逆向工程在汽車(chē)覆蓋件設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用研究

1、上海大學(xué)碩士學(xué)位論文逆向工程在汽車(chē)覆蓋件設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用研究姓名：周鋒申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化指導(dǎo)教師：鞠魯粵20070101摘要由于汽車(chē)車(chē)身覆蓋件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法效率低、難度大，而逆向工程技術(shù)作為一種新的開(kāi)發(fā)形式，在縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、消化吸收國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、提升汽車(chē)模具的設(shè)計(jì)制造水平過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，因此對(duì)逆向工程技術(shù)開(kāi)展深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要研究了基于逆向工程的汽車(chē)模具及覆蓋件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)逆向工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)和曲面分析中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究并給出了相應(yīng)的對(duì)策，具體內(nèi)容如下：分析了目前逆向工程中主要數(shù)據(jù)測(cè)量方法并重點(diǎn)介紹

2、了結(jié)構(gòu)光光學(xué)掃描儀對(duì)工件表面數(shù)字化測(cè)量、拼合原理、應(yīng)用過(guò)程及注意事項(xiàng)。介紹了測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理的一般方法：排序、濾波、精簡(jiǎn)等，在研究以往數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)算法。該方法先利用基于八又樹(shù)非均勻網(wǎng)格法，將點(diǎn)云處理成按掃描線(xiàn)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化測(cè)量數(shù)據(jù)，再利用角度一弦差法進(jìn)行逐線(xiàn)精簡(jiǎn)。本文提出了基于點(diǎn)云區(qū)域劃分的曲面重構(gòu)思想，曲面重構(gòu)前先根據(jù)所測(cè)工件的輪廓、邊界、中心線(xiàn)等特征對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域劃分；只要保證在劃分區(qū)域內(nèi)，重構(gòu)曲面的質(zhì)量以及多曲面間的拼接連續(xù)性，就可以迅速地重構(gòu)出質(zhì)量比較高的曲面模型。在幾種常見(jiàn)曲線(xiàn)、曲面的數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上，對(duì)曲線(xiàn)擬合、曲面重建進(jìn)行了研究。介紹了各種曲線(xiàn)擬合、曲

3、面重構(gòu)方法，以及曲面重構(gòu)之后的拼接、再設(shè)計(jì)、曲面質(zhì)量評(píng)估等環(huán)節(jié)。并給出相應(yīng)的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明?？偨Y(jié)了逆向工程中曲面重構(gòu)過(guò)程常見(jiàn)的四類(lèi)問(wèn)題，進(jìn)行了問(wèn)題分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。關(guān)鍵詞：逆向工程，覆蓋件，點(diǎn)云精簡(jiǎn)，曲面重構(gòu)，曲面質(zhì)量評(píng)估街，：，；一：蛆：，；，吼址舀，惱刪，：，原創(chuàng)性聲明本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。參與同一工作的其他同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本論文使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論

4、文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：導(dǎo)師簽名：日期：上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論逆向工程簡(jiǎn)介及其應(yīng)用當(dāng)今工業(yè)中的許多領(lǐng)域，都需要已存在物體的計(jì)算機(jī)幾何模型，但往往又得不到現(xiàn)成的這類(lèi)幾何模型的原始數(shù)據(jù)，這就需要通過(guò)實(shí)際形體來(lái)生成計(jì)算機(jī)幾何模型，逆向工程因此應(yīng)運(yùn)而生。逆向工程即（）【翻，也稱(chēng)反求工程或反向工程。它是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專(zhuān)業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)物、樣件、軟件（包括圖樣、程序，技術(shù)文件等）或影像（圖像、照片等）進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)

