CN104536384A - 一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法。其包括：可编程数控模块、精密加工模块和光电标定模块；可编程数控模块与所述精密加工模块相连接，可编程数控模块与光电标定模块相连接。本发明提供了一种标准分辨率实体三维地形曲面加工系统和方法，其中构建了一种具有光机电一体化结构的标准分辨率实体三维地形曲面加工系统，实现了对数字三维地形曲面的实体化和分辨率标定，从而得到可应用于实物或者半实物仿真系统的标准分辨率实体三维地形曲面模型。本发明具有良好的实用性，能有效地将数字三维地形模型制作为标准分辨率的实体三维地形曲面模型，为科学研究提供了实物基础。

Description

一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法
技术领域
本发明属于三维地形建模技术领域，特别是涉及一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法。
背景技术
三维数字地形建模，是以通过不同测量手段获取的地形数据为基础，通过计算机编程实现实际地形的三维可视化，在地质分析、道路设计、遥感测量等领域具有广泛应用。当前在涉及三维数字地形建模的科学研究中，主要围绕如何通过优化数据结构，采取不同的插值方法，采用整体建模或者分块建模等方式，得到更高精度的，甚至是分辨率可变的三维数字地形模型。但是，对实际地形的勘测和遥感测量工作成本较高，大部分的研究机构和个人难以完成需要实际地形参与的科学研究工作，也无法满足科学实验对于开展某些定制性试验的需求，如：利用分辨率(或精度)已知的实体三维地形曲面模型，通过建立遥感立体成像(或测量)半实物仿真试验系统，定量研究成像系统参数、轨道参数及姿态参数等因素对遥感立体成像(或测量)精度影响的数学模型。
但是，三维数字地形模型只是实际地形的三维可视化途径，以数字化数据的形式存储在计算机中，无法应用于需要实际地形模型参与的实物或者半实物仿真系统。同时，由于加工系统固有的加工误差，加工得到的实体三维地形模型的真实三维坐标数据是未知的。因此，寻找一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法，对于开展有实际三维地形模型参与的实物(或半实物)仿真实验，具有重要的科学意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法。
本发明的主要目的是提供一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，本发明的另一目的是提供一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工方法。
为了达到上述目的，本发明提供的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统包括：可编程数控模块、精密加工模块和光电标定模块；其中，所述可编程数控模块与所述精密加工模块相连接，并向其发送地形曲面加工刀具路径和加工起始信号，所述精密加工模块在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块发送加工完成信号；
所述可编程数控模块1与所述光电标定模块相连接，所述可编程数控模块在收到所述加工完成信号后，会向所述光电标定模块3发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块在标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述原始实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
所述可编程数控模块与所述精密加工模块之间以及可编程数控模块与光电标定模块之间的连接采用有线或无线方式连接。
所述可编程数控模块是基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板和网络通讯接口；所述嵌入式单板机用于数据的存储，并通过所述串口通信板实现信号的收发。
所述工业单板机为INTEL酷睿2处理器；所述串口通信板为RS232/485；所述模拟I/O板为MM-32；所述网络通讯接口为RJ45接口电路，支持PCI和PCI-E。
所述光电标定模块采用三坐标测量机作为高精度光电标定仪器。
本发明提供的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工方法，包括按顺序执行的下列步骤：
步骤101：可编程数控模块载入数字三维地形曲面模型后，根据该数字三维地形曲面模型生成地形曲面加工刀具路径，并将其与加工起始信号一同发送给精密加工模块；
步骤102：所述精密加工模块在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径，配备合适的加工刀具，加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块发送加工完成信号；
