畢業(yè)論文（科學研究報告）：輕便式掃描儀結構設計及模擬加工

畢 業(yè) 論 文（科學研究報告）

題 目 輕便式掃描儀結構設計及模擬加工
院(系)別 機電及自動化學院
專 業(yè) 機械工程及自動化
級 別 2008

摘 要
個性化鞋楦設計已是社會發(fā)展的必然要求，因此足部三維激光掃描儀的研制有著重要的研究意義和價值。本研究基于激光掃描的三維測量原理，結合現(xiàn)有三維掃描儀及課題要求，制定了一套較為詳細的方案，設計了硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機械系統(tǒng)來實現(xiàn)快速掃描。以三個CCD攝像機搭配四個激光筆配合步進電機，驅(qū)動絲桿，用線性滑軌使平臺前后移動，快速進行足部掃描，實現(xiàn)三個CCD同步取像。
本研究實現(xiàn)了以單片機為核心的控制系統(tǒng)設計，包括步進電機、滑軌絲桿、CCD、激光器、電源等。完成了硬件系統(tǒng)的機械結構設計，包括光機盒子、光機底板、量測物支撐板、移動平臺、激光筆固定座、CCD固定座等。
由于市場上已有相對成熟的三維掃描儀，本研究突出如何減輕重量，減小體積以及方便攜帶等特色。在選材上采用質(zhì)量較輕的鋁材，簡化機械結構，使用三個CCD攝像機，縮短光程使整個光機結構體積縮小，與市場上的足部掃描儀比較，本系統(tǒng)重量減輕了大約30kg。對提高我國個性化足部掃描儀的設計起到了一定的促進作用。


關鍵詞：足部掃描儀，激光掃描，鞋楦，輕便式

ABSTRACT
Personalized shoe last design is an inevitable requirement for social development, foot three-dimensional laser scanner developed important research significance and value. This study is based
……（新文秘網(wǎng)http://jey722.cn省略1209字，正式會員可完整閱讀）……　
this system reduce the weight of about 30kg. Played a certain role in improving the design of personalized foot scanner.


Keywords：foot scanner，laser scanning，shoe last，lightweight portable

目 錄
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究的動機 1
1.3 國內(nèi)外研究動態(tài) 2
第二章 三維量測原理 5
2.1 三維足部測量方法 5
2.1.1結構光測距 5
2.1.2立體視覺測距 6
2.1.3激光測距 6
2.1.4方案比較 7
2.2 三維測量原理與方法 7
第三章 傳動系統(tǒng)的選擇和計算 9
3.1 絲桿的選擇與計算 9
3.2 步進電機的選擇與計算 10
第四章 量測系統(tǒng)設計 11
4.1 硬件系統(tǒng) 11
4.2 控制系統(tǒng) 11
4.3 機械結構系統(tǒng) 13
4.3.1結構設計原則 18
第五章 機械結構設計 19
5.1 光程設計 19
5.2 激光筆固定機構設計 19
5.2.1激光筆套 20
5.2.2激光筆固定套 20
5.2.3激光筆固定底座 21
5.3 光機盒子的設計 21
5.3.1光機盒子寬度的決定 21
5.3.2光機盒子長度的決定 22
5.3.3光機盒子高度的決定 22
5.3.4下激光筆位置的決定 22
5.3.5光機盒子整體結構 23
5.4 移動平臺的設計 23
5.5 CCD攝像頭固定座設計 25
5.6 量測物支撐板的設計 26
5.7 光機底板的設計 28
5.8 外殼底板及外殼的設計 28
第六章 結束語 30
致 謝 31
參 考 文 獻 32


