【摘要】：在復(fù)雜產(chǎn)品的大批量制造及重要零部件(如汽輪機(jī)葉片)的檢測過程中,經(jīng)常需要對零件形狀進(jìn)行快速測量與及時(shí)評價(jià),并采取相應(yīng)對策,以減少廢品的產(chǎn)生或生產(chǎn)事故的發(fā)生幾率。接觸式和非接觸式測量是形狀測量的兩個(gè)主要方法。接觸式探頭(接觸式)測量具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),其不足是速度慢、效率低�；诩す獾�3D傳感設(shè)備(非接觸式)雖然具有速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn),但是易受到光亮面的鏡面反射等因素影響,導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)殘缺和不完整。由此可知,兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)存在一種互補(bǔ)關(guān)系,即接觸式傳感器的缺點(diǎn)可以用非接觸式傳感器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,反之亦反。通過集成兩種方法優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀特征的高速測量的測量系統(tǒng),已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問題之一。本文重點(diǎn)對多傳感器測量中的傳感器測量標(biāo)定、多傳感器測量數(shù)據(jù)的融合、多傳感器的精確對齊等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究,并通過構(gòu)建實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件測量的多傳感器測量系統(tǒng),驗(yàn)證本文的研究結(jié)論。具體研究工作如下: 提出了基于正弦函數(shù)精密標(biāo)塊的多傳感器標(biāo)定方法。該方法在研究多種典型傳感器測量工作原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合測量系統(tǒng)中移動及轉(zhuǎn)動工作臺的特點(diǎn);基于標(biāo)定形狀變化愈豐富標(biāo)定愈準(zhǔn)確的思想,以含有兩個(gè)方向變化、多個(gè)波峰波谷的正弦函數(shù)精密制造型面作為標(biāo)塊,對常用的接觸式測量探頭、點(diǎn)激光、線激光等傳感器進(jìn)行測量標(biāo)定,使標(biāo)定的三維測量數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)測量型面的形狀。經(jīng)實(shí)際平面測量驗(yàn)證,測量誤差可以控制在各自傳感器的測量誤差之內(nèi)。 提出了基于卡爾曼濾波的多傳感器測量數(shù)據(jù)隱含曲面數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義上的融合估計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)多傳感器測量數(shù)據(jù)的融合,將卡爾曼濾波應(yīng)用于測量數(shù)據(jù)曲面的估計(jì),不僅綜合考慮不同傳感器尤其不同種類傳感器測量不確定性統(tǒng)計(jì)特征,而且融合了對工件外形的初始先驗(yàn)估計(jì),實(shí)現(xiàn)了多傳感器測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定估計(jì)。 基于卡爾曼濾波的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法,推導(dǎo)了各向同性多傳感器測量數(shù)據(jù)基于卡爾曼濾波的增量和批處理形式,并給出了增量和批處理融合形式等價(jià)條件,使用戶可根據(jù)不同測量條件下優(yōu)化選擇測量數(shù)據(jù)融合形式,實(shí)現(xiàn)接觸式傳感器單點(diǎn)測量數(shù)據(jù)以及非接觸式大批測量數(shù)據(jù)條件下的高效融合。 同時(shí),針對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不確定性存在各向異性特征,本文在上述基于卡爾曼濾波的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了各向異性多傳感器測量數(shù)據(jù)基于卡爾曼濾波的融合公式,使其支持更一般條件下的多傳感器測量數(shù)據(jù)隱含曲面的估計(jì)。 為了建立工件外形多傳感器測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述,本文提出多傳感器測量數(shù)據(jù)基于迭代融合的ICP對齊方法。