层析三维数字化测量原理及层析图像边缘精度分析与标定

　　随着国际上80年代后期关于激光快速成型技术概念的提出,其孪生技术逆工程[1]也随之迅速发展.目前普遍采用的逆工程技术有激光扫描三角测量技术、光栅投影法、莫尔条纹技术、三坐标测量机、 CT和MRI等.以上各方法均有一定的应用背景,但同时又存在不足,或者不能测量物体的内腔,或者精度不够.西安交通大学激光与红外应用研究所于 1997年初研制开发的层析三维数字化仪,其原理在本质上不同于以上方法,它是用高速工业铣刀,通过数控系统的控制,逐层铣出并扫描测量被测物体的横截面,通过图像处理的手段同时得出被测物体内外腔的二维精确数据,而后再通过三维CAD重建被测物体模型,从而可以直接进行激光快速成型制造或数控加工,也可进行二次再设计及技术图纸存档.现代工业一般用伽玛射线CT机进行层析测量,其优点是无损测量,但该方式的测量精度低,设备成本高,远远不能满足实际工程的要求.层析三维数字化仪测量技术有效地解决了这个问题.本文将在介绍层析三维数字化测量原理的基础上,重点分析层析加工的手段及设备、层析截面图像的获取、零件预处理技术及工艺、层析图像的物体边缘轮廓的获取和三维CAD重构等对测量精度的影响.

　　1　层析三维数字化仪测量的原理

　　层析三维数字化仪的基本原理是用数控系统控制铣床或磨床,按一定的厚度铣或磨去被测零件的一层端面,用光电转换装置采集其二维图像,经过图像处理技术获取二维轮廓的边缘数据,再重构其三维CAD模型.为保证铣削加工的精度,采用高精度铣床,并通过在其上配备精密光栅尺来保证每层的加工厚度.层析图像的获取装置采用高精度的台式扫描仪[2],最高可达9 600像素数每英寸(DPI),整个系统的控制采用一套西门子数控系统和一台高性能的工控机相互协调来自动完成整个测量过程,测量装置如图1所示.通过数控系统的控制,高速工业用铣刀的进刀范围为0·01~0·5 mm,具体视测量精度而定,其定位精度通过一个光栅尺来确定,光栅尺的分辨力为1μm.铣削出每一层截面后,须借助图形、图像成像系统获取层析图像.层析三维数字化仪系统的工作流程图见图2,由零件预处理、切层加工控制和二维图像处理、三维CAD模型重构3大部分组成.

　　零件预处理部分包括零件轮廓大致描述、零件表面预处理、零件填充和安装待测4个部分:(1)零件轮廓大致描述主要用来控制层析三维数字化仪的切层厚度,对于一些精度要求不高的零件则可以省略这一步;(2)零件表面预处理用于去除零件表面的油漆、氧化物及其他杂物,以便使零件与填充材料更好地结合;(3)零件填充的主要作用是:消除或减小零件在加工中的切削变形,增强零件与背景的光学对比度以及便于零件装夹,这是层析三维数字化仪中较为关键的一步;(4)安装待测.由于待测零件的多样性,为了方便装夹,在第3步中用填充材料把零件固定在专用夹具上并装在工作台上,调整好切削位置,等待下一步操作.