第一章 緒論
1.1 前言
隨著社會現(xiàn)代化程度和物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對自己所穿的鞋子的舒適性和個性化的需求日益增強，尤其是從事特定職業(yè)的人員（如運動員、舞蹈演員、軍人等）對個性化鞋子的需求更加迫切。以往人們在選購鞋子時，往往是迫使自己的雙腳去適應已經(jīng)成型的鞋子，很難根據(jù)自己雙腳的實際情況選購到非常合腳的鞋子（除非到鞋廠定制，但是這樣的價格是非常昂貴的，一般的人根本無法承受）。由于世界上不存在兩個人的腳形完全相同的情況，即使對于穿同一鞋號的兩個人來說，由于他們（或她們的腳的長短不同、胖瘦不同、足弓高度不同，甚至走路的姿勢都不同等，因此，傳統(tǒng)的基于標準鞋楦生產(chǎn)的鞋子在很大程度上無法滿足客戶對鞋子個性化和人性化需求。 鞋楦造型個性化設計方法就是針對這種需求而提出的。個性化皮鞋CAD軟件系統(tǒng)中最核心的問題是，如何根據(jù)特定的人腳設計和制造出符合個性化要求的鞋楦。 因為在制鞋行業(yè)中，人們將鞋楦稱為皮鞋的“靈魂”，由此可知鞋楦在皮鞋設計和制造過程中的地位和作用。只有在鞋楦滿足個性化需求的前提下，才有可能設計和生產(chǎn)出對某個人而言是最合腳、最舒適的皮鞋。而如何快速建立3D_曲面模型，就成鞋楦設計制作及鞋底模具制作的重要課題之一。
因為三維激光掃描儀能夠直接獲取景物的深度信息，方便快捷，同時，基于激光掃描技術的三維建模能夠有效恢復出具有準確幾何信息和照片真實感的三維模型，符合高精度的要求。因此，近年來基于激光掃描技術的三維建模技術成為了研究熱點。
1.2 研究的動機
隨著3D數(shù)字化掃描技術的逐漸發(fā)展成熟，3D模型使用快速成長與模具制作對時間、造型與精度要求的日益嚴格，傳統(tǒng)鞋業(yè)之生產(chǎn)技術已無法因應現(xiàn)今鞋業(yè)市場之大量供應需求，論是個人或是國內(nèi)外各大名牌公司都希望依照個人所需來開發(fā)創(chuàng)造理想的鞋楦，若是單純利用人工手動量測，除了所獲得之數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準確度不高，相對的所花費的時間也必定增加許多，有依靠機器來 輔助量測才能提高鞋楦尺寸之正確性以及完整性，并且有效節(jié)省人力 資源，降低生產(chǎn)制造所需時數(shù)。
也由于近年來逆向工程(Reverse engineering)[1]處理技術逐漸成熟，因此透過逆向工程之運用，可使得鞋品的開發(fā)時程縮短，并且增加制鞋精度,因此各類模具廠皆積極導入逆向工程之技術。然而傳統(tǒng)的逆向工程作法不僅所需花費較多的時間,亦無法針對真實人體足步進行掃描，唯有開發(fā)一套光學快速掃描技術及量測設備，可配合鞋楦設計尺寸時擷取必要的量測項目，提高鞋楦尺寸之正確性以及完整性，有效節(jié)省人力資源，降低生產(chǎn)制造所需時數(shù)，更可對實際足部進行掃描，量身打造個人化產(chǎn)品，制作出更為舒適及合腳的鞋子。
目前對于幫助制鞋業(yè)者提升制鞋技術所需要的三次元量測設備需求，主要是使用光學快速掃描技術開發(fā)研制相關量測設備，針對鞋楦或?qū)嶋H足部進行掃描，將掃描得到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，利用自行研發(fā)的軟件轉(zhuǎn)化成 CAD/CAM可以使用的格式。目前國外公司已有此類的掃描設備，本地現(xiàn)有的均為國外進口，目前仍以醫(yī)工應用為主，如提供肢障病患以及需要設計特殊鞋子的用戶，糖尿病足的病患，但此類設備購置價格均在新臺幣數(shù)佰萬元以上，計算機設備皆為專用，若設備發(fā)生異常狀況，則須請工程人員千里迢迢從國外到本地進行維護，而無法因應未來市場的需求，因此本系統(tǒng)之開發(fā)可有效地輔助相關產(chǎn)業(yè)之生產(chǎn)以及研究。
本研究所使用的量測技術是以常見的線激光束掃描量測[2]為基礎，以三組攝影機搭配四組激光束，配合線性馬達高速掃描設計，結合以對映函數(shù)法[3]為基礎的三維輪廓影像視覺掃描量測技術；在要求精度下，達到高速量測及低成本與攜帶方便等目標。目前坊間現(xiàn)有的足部掃描系統(tǒng)中，所面臨到的是機構本身的體積過大以及重量過重的問題，由于此系統(tǒng)所要量測的是人體的足部，因此在機構設計上，必須能有效的支撐人體部分的重量，因此大多數(shù)國外所開發(fā)的系統(tǒng)，重量超過一百公斤，體積也過于龐大，導致攜帶不便搬運困難而只能于定點使用,除此之外，產(chǎn)品的售價也因而相對的提高。基于上述等理由，本研究開發(fā)一套改良式的足部掃描系統(tǒng)，已經(jīng)過多次的實驗以及計算，推論出系統(tǒng)內(nèi)部CCD架設方式、數(shù)量及雷射線投射位置及數(shù)量，研發(fā)出待測物體三維坐標擷取新的架構設計與系統(tǒng) ……（未完，全文共18875字，當前僅顯示3395字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文（科學研究報告）：輕便式掃描儀結構設計及模擬加工》）