步骤103：所述可编程数控模块收到所述加工完成信号后，向光电标定模块发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块在所述标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
在步骤101中，所述数字三维地形曲面模型采用基于规则网格的数据结构，其是根据原始遥感测量数据自行构建的数字地形模型；或者采用基于不规则网格的数据结构，其选择已发布的数字地形模型；所述地形曲面加工刀具路径是根据所述数字三维地形曲面模型而设置的加工参数，包括加工类型、刀具型号和切削深度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供了一种标准分辨率实体三维地形曲面加工系统和方法，其中构建了一种具有光机电一体化结构的标准分辨率实体三维地形曲面加工系统，实现了对数字三维地形曲面的实体化和分辨率标定，从而得到可应用于实物或者半实物仿真系统的标准分辨率实体三维地形曲面模型。本发明具有良好的实用性，能有效地将数字三维地形模型制作为标准分辨率的实体三维地形曲面模型，为科学研究提供了实物基础。
附图说明
图1为本发明提供的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统结构图；
图2为本发明中标准分辨率实体三维地形曲面模型加工方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，所述标准分辨率实体三维地形曲面模型包括原始实体三维地形曲面模型和标准分辨率数字模型，其中：原始实体三维地形曲面模型为与真实地形地貌相对应的微缩实物模型，是在实际地形地貌的数字高程模型基础上，利用精密加工方法加工出的实物模型；标准分辨率数字模型为采用标准分辨率对实体三维地形曲面模型进行定标测量所获得的数字模型。
如图1所示，本发明提供的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统包括：可编程数控模块1、精密加工模块2和光电标定模块3；其中，所述可编程数控模块1与所述精密加工模块2相连接，并向其发送地形曲面加工刀具路径和加工起始信号，所述精密加工模块2在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块1发送加工完成信号。
通过这种方式，在可编程数控模块1的控制下，精密加工模块2启动加工工作，并加工出原始实体三维地形曲面模型，从而实现数字地形曲面模型的实体化和精密化加工；
所述原始实体三维地形曲面模型是根据存储在可编程数控模块1中的实际地形地貌的数字三维地形曲面模型(即：数字高程模型)基础上，利用精密加工方法通过精密加工模块2加工出的实物模型；通过改变可编程数控模块1生成的地形曲面加工刀具路径和精密加工模块2配备的加工刀具，可以控制加工出的原始实体三维地形曲面模型的加工精度。
所述可编程数控模块1与所述光电标定模块3相连接，所述可编程数控模块1在收到所述加工完成信号后，会向所述光电标定模块3发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块3在标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述原始实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
通过这种方式，在可编程数控模块1的控制下，光电标定模块3启动测量和定标工作，将原始实体三维地形曲面模型标定并最终形成标准分辨率数字模型。
所述可编程数控模块1与所述精密加工模块2之间以及可编程数控模块1与光电标定模块3之间的信号连接采用有线或无线方式连接，例如通过信号线连接或通过无线信号连接。
所述可编程数控模块1是基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构(其具有组态模块化、结构紧凑、接口可扩展性强等优点)，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板和网络通讯接口；所述嵌入式单板机用于数据的存储，并通过所述串口通信板实现信号的收发。
所述工业单板机为INTEL酷睿2处理器(2G内存)；所述串口通信板为RS232/485；所述模拟I/O板为MM-32；所述网络通讯接口为RJ45接口电路，支持PCI和PCI-E；具体实现时，也可以选择其他型号的器件，本发明实例对此不作限制。
所述可编程数控模块1具有“自动”和“手动”至少一种工作模式，其中，所述手动模式是通过人机交互实时地控制所述标准分辨率实体三维地形曲面模型的加工和标定；所述自动模式是将数字三维地形曲面模型载入所述可编程数控模块1中，并设定加工精度和标定间隔，所述可编程数控模块1自动控制所述标准分辨率实体三维地形曲面模型的加工和标定。
