方向上第η層的體積記為Vzn，則可建立每一片層的體積計(jì)算數(shù)學(xué)模型。沿Z軸方向上第I層體積計(jì)算公式為:
V(1,1,1)+ V (2,1,1)+ *..+ V (n’1’1)+ V (1,2,1)+...+ V (n；n；1)= Vzl 沿z軸方向上第2層體積計(jì)算公式為:
V(1,1,2)+ V (2,1,2)+...+ V (n；1；2)+ V α，2，2)+...+ V (n，n，2)= Vz2 以此類推，沿Z軸方向上第η層體積計(jì)算公式為:
V(l’l’n)+ V (2,1,η)+...+ V (n；1；n)+ V (1’2’n)+...+ V (n’n’n)= VZn 同理，改變測量方向在X軸、Y軸方向上測量可分別得到η個方程。
[0006]再改變測量位置，分別沿互相垂直的3個平面內(nèi)的6個對角線方向測量時，每次移動一個網(wǎng)格體邊長的倍距離，在各方向分別獲得η個方程(這些方程中有很多網(wǎng)格體剛好切到一半，即1/2個網(wǎng)格體)，則可獲得在6個對角線測量方向上總計(jì)6η個方程。因此，在Χ、Υ、Ζ軸三個方向測量共可列出3η個線性方程；沿各個對角線方向測量時，共可列出6η個方程。則在不同方向測量時，共計(jì)可獲得9 η個線性方程。
[0007]由微小網(wǎng)格體定義，已知微小網(wǎng)格體的體積為V，則所有微小網(wǎng)格體在空間只有兩種情況存在，要么為實(shí)網(wǎng)格體，即體積為V，為研宄方便可通過轉(zhuǎn)換為當(dāng)量體積，記為單元體積I ;要么為虛網(wǎng)格體，即體積為O ;則單元網(wǎng)格體體積值只為I或0，有:
ν(“η)*υ= O
式中，V α」，η)為微小網(wǎng)格體V (i，j，n)的當(dāng)量體積，i=l, 2,...，]!，j=l, 2，…，n ;
因此，經(jīng)過體積歸一化處理以后，存在V (1；1；1) (V (U1)-D =0，V (2；1；1) (V (2；1；1)-1)=0，…，V<；n，n，n) (V(n，n，n)_l)=0共η3個非線性方程，用這η3+9η個方程通過遺傳算法等智能運(yùn)算可優(yōu)化求解η3個未知數(shù)，可高精度求得每一個網(wǎng)格體位置的三維坐標(biāo)，進(jìn)而可重構(gòu)出物體的三維圖形。
[0008]實(shí)現(xiàn)上述測量方法的復(fù)雜輪廓物體三維無損測量裝置，包括精密測量控制機(jī)構(gòu)和圖形重構(gòu)系統(tǒng)，精密測量控制機(jī)構(gòu)通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)圖形重構(gòu)系統(tǒng)連接，并形成數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行求解運(yùn)算、誤差數(shù)據(jù)處理和重構(gòu)計(jì)算，在圖形處理系統(tǒng)中精確重構(gòu)三維圖形。其中:
所述精密測量控制機(jī)構(gòu)包括精密運(yùn)動控制系統(tǒng)、精密裝夾系統(tǒng)、精密體積測量系統(tǒng)和溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，精密裝夾系統(tǒng)與精密運(yùn)動控制系統(tǒng)相連接，通過精密運(yùn)動控制系統(tǒng)，控制精密裝夾系統(tǒng)沿垂直方向上的精密位移，精密體積測量系統(tǒng)由精密電子分析天平和設(shè)置在該天平上的吸水海綿體構(gòu)成，設(shè)置在精密裝夾系統(tǒng)下方一側(cè)，在精密電子分析天平旁設(shè)置有自動裝卸系統(tǒng)，當(dāng)吸水海綿體重量即將達(dá)到精密電子分析天平的最大量程時，及時卸載并更換吸水海綿，溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在精密體積測量系統(tǒng)與自動裝卸系統(tǒng)之間，實(shí)時監(jiān)控整個精密測量系統(tǒng)中溫度、濕度的狀況，精密運(yùn)動控制系統(tǒng)、精密裝夾系統(tǒng)、精密體積測量系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)分別與計(jì)算系統(tǒng)連接。
[0009]所述精密裝夾系統(tǒng)為邊長可調(diào)的正方體包容體，以滿足被測物體裝夾方便可靠，能快速實(shí)現(xiàn)多個不同測量方向的切換，并滿足各個測量方向的精度要求。