此方法充分利用了基于卡爾曼濾波方法的多傳感器測量曲面的高效穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)估計(jì)特性,通過ICP對齊方法,提高了不同傳感器測量數(shù)據(jù)之間點(diǎn)與點(diǎn)之間映射的準(zhǔn)確性,從而實(shí)現(xiàn)了多傳感器測量數(shù)據(jù)到統(tǒng)一公共坐標(biāo)系下的精確對齊。為了在對齊過程中實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)對齊,推導(dǎo)了基于卡爾曼濾波的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法的數(shù)據(jù)收回公式,保證了該迭代融合對齊過程的收斂性。 為了使包含多個(gè)傳感器、工作臺的多傳感器測量系統(tǒng)得到靈活控制,提出了基于高腳本文件的可編程柔性測量控制方法。此方法實(shí)現(xiàn)了接觸式測量、點(diǎn)激光、線激光及面激光的測量過控制及三個(gè)方向的移動工作和旋轉(zhuǎn)控制臺的運(yùn)動過程控制。 基于上述理論方法,構(gòu)建了多個(gè)傳感器(包括接觸式測量、點(diǎn)激光、線激光及面激光等)以及多個(gè)工作臺(移動工作臺(X、Y、Z方向)、轉(zhuǎn)動工作臺等)的測量系統(tǒng),以及支撐多傳感器測量標(biāo)定、對齊、可視化及曲面統(tǒng)計(jì)估計(jì)原型軟件系統(tǒng),并通過實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。
【圖文】：

圖 1.1 兩個(gè) CCD 的測量系統(tǒng) 圖 1.2 一個(gè) CCD 和 CMM 的測Chan, V.H.等[91]于 2001 年使用 CCD 相機(jī)從左右、上下方位測量三維1.2 所示)，此系統(tǒng)不需建立零件的初始三維模型，，用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法圖像，實(shí)現(xiàn)被測件的位置定位；并規(guī)劃 CMM 接觸探針測量路徑指導(dǎo) CM針測得高精度的三維點(diǎn)坐標(biāo)；然后重構(gòu) CAD/CAM 模型。此方法利用 CM個(gè)精確的反饋式的測量平臺，實(shí)現(xiàn)安裝于此平臺的 CCD 相機(jī)測得物體三維1998 年，高立志[92]對基于計(jì)算機(jī)視覺和 CMM 系統(tǒng)的自由曲面反求建行了研究，此方法首先應(yīng)用三維視覺系統(tǒng)測得大量散亂點(diǎn)，接著采用距離用三次 B-Spline 逼近兩步算法對測得的散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，再規(guī)劃 CMM實(shí)現(xiàn)自動測量，每次的 CMM 測量就可以獲得一批精確的三維數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)給 CAD 系統(tǒng)進(jìn)行模型修正，直到得到滿足給定誤差的精確 CAD 模型1999 年，西交大的方勇[93]應(yīng)用立體視差和圖像處理方法獲取兩個(gè)匹配空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并以此匹配的空間點(diǎn)作為控制點(diǎn)，構(gòu)建三次 B-Spline擬合成相應(yīng)曲面；然后初步反求 CAD 模型。對于視覺系統(tǒng)測量達(dá)不到規(guī)定

9圖 1.1 兩個(gè) CCD 的測量系統(tǒng) 圖 1.2 一個(gè) CCD 和 CMM 的測量系統(tǒng)Chan, V.H.等[91]于 2001 年使用 CCD 相機(jī)從左右、上下方位測量三維物體(如圖1.2 所示)，此系統(tǒng)不需建立零件的初始三維模型，用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法分割 CCD圖像，實(shí)現(xiàn)被測件的位置定位；并規(guī)劃 CMM 接觸探針測量路徑指導(dǎo) CMM 接觸探針測得高精度的三維點(diǎn)坐標(biāo)；然后重構(gòu) CAD/CAM 模型。此方法利用 CMM 構(gòu)建一個(gè)精確的反饋式的測量平臺，實(shí)現(xiàn)安裝于此平臺的 CCD 相機(jī)測得物體三維圖像。1998 年，高立志[92]對基于計(jì)算機(jī)視覺和 CMM 系統(tǒng)的自由曲面反求建模方面進(jìn)行了研究，此方法首先應(yīng)用三維視覺系統(tǒng)測得大量散亂點(diǎn)，接著采用距離加權(quán)插值，用三次 B-Spline 逼近兩步算法對測得的散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，再規(guī)劃 CMM 測量路徑實(shí)現(xiàn)自動測量，每次的 CMM 測量就可以獲得一批精確的三維數(shù)據(jù)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TH166;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2592103