5、的再設(shè)計(jì)【】。它源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路【】。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是首先要根據(jù)市場(chǎng)需求，由設(shè)計(jì)師基于產(chǎn)品或構(gòu)件的功能和外形在軟件系統(tǒng)中構(gòu)造幾何模型，然后通過(guò)數(shù)控加工生成產(chǎn)品。我們稱(chēng)之為正向工程（或者順向工程）。概括地說(shuō)正向設(shè)計(jì)是由未知到已知，由想象到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，其示意圖如圖。圖正向工程流程圖而逆向工程的設(shè)計(jì)過(guò)程則是從已有產(chǎn)品出發(fā)，回溯去尋求產(chǎn)品的科學(xué)性、技術(shù)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、合理性等等，在對(duì)其消化和吸收的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、再創(chuàng)造。其設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖如圖所示。圖：逆向工程設(shè)計(jì)流程圖逆向工程最初起源于航空航天和汽車(chē)工業(yè)。因?yàn)檫@兩個(gè)領(lǐng)域?qū)諝鈩?dòng)力學(xué)性能要求很高，在產(chǎn)品

6、開(kāi)發(fā)的初始階段就要認(rèn)真考慮空氣動(dòng)力性能。常規(guī)的設(shè)計(jì)流程是首先經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)，由設(shè)計(jì)師制作出油泥模型，然后將模型送到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室去測(cè)試空氣動(dòng)力學(xué)性能，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改直到獲得滿(mǎn)意結(jié)果為止。最終由逆向工程將這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化幾何模型，進(jìn)而進(jìn)行加工制造。隨著技術(shù)更新?lián)Q代速率的加快和消費(fèi)水準(zhǔn)的不斷提高，很多其它行業(yè)也紛紛采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。要在較短的周期循環(huán)中完成多樣性、獨(dú)特性和具有高競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，必須盡快加速制造業(yè)的基礎(chǔ)一模具業(yè)的發(fā)展。過(guò)去，模具工廠是依靠技術(shù)工人手工制作復(fù)雜表面，后來(lái)發(fā)展了通過(guò)仿形機(jī)直接進(jìn)行樣件仿形的銑削加工方法。但是這些傳統(tǒng)的模具制造工

7、藝的效率和精度都無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，嚴(yán)重制約了模具設(shè)計(jì)加工的發(fā)展。而逆向工程技術(shù)則為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持，能大大提高模具設(shè)計(jì)制造的精度和效率。上海大學(xué)碩士學(xué)位論文綜上所述，逆向工程的應(yīng)用非常廣泛。在航空航天、汽車(chē)、模具制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。總結(jié)起來(lái)，主要包括以下情形【】：（）航天航空領(lǐng)域和汽車(chē)工業(yè)，需要反復(fù)進(jìn)行測(cè)試和修改才能最終確定工件模型時(shí)，通常就要采用逆向工程的方法。（）目前，由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，普遍存在這樣的情況，在模具的制造中，沒(méi)有原始圖紙，制造者得到的原始資料為實(shí)物零件。在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有模型的情況下，為了能利用技術(shù)來(lái)加工

8、模具，必須首先將實(shí)物零件轉(zhuǎn)換為模型，繼而在模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模具。（）盡管技術(shù)發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能也日益強(qiáng)大，但目前還是無(wú)法滿(mǎn)足一些復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)師或美學(xué)師通常根據(jù)概念設(shè)計(jì)制造出黏土或泡沫的比例模型，最終運(yùn)用逆向工程將這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為模型。（）逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品、或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。如果被測(cè)零件表面己變形或磨損，重構(gòu)的模型與真實(shí)的零件表面不可能很好吻合。依靠逆向工程系統(tǒng)，從推測(cè)零件特征（如對(duì)稱(chēng)、平行或垂直特性）的功能出發(fā)，同時(shí)將重構(gòu)的模型與原始掃描模型比較，根據(jù)實(shí)際情況，將變形和磨損量進(jìn)行修復(fù)。這一點(diǎn)尤其在模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用較多。（）建立人體的數(shù)字化幾何