[0010]所述精密裝夾系統(tǒng)、精密體積測量系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)均設(shè)置在同一腔體內(nèi)，以保證測量環(huán)境一定的濕度要求、空氣流動干擾和環(huán)境溫度要求。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本測量方法不破壞被測物體，可測所有不溶于水且無封閉孔的復(fù)雜形狀材料，測量方便，成本低，精密運(yùn)動控制系統(tǒng)中位移要求非常精確，測量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動控制和自動數(shù)據(jù)采集、體積測量精度高，所得三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層有序，重構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)自動測量。該技術(shù)的理論將能延伸到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、快速原型及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，解決目前反求工程和快速原型技術(shù)瓶頸問題，具有十分重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0012]圖1為實(shí)施例中被測物體的網(wǎng)格細(xì)分分層示意圖；
圖2為實(shí)施例中被測物體最小包容體網(wǎng)格細(xì)分示意圖；
圖3為精密測量控制系統(tǒng)的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例:
由網(wǎng)格分層體積測量構(gòu)造有序點(diǎn)云重構(gòu)三維物體的測量方法是:
在空間坐標(biāo)系中，把被測物體按測量精度要求用網(wǎng)格細(xì)分為由很多分層有序的微小網(wǎng)格體組成的網(wǎng)格體(如圖1)，通常取每一個網(wǎng)格為邊長相等的正方體網(wǎng)格，則每個微小網(wǎng)格體的體積相等。把每片層上的微小網(wǎng)格體按空間坐標(biāo)有序離散化，則每片層可看成是由一組有序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成。在物體三維空間單元表示法中，每個點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視為一個空間單元體(稱為網(wǎng)格體)，可以根據(jù)物體所占據(jù)的網(wǎng)格位置來定義物體的形狀和大小。其相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為三維數(shù)組，每一數(shù)組元素對應(yīng)一空間位置。若此位置為單元體所占據(jù)，則相應(yīng)數(shù)組元素賦值為1，其體積視為單元體積1，稱為實(shí)網(wǎng)格體，反之虛網(wǎng)格體以O(shè)表示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)大小取決于所選取的空間分辨率。常取網(wǎng)格體為正方體，控制網(wǎng)格上每一位置單元是否為空，形狀可以用唯一的所占單元列表方式表示出來?；诳臻g網(wǎng)格體表示法研宄物體，構(gòu)建計(jì)算數(shù)學(xué)模型，采用基于二進(jìn)制像素的三維重構(gòu)方法，可取實(shí)網(wǎng)格體的體積為1，虛網(wǎng)格體的體積為0，即所有值只能在(0，I) 2個可能的值選取，以此來表達(dá)空間圖像單元體有無。如圖2所示，在空間坐標(biāo)系中，對包容正方體進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，正方體為被測物體最小包容體，微小網(wǎng)格體邊長的大小可由測量精度確定，精度越高則微小網(wǎng)格體邊長越小，被測物體按測量要求安裝在最小包容體中，最小包容體中每一個微小網(wǎng)格體坐標(biāo)位置固定，以微小網(wǎng)格體中心為其坐標(biāo)點(diǎn)位置，因此相對本坐標(biāo)系其在整個測量過程中保持不變，如圖1所示靠近坐標(biāo)原點(diǎn)的網(wǎng)格體坐標(biāo)為(1，1，1)，記為V (1，1，1)，其為實(shí)網(wǎng)格體，則V (1,1,1)=1若最小包容體的最大邊長為η (η為自然數(shù))，則在最小包容體中距離坐標(biāo)原點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)表示為V (n，n，n)。在最小包容正方體中，可對被測物體在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向以及三個相互垂直平面的6個對角線方向進(jìn)行測量，依次把被測物體沿某一方向逐層浸入液體中并通過測溢出的液體的重量來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格片層體積測量。因此，建立最小空間包容體空間坐標(biāo)系，并把最小包容體在空間坐標(biāo)系中按精度及網(wǎng)格分層要求劃