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非接触光学三坐标测量机的研究

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 三坐标测量机的应用及研究意义

1.2 三坐标测量机的研究现状

1.2.1 接触式三维测量技术

1.2.2 光点探头三维测量技术

1.2.3 相位轮廓三维测量技术

1.3 本文研究内容及意义

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标及意义

1.4 本文论述结构

1.5 本章小结

第二章 三坐标测量机的测量原理

2.1 三维测量原理

2.1.1 激光三角测量原理

2.1.2 直射式测量法的测量原理

2.1.3 斜射式测量法的测量原理

2.1.4 直射式测量法和斜射式测量法的对比

2.1.5 Scheimpflug验证条件

2.2 本章小结

第三章 三坐标测量机的硬件系统构成

3.1 线结构光源

3.2 三维相机模块

3.2.1 三维相机结构介绍

3.2.2 三维相机工作原理

3.2.3 三维相机的标定

3.2.4 中心条纹识别

3.2.5 三维数据获取

3.3 电机运动控制平台

3.4 三坐标测量机测量模型

3.5 本章小结

第四章 三维图像的自适应滤波及多视场拼接算法

4.1 三维图像的自适应滤波算法

4.1.1 噪声搜索

4.1.2 自适应滤波

4.2 三维图像的多视场拼接算法

4.2.1 自相关匹配

4.2.2 三维图像拼接

4.3 本章小结

第五章 实验数据及分析

5.1 系统测量精度分析

5.2 测量结果分析及性能指标对比

5.2.1 三维纹理皮革测量

5.2.2 航空叶片轮廓测量

5.3 本章小结

总结和展望

参考文献

攻读学位期间获得的成果

声明

致谢

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摘要

随着现代测量技术的迅速发展,光学式三坐标测量机逐渐成为现代测量领域的研究重点。在我国的工业生产中,三坐标测量机被广泛应用于各行业,特别在立体印刷、航空叶片测量、古文物修复、医学三维打印等方面,三坐标测量机的应用具有十分重要的意义。传统的三坐标测量机大部分采用接触式点扫描的方法进行三维测量,其测量速度慢,数据采集密度低,不利于工业化应用。现阶段,基于图像处理、应用光学以及机器视觉等高新技术的融合发展,三维测量技术逐渐完善,人们可以更快速、更准确地获取客观物体的三维轮廓信息。因此,本课题的开展具有十分重要的理论意义和应用价值。
  本论文介绍了国内外常用三维测量技术的研究现状,针对三维轮廓测量技术存在三维测量速度慢、数据采集密度低、测量精度低等问题,本课题提出一种采用线激光的非接触式三坐标测量机,加快三维测量速度,提高数据采集密度,改善工作效率,有利于工业化应用。
  本课题提出的三坐标测量机基于激光三角法测量原理,根据直射式测量方法的特点,完成光路系统的设计和硬件系统的搭建。其中,本三坐标测量机的硬件系统主要包括光学三维测量模块和二轴运动平台控制模块。光学三维测量模块中主要包含线激光器和三维相机;二轴运动平台控制模块主要包含计算机、运动控制器和二轴直线电机。在后期三维数据处理中,本课题提出了一种自适应滤波及多视场三维图像拼接方法,通过利用动态搜索窗口,自动选择最佳的滤波窗口对噪声进行滤波,并根据三维图像的互相关匹配特性,对三维图像进行拼接处理。最后,对多种样品进行三维测量,详细分析测量结果和性能指标,测量样品包括:(1)两种不同半径尺寸的基准滚珠;(2)三维自然纹理的皮革材料;(3)航空动力叶片的后缘轮廓。
  根据测量结果分析可得,本三坐标测量机测量速度快、数据采集密度大、三维测量精度高,适用于高精度测量表面曲率变化大、曲面形态复杂的物体。综合上述结论,本课题提出的三坐标测量机达到高速、高精度、高分辨率的技术要求,对于复杂曲面的高精度三维测量起着重要作用,在三维测量领域具有广阔的应用前景。

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