9、模型，從而對(duì)人體中的骨頭、關(guān)節(jié)等進(jìn)行復(fù)制實(shí)現(xiàn)假肢制造；或生成合適的人臉模型來(lái)制造與人臉相配的頭盔等。（）通過(guò)用三維掃描技術(shù)掃描零件實(shí)物模型，設(shè)計(jì)者可以將零件模型與掃描模型作比較，可以快速準(zhǔn)確地檢驗(yàn)零件在各個(gè)方向的制造精度，檢測(cè)精度高，而且非常直觀。（）借助于層析射線(xiàn)攝像法（技術(shù)），逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形態(tài)，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、測(cè)量和定位物體的局限，從而成為工業(yè)產(chǎn)品無(wú)損探傷的重要手段。除了以上提到的應(yīng)用方面，在其他的領(lǐng)域逆向工程也存在著巨大的潛能。世界各國(guó)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)用逆向工程消化吸收先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，給人們有益的啟示。戰(zhàn)后日本工業(yè)恢復(fù)的需要使其首先對(duì)逆向工程進(jìn)行了較早的研究，日本提

10、出“第一臺(tái)引進(jìn)，第二臺(tái)國(guó)產(chǎn)化，第三臺(tái)出口”的口號(hào)，用了近二十年時(shí)間從經(jīng)濟(jì)上幾乎處于癱瘓狀態(tài)而一躍成為僅次于美國(guó)的世界第二號(hào)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)，這和其善于引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)并進(jìn)行消化、吸收、創(chuàng)新分不開(kāi)的【。逆向工程作為消化、吸收和提高先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合，其主要目的是為了改善技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著科技的日新月異和市場(chǎng)全球化趨勢(shì)，世界范圍內(nèi)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，企業(yè)不僅要有適應(yīng)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，還必須不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能、縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，以保持持久的競(jìng)爭(zhēng)能力。學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)、引進(jìn)先進(jìn)的裝備、采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)是推動(dòng)企

11、業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的重要途徑。同時(shí)在制造領(lǐng)域，近年來(lái)隨著科技的飛速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，社會(huì)需求多樣化，各種產(chǎn)品在不斷提高性能的同時(shí)，個(gè)性化要求越來(lái)越強(qiáng)，其外形也變得越來(lái)越復(fù)雜。一方面小批量特殊制造要求提高；另一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，使逆向工程的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。同時(shí)在與制造業(yè)密切相關(guān)的航空航天、汽車(chē)、造船及模具等工業(yè)領(lǐng)域，自由曲面零件在現(xiàn)代工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)品功能和外形等方面的要求日益嚴(yán)格，上海大學(xué)碩士學(xué)位論文加工質(zhì)量和生產(chǎn)周期對(duì)提高產(chǎn)品的性能和市場(chǎng)的響應(yīng)速度起著關(guān)鍵作用。逆向工程發(fā)展概況目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究和應(yīng)用都主要集

12、中在產(chǎn)品幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的，稱(chēng)為“實(shí)物逆向工程”。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)成為系統(tǒng)中的一個(gè)研究應(yīng)用熱點(diǎn)，并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。其相關(guān)的領(lǐng)域包括幾何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、幾何造型和數(shù)字化制造【。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些高校和大型企業(yè)，特別是汽車(chē)制造領(lǐng)域紛紛開(kāi)展了逆向工程的相關(guān)研究，其中較有代表性的有浙江大學(xué)中心三角面片的建模研究【】，南京航空航天大學(xué)工程研究中心的基于海量散亂點(diǎn)三角網(wǎng)格面重建和自動(dòng)建模方法研究【華中科技大學(xué)的曲面測(cè)量與重建研究】，西安交通大學(xué)中心的面向的逆向工程測(cè)量方法和基于線(xiàn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究”，上海交

13、通大學(xué)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)反求技術(shù)中基于數(shù)字化點(diǎn)的曲面的研究【引和西北工業(yè)大學(xué)的數(shù)據(jù)點(diǎn)處理、建?！尽康?。但與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新性的研究不多。伴隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)研究的進(jìn)行，其成果的商業(yè)應(yīng)用開(kāi)始受到重視。能夠用來(lái)處理三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)并生成模型的商業(yè)軟件可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是集成為大型通用系統(tǒng)中的專(zhuān)用模塊，如的模塊、的模塊，中的（）、（）以及（）等功能模塊，其優(yōu)點(diǎn)是曲面和實(shí)體的交互建模容易實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)交換方面也容易得到支持，但和專(zhuān)業(yè)反求軟件相比較，其功能相當(dāng)有限，而且不宜處理大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。另一類(lèi)是專(zhuān)用的獨(dú)立系統(tǒng)軟件，這類(lèi)軟件目前應(yīng)用比較廣泛的有：美國(guó)公司的逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可