通过这种方式，可以灵活地选择“自动”和“手动”工作模式，根据实际需要控制所述标准分辨率实体三维地形曲面模型的加工和标定。
所述精密加工模块2是基于数字化程序控制的精密加工仪器(例如快速成型机和CNC机床)；该精密加工仪器的X/Y/Z轴运动定位精度为0.010mm/0.010mm/0.008mm，重复定位精度为0.008mm/0.008mm/0.005mm，工作行程为400mm/400mm/110mm，主轴转速为10000-24000rpm(F62)，卡头规格为ER11，工作电压为单相220V/50Hz，并能够选择“自动”和“手动”两种加工模式。具体实现时也可以选择其它规格的精密加工设备，本发明实例对此不作限制。
所述光电标定模块3是基于数字化程序控制的高精度光电标定仪器，该高精度光电标定仪器能够对所述原始实体三维地形曲面模型进行高精度标定，以获得所述标准分辨率数字模型。
所述光电标定模块3采用三坐标测量机作为高精度光电标定仪器，其1.2m测量范围内的精度指标参照国际标准化组织ISO10360-2标准：E(μm)＝5+L/40≤18，R(μm)＝8，工作电压：110-220V AC，50/60Hz，并能够选择“自动”和“手动”两种标定模式，其中E为该三坐标测量机的性能指标，L为测量长度，R为测量误差。具体实现时也可以选择其它规格的光电标定仪器，本发明实例对此不作限制。
如图2所示，本发明还提供了一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工方法，包括按顺序执行的下列步骤：
步骤101：可编程数控模块1载入数字三维地形曲面模型(例如加载已有的数字三维地形曲面模型数据)后，根据该数字三维地形曲面模型生成地形曲面加工刀具路径(例如编程生成地形曲面加工刀具路径)，并将其与加工起始信号(例如加工起始指令)一同发送给精密加工模块2；
步骤102：所述精密加工模块2在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径，配备合适的加工刀具，加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块1发送加工完成信号；
步骤103：所述可编程数控模块1收到所述加工完成信号后，向光电标定模块3发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块3在所述标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
在步骤101中，所述数字三维地形曲面模型采用基于规则网格的数据结构，其是根据原始遥感测量数据自行构建的数字地形模型；或者采用基于不规则网格的数据结构(例如基于不规则三角网的数据结构)，其选择已发布的数字地形模型，本发明实例对此不作限制；所述地形曲面加工刀具路径是根据所述数字三维地形曲面模型而设置的加工参数，包括加工类型(粗加工/精加工)、刀具型号和切削深度等(例如可以通过软件生成相应的加工刀具路径)；这里，实体三维地形曲面模型的加工精度主要取决于精密加工模块2的精度，同时还受到加工类型、刀具型号和刀具路径等参数的影响。
在步骤102中，所述加工刀具的装配可以选择“自动”和“手动”两种方式，实体三维地形曲面模型的加工精度主要取决于精密加工模块2的精度，同时还受到加工类型、刀具型号和刀具路径等参数的影响。
在步骤103中，该步骤的目的是在102步骤得到实体三维地形曲面模型的基础上，通过标定程序将其分辨率标准化，标定程序根据需要的分辨率来设定测量的间隔，测量间隔越小，标定后的分辨率越高，反之，标定后的分辨率越低，还可以根据使用需要设计多个不同测量间隔的标定程序，实现实体三维地形曲面模型的分辨率可控。
在步骤103中，所述光电标定模块3根据需要的分辨率来设定测量的间隔，测量间隔越小，标定后的分辨率越高，测量间隔越大，标定后的分辨率越低；其中，所述测量的间隔包括多个不同的测量间隔，其能够实现所述标准分辨率实体三维地形曲面模型的分辨率可控；例如，可编程数控模块1发送标定指令和标定程序给光电标定模块3，实现实体地形曲面模型的精度测量和分辨率标准化；所述光电标定模3块通过标定程序将其分辨率标准化，标定程序根据需要的分辨率来设定测量的间隔，测量间隔越小，标定后的分辨率越高，反之，标定后的分辨率越低，还可以根据使用需要设计多个不同测量间隔的标定程序，实现实体三维地形曲面模型的分辨率可控。
通过上述方法，在可编程数控模块1的控制下，精密加工模块2启动加工工作，并加工出原始实体三维地形曲面模型，从而实现数字地形曲面模型的实体化和精密化加工；通过改变可编程数控模块1生成的地形曲面加工刀具路径和精密加工模块2配备的加工刀具，可以控制加工出的原始实体三维地形曲面模型的加工精度；而且，在可编程数控模块1的控制下，光电标定模块3启动测量和定标工作，将原始实体三维地形曲面模型标定为最终的标准分辨率实体三维地形曲面模型。
