基于自動激光掃描技術(shù)的三維幾何在線測量系統(tǒng)研究.pdf

1、在先進(jìn)工業(yè)制造領(lǐng)域（例如航空航天、船舶、高鐵、汽車等）中等或大尺寸目標(biāo)的三維幾何測量必須具備簡單并快速完成的特點。至今，基于不斷革新的測量技術(shù)（例如光學(xué)、機械、電磁方面等），新的測量方法和系統(tǒng)設(shè)計理念不斷地被研究與創(chuàng)新以實現(xiàn)上述要求。盡管如此，大多數(shù)測量系統(tǒng)不得不面對測量場景條件、操作人員的技術(shù)經(jīng)驗、測量時間和空間、測量精度、可攜帶性等約束問題。而解決或優(yōu)化這些問題關(guān)鍵在于設(shè)計出具有快速測量、高自動化、高精度、測量范圍可擴(kuò)展和抗環(huán)境干擾

2、的測量系統(tǒng)?；谏鲜鲈O(shè)計理念，本論文針對中等或大尺寸規(guī)則工件，提出基于集成分布式移動激光掃描技術(shù)的大空間動態(tài)坐標(biāo)測量方法，從而實現(xiàn)工件多個大尺寸關(guān)鍵特征表面輪廓的自動快速同步采樣，對分布在不同空間位置的大尺寸特征間幾何關(guān)系的動態(tài)描述。整個系統(tǒng)設(shè)計融入了虛擬基準(zhǔn)的思想，使得系統(tǒng)測量具有柔性，測量范圍更易擴(kuò)展延拓，更適應(yīng)于集成多個規(guī)則特征的大尺寸工件在線測量。
　　本論文所取得的創(chuàng)新性成果主要體現(xiàn)在：
　　（1）將大空間動態(tài)坐標(biāo)

3、測量方法與大尺寸虛擬測量環(huán)境相結(jié)合，建立既保持基準(zhǔn)特征又能夠體現(xiàn)激光掃描路徑軌跡變化的虛擬測量基準(zhǔn)面，從而使得系統(tǒng)測量范圍具有主動并柔性擴(kuò)展的能力。同時，大尺寸虛擬測量基準(zhǔn)面的建立實現(xiàn)了在大空間內(nèi)不同關(guān)鍵特征點間動態(tài)幾何關(guān)系的實時表達(dá)、不同大尺寸特征間三維幾何關(guān)系的精確描述。
　?。?）針對大尺寸規(guī)則特征，建立具有一般線性特點的激光掃描路徑自動規(guī)劃的模型。該模型以虛擬測量基準(zhǔn)面為參考，將相鄰路徑關(guān)鍵點的幾何關(guān)系以立體空間分解方法正

4、交分解，并計算出其相對于基準(zhǔn)面的偏移量，以此估計出下一處激光掃描儀的空間位置，從而逐步自動生成體現(xiàn)被測特征幾何變化的路徑軌跡。在標(biāo)識的激光掃描視角前提下，該路徑規(guī)劃模型實現(xiàn)了大尺寸關(guān)鍵區(qū)域輪廓的快速采樣，并使得激光掃描儀相對于被測區(qū)域的空間位置接近最佳距離，從而保證了獲取點云的質(zhì)量。最后，該模型以整體優(yōu)化掃描策略完成了局部缺失區(qū)域的填補。
　?。?）在三維幾何特征檢測的初期，建立描述總檢測成本與采樣樣本量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，以輔助

5、完成測量策略規(guī)劃。該數(shù)學(xué)模型是在采樣模型確立之后，通過分析總檢測成本與采樣樣本量的理論關(guān)系，來優(yōu)化并確定對被測特征檢測的最佳采樣樣本量，從而權(quán)衡出測量成本與檢測誤差成本之間的臨界區(qū)域，近似實現(xiàn)對被測特征的最低成本檢測。
　　（4）通過設(shè)計加工的工件制品，建立評價激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)對獲取的點云質(zhì)量影響的實驗?zāi)Ｐ?。該實驗?zāi)Ｐ头謩e測試了激光掃描系統(tǒng)相對于被測區(qū)域的掃描深度、掃描視角、移動速度、掃描路徑以及自身溫度對工件交叉邊緣的拐點

6、、角點等關(guān)鍵特征定位精度的影響。
　　本論文將分布式移動激光掃描技術(shù)分別集成到大尺寸規(guī)則工件動態(tài)長度快速測量系統(tǒng)、大尺寸工件多規(guī)則特征目標(biāo)三維幾何測量系統(tǒng)中，開發(fā)并部署相應(yīng)的輔助測量軟件，構(gòu)建了大尺寸三維虛擬測量場，實現(xiàn)了工件多特征的同步分散測量和集中處理的策略，測量信息與設(shè)計信息能夠自由流動并具有互操作性。在工業(yè)制造現(xiàn)場，以不同類型典型的中等和大尺寸工件對測量系統(tǒng)進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量節(jié)拍、測量精度和測量可靠性均滿足