14、以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型，軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括了從工業(yè)設(shè)計(jì)到醫(yī)療仿真等諸多方面，用戶(hù)包括通用汽車(chē)、等大制造商。美國(guó)公司提供的逆向工程軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能，可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的級(jí)曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、圓度等幾何公差。韓國(guó)公司開(kāi)發(fā)的逆向工程軟件，主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測(cè)量建模以及高級(jí)圖形生成。提供的一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)工具，用戶(hù)可以方便地利用以前構(gòu)造的曲

15、線(xiàn)網(wǎng)格經(jīng)過(guò)縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過(guò)程中。另外還有英國(guó)公司的、我國(guó)浙江大學(xué)推出的系統(tǒng)等。隨著逆向工程技術(shù)的開(kāi)展與應(yīng)用，在數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、特征識(shí)別及專(zhuān)用商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)上這幾個(gè)環(huán)節(jié)己取得較為明顯的進(jìn)步，三維數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備的性能也在不斷的提高，但在實(shí)際應(yīng)用中，要獲得光順且精確的自由曲面模型，需要人工的大量交互操作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。逆向工程技術(shù)要想成為一種通用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，還有很長(zhǎng)的路要走。展望今后逆向工程研究的重點(diǎn)，將主要集中在以下幾個(gè)方面：上海大學(xué)碩士學(xué)位論文）數(shù)據(jù)測(cè)量方面。發(fā)展面向逆向工程的專(zhuān)用測(cè)量系統(tǒng)，高速、高精度地實(shí)現(xiàn)實(shí)物外形的數(shù)字化，并能根據(jù)幾何外形和后續(xù)應(yīng)用

16、選擇測(cè)量方式及路徑，能進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動(dòng)測(cè)量；）數(shù)據(jù)預(yù)處理。研究適應(yīng)不同的測(cè)量方法和后續(xù)的離散采集點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)；）擬合的曲面應(yīng)能控制曲面的光順性和進(jìn)行光滑拼接；）有效的特征識(shí)別和考慮約束的模型重建，復(fù)雜組合曲面的識(shí)別和重建方法；系統(tǒng)集成技術(shù)。發(fā)展基于集成的逆向工程技術(shù)，包括測(cè)量技術(shù)、基于特征的模型重建技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)等。課題背景以及主要研究?jī)?nèi)容年中國(guó)加入以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速，呈現(xiàn)“井噴式發(fā)展”。年轎車(chē)銷(xiāo)售萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)；年汽車(chē)和轎車(chē)產(chǎn)量分別增長(zhǎng)和。年一季度全國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售收入超過(guò)紡織業(yè)，成為我國(guó)工業(yè)五大支柱之一。汽車(chē)產(chǎn)量也開(kāi)始連年跨過(guò)百萬(wàn)輛臺(tái)階，年年產(chǎn)汽車(chē)萬(wàn)輛，全

17、球排名第三位，出口汽車(chē)數(shù)量也首次超過(guò)了進(jìn)口。出口汽車(chē)萬(wàn)輛，有望在近期進(jìn)入世界第。隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的改變，汽年的更新?lián)Q代速度日趨加快，使國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的自主開(kāi)發(fā)成為必然。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車(chē)生產(chǎn)中，一輛客車(chē)或轎車(chē)上約有的零部件需要利用模具加工制造。一般汽車(chē)車(chē)身有數(shù)百個(gè)沖壓件組成，沖壓模高達(dá)套以上，模具的開(kāi)發(fā)成本大約在億美元左右例。目前，我國(guó)在對(duì)汽車(chē)新車(chē)型的開(kāi)發(fā)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國(guó)家，其中一個(gè)重要原因就是汽車(chē)覆蓋件模具的設(shè)計(jì)效率低。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展需要，而引進(jìn)國(guó)外的覆蓋件模具產(chǎn)品花費(fèi)過(guò)高，從而嚴(yán)重制約著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年共進(jìn)口模具億美元，在進(jìn)口模具中，