通过上述方法，可以通过设定测量的间隔来控制原始实体三维地形曲面模型经光电标定模块3标定后的分辨率，从而获得实体三维地形曲面模型的分辨率可控的数字模型，以满足实际使用的需要。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例；任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。
本发明提供的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及其方法，克服了数字地形模型无法应用于实物(或半实物)仿真系统这一难题，通过将数字地形建模技术，精密制造加工技术和光电测量(标定)技术有机结合，构成一套完整的标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统及方法；从而可以获得实体三维地形曲面模型与该实体模型的标准分辨率数字模型的统一体，简称标准分辨率实体三维地形曲面模型。

Claims (7)

1.一种标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，其特征在于：所述加工系统包括：可编程数控模块(1)、精密加工模块(2)和光电标定模块(3)；其中，所述可编程数控模块(1)与所述精密加工模块(2)相连接，并向其发送地形曲面加工刀具路径和加工起始信号，所述精密加工模块(2)在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块(1)发送加工完成信号；
所述可编程数控模块(1)与所述光电标定模块(3)相连接，所述可编程数控模块(1)在收到所述加工完成信号后，会向所述光电标定模块(3)发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块(3)在标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述原始实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
2.根据权利要求1所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，其特征在于：所述可编程数控模块(1)与所述精密加工模块(2)之间以及可编程数控模块(1)与光电标定模块(3)之间的连接采用有线或无线方式连接。
3.根据权利要求1所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，其特征在于：所述可编程数控模块(1)是基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板和网络通讯接口；所述嵌入式单板机用于数据的存储，并通过所述串口通信板实现信号的收发。
4.根据权利要求3所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，其特征在于：所述工业单板机为INTEL酷睿2处理器；所述串口通信板为RS232/485；所述模拟I/O板为MM-32；所述网络通讯接口为RJ45接口电路，支持PCI和PCI-E。
5.根据权利要求1所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统，其特征在于：所述光电标定模块(3)采用三坐标测量机作为高精度光电标定仪器。
6.一种如权利要求1所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工系统所采用的加工方法，其特征在于：所述加工方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤101：可编程数控模块(1)载入数字三维地形曲面模型后，根据该数字三维地形曲面模型生成地形曲面加工刀具路径，并将其与加工起始信号一同发送给精密加工模块(2)；
步骤102：所述精密加工模块(2)在所述加工起始信号的启动下，根据所述地形曲面加工刀具路径，配备合适的加工刀具，加工出原始实体三维地形曲面模型，并在加工完成后向所述可编程数控模块(1)发送加工完成信号；
步骤103：所述可编程数控模块(1)收到所述加工完成信号后，向光电标定模块(3)发送标定开始信号和标定测量信号，所述光电标定模块(3)在所述标定开始信号的启动下，根据所述标定测量信号对所述原始实体三维地形曲面模型进行实际尺寸测量和分辨率定标，以获得所述实体三维地形曲面模型的标准分辨率数字模型。
7.根据权利要求6所述标准分辨率实体三维地形曲面模型加工方法，其特征在于：在步骤101中，所述数字三维地形曲面模型采用基于规则网格的数据结构，其是根据原始遥感测量数据自行构建的数字地形模型；或者采用基于不规则网格的数据结构，其选择已发布的数字地形模型；所述地形曲面加工刀具路径是根据所述数字三维地形曲面模型而设置的加工参数，包括加工类型、刀具型号和切削深度。
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