[发明专利]一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及三维测量技术，具体是一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置。

背景技术

在物体内外部轮廓三维测量技术方面，目前有核磁共振成象和CT 扫描方法能够测量物体的内部轮廓，但这两种方法的成本很高，对可测零件的尺寸和材料都有限制，测量精度低。另一种能够对物体内部轮廓测量的方法是美国的自动断层扫描技术，该方法虽然测量精度高。但它测量时要破坏被测零件，成本高，测量时间长，应用也受到了限制。另外，一种基于浮力的三维实体非接触测量与重构方法，能测量内部轮廓是通孔的物体，但该方法要求被测物体密度均匀，难以满足工程实际需要。还有一种基于虚拟切片原理的复杂实体三维数字化无损测量方法。该方法以物体重力在平衡系统中力与力矩的变化关系为测量基础原理，通过测量片层二维重心和重量特征，结合空间三个正交轴向空间虚拟切片原理，测得到被测实体三维尺寸特征信息。该方法由于采用的虚拟切片原理，测量在平衡系统中进行，不破坏被测物体，但该方法也要求被测物体密度均匀，对密度不均匀的物体无法测量。因此，在含有内部轮廓的三维物体无损测量方面，以上方法只能测量密度均匀的物体，不能测量含有复杂内部轮廓的密度不均匀的物体，难以满足实际生产需要。 

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提出了一种基于网格片层体积测量的复杂物体三维无损测量与重构的新方法及装置。本测量方法不破坏被测物体，可测所有不溶于水且无封闭孔的复杂形状材料，测量方便，成本低，所得三维坐标点云数据分层有序，重构简单，可实现自动测量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种复杂轮廓物体三维无损测量方法，包括如下步骤：

（1）建立一个复杂轮廓物体三维无损测量装置，该装置包括精密测量控制机构和图形重构系统，精密测量控制机构封装在腔体中；

（2）在安装夹具系统的空间坐标系中将被测物体分层细化成由多个有序的微小网格正方体组成的网格体，按空间坐标有序离散化，整个测量过程中每个微小网格正方体的中心坐标位置相对于安装夹具系统空间坐标系的位置固定不变。将网格体置于精密测量控制机构中，将带溢出孔且填充有一定量液体的容量置于被测物体的正下方，使被测物体在精密测量控制机构的作用下，按一定的方向和一定的下降距离浸入容器液体中。液体的溢出受到液体润湿效应、液面稳定性和表面张力等因素影响，通过对液体的影响因素误差分析、修正补偿和实验验证，得到满足测量要求所需的液体。通过测出每次溢出液体的重量，再根据溢出液体的体积v等于质量m除以密度ρ以精确求解每层的体积，每层的体积又等于本层所有微小网格正方体的单元体积之和。通过不同方向分层多次测量来构建数学模型，应用遗传算法智能运算求解出网格体的上每一位置单元体是否为空，以得到该微小网格正方单元体的三维坐标尺寸，从而得到被测物体所有构成点的三维空间坐标；

（3）精密测量控制机构所测得的重力信号通过数据采集接口与图形重构系统连接，并形成数据文件，进行求解运算、误差数据处理和重构计算，采用基于二进制像素的三维重构方法在图形处理系统中对物体的小网格体进行精确重构三维图形。

所述数学模型的构建及三维重构方法是：任设被测物体被边长为n的最小空间包容体包容装夹其中，网格体的边长取1（假设被测物体最大长度为L,测量精度为△L，则n=L/△L,在测量规划时可适当调整△L使n为整数）, 则最小包容体共有n³个微小网格体。沿Z轴方向向下逐层浸入液体中，即每次移动1，记网格体V（n,n,n）的体积为V_（n,n,n），Z轴方向上第n层的体积记为V_Zn，则可建立每一片层的体积计算数学模型。沿Z轴方向上第1层体积计算公式为：

V_（1,1,1）+ V_（2,1,1）+···+ V_（n,1,1）+ V_（1,2,1）+···+ V_（n,n,1）= V_Z1

沿Z轴方向上第2层体积计算公式为：

V_（1,1,2）+ V_（2,1,2）+···+ V_（n,1,2）+ V_（1,2,2）+···+ V_（n,n,2）= V_Z2

以此类推，沿Z轴方向上第n层体积计算公式为：