18、其中沖壓模具為億美元，占全部進(jìn)口模具的。并且隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，覆蓋件模具的進(jìn)口比例還有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。雖然國(guó)內(nèi)有一汽、二汽、天汽、大眾等汽車(chē)模具制造廠，具有一定設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力，但目前也只能生產(chǎn)部分轎車(chē)覆蓋件模具，且以低檔產(chǎn)品為主，對(duì)高檔模具主要依靠進(jìn)口。由于企業(yè)技術(shù)的專(zhuān)有性和保密性，除非購(gòu)買(mǎi)轉(zhuǎn)讓?zhuān)駝t要獲得產(chǎn)品的圖樣、技術(shù)文檔、工藝等技術(shù)資料幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。而產(chǎn)品實(shí)物作為商品和最終的消費(fèi)品，是最容易獲得的一類(lèi)。研究”對(duì)象。在只有產(chǎn)品原型和實(shí)物模型的條件下，通過(guò)重構(gòu)產(chǎn)品零件的模型，在探尋和了解原設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)原型的修改和再設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品更新之目的。對(duì)于具有復(fù)雜曲面外形的覆蓋件

19、，逆向工程更成為其主要的設(shè)計(jì)方式。如汽車(chē)、摩托車(chē)的外形覆蓋件，通常由造型設(shè)計(jì)師制作：的木?；蛴湍嗄Ｐ?，然后測(cè)量表面數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行造型、修改、完善、分析，最后經(jīng)完成模具。逆向工程在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用將大大的改進(jìn)汽車(chē)制造業(yè)的現(xiàn)狀。汽車(chē)覆蓋件主要是指構(gòu)成駕駛室和車(chē)身表面的零件，也包括覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)的某些零件。它包括外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件，外覆蓋件是指人們能夠看到的汽車(chē)車(chē)身外部的裸露件，如車(chē)板、頂蓋、前圍外蓋板后圍外蓋板、側(cè)圍外蓋板、長(zhǎng)頭載重車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩等：內(nèi)覆蓋件是指車(chē)身內(nèi)部的覆蓋件，它們被覆蓋上內(nèi)修飾或被車(chē)身的其他零件所擋住而一般看不到的，如車(chē)門(mén)內(nèi)板、前圍內(nèi)蓋板、后圍內(nèi)蓋板、側(cè)圍內(nèi)蓋板等【”。汽

20、車(chē)覆蓋件大多是尺寸大、形狀復(fù)雜的三維曲面，不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式表達(dá)的，它不僅外觀質(zhì)量高，而且要滿(mǎn)足汽車(chē)造型的要求，要求配合精度高、形狀和尺寸的一致性好及互換性要求高，以保證其焊接和裝配質(zhì)量。在逆向工程實(shí)施的過(guò)程中，尤以曲面模型重構(gòu)最費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于曲面逆向建模是屬于非參數(shù)建模，目前逆向工程技術(shù)采用的測(cè)量設(shè)備主要為三維光學(xué)掃描設(shè)備，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)散亂分布且邊界不規(guī)則，模型的幾何特征淹沒(méi)在離散點(diǎn)云之中，到目前為止還沒(méi)有一種比較可行的軟件可以將其自動(dòng)識(shí)別和提取出來(lái)，曲面模型往往需由多張曲面經(jīng)延伸、過(guò)渡、裁剪等混合計(jì)算而成。雖然目前開(kāi)始有人研究由點(diǎn)云到曲面模型的自動(dòng)建模技術(shù)，但還沒(méi)有取得關(guān)鍵性

21、的突破，逆向曲面重構(gòu)工作還是主要通過(guò)大量的人工交互建模工作來(lái)完成，由于模型幾何特征的識(shí)別和提取、曲面光順與精度平衡點(diǎn)的把握，這些工作都是依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技巧，對(duì)由點(diǎn)到面的建模方式的原則和規(guī)律還缺乏系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，因此，曲面重構(gòu)工作幾乎成了一項(xiàng)“黑色技藝”，并最終影響了逆向工程的推廣和應(yīng)用。本課題來(lái)源于上海匯眾汽車(chē)有限公司轎車(chē)模具易磨損件數(shù)據(jù)化開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和上海大眾汽車(chē)有限公司轎車(chē)模具數(shù)據(jù)化開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。本文的選題背景是探討利用逆向工程這一先進(jìn)的制造技術(shù)手段來(lái)解決汽車(chē)覆蓋件成形技術(shù)中的一些難題，縮短覆蓋件模具的制造周期，降低成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)模具的自主生產(chǎn)，加速汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。本課題就是基

22、于上海匯眾和上海大眾為實(shí)現(xiàn)進(jìn)口模具的國(guó)產(chǎn)化而提出的。本論文是以作者攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)課題的工作為基礎(chǔ)，采用的研究工具主要有：德國(guó)公司光學(xué)掃描儀（）、（，、）、。全文共分六章，具體內(nèi)容安排如下：第一章緒論部分，主要討論逆向工程及其技術(shù)，逆向工程應(yīng)用，課題的提出背景、意義以及國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。第二章表面數(shù)據(jù)的獲取。介紹了目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)與方法。主要分析了光學(xué)測(cè)量原理，并且給出了其在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用。第三章點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。研究了點(diǎn)云在曲面重構(gòu)前必要的預(yù)處理，排序、濾波、精簡(jiǎn)、按照特征進(jìn)行點(diǎn)云區(qū)域劃分，并提出了一種新的精簡(jiǎn)算法。第四章曲面重構(gòu)。介紹了常見(jiàn)的曲線(xiàn)、曲面的數(shù)學(xué)模型、曲線(xiàn)擬合、曲面

23、重構(gòu)及曲面質(zhì)量評(píng)估方法。給出了曲面重構(gòu)實(shí)例。第五章曲面重構(gòu)中的常見(jiàn)問(wèn)題分析及處理。對(duì)曲面重構(gòu)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。第六章總結(jié)與展望。對(duì)本文的研究進(jìn)行總結(jié)和展望。第二章表面數(shù)據(jù)獲取常用表面數(shù)據(jù)測(cè)量方法從圖的逆向工程流程圖中可以看到，逆向工程首先是要獲得產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)。這是逆向工程的基礎(chǔ)。只有獲得高質(zhì)量的樣件三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行曲面重建從而生成精確的三維模型，才能更好地實(shí)現(xiàn)后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)、評(píng)價(jià)、制造加工。同時(shí)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量也會(huì)直接影響曲面重建的效率和品質(zhì)。所以，如何快速地獲得高精度的樣件表面數(shù)據(jù)，一直是逆向工程的主要研究?jī)?nèi)容之。近幾十年來(lái)，隨著傳感技術(shù)、控

24、制技術(shù)、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了種類(lèi)繁多的樣件表面數(shù)據(jù)獲取方法，一般來(lái)說(shuō)可以分為無(wú)損測(cè)量和破壞性測(cè)量?jī)纱箢?lèi)，破壞性測(cè)量主要是逐層切削掃面法，該技術(shù)用于逐層去處材料與逐層掃描相結(jié)合的方法，其特點(diǎn)是可以測(cè)量?jī)?nèi)輪廓數(shù)據(jù)，而且測(cè)量精度高，片層可達(dá)，最大的缺點(diǎn)就是破壞原件。而無(wú)損測(cè)量又可以分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式采集，接觸式基于力變形原理分為觸發(fā)式和連續(xù)掃描式。非接觸式主要有三角測(cè)量法、干涉測(cè)量法、線(xiàn)結(jié)構(gòu)光法、激光測(cè)距法、全息法、工業(yè)（）等。如圖所示。圖逆向工程三維數(shù)據(jù)獲取方法破壞性測(cè)量方法破壞性測(cè)量以美國(guó)公司為代表，可以通過(guò)逐層去除材料，并且逐層掃描獲取截面圖像。從兩得至物體的

25、輪廓尺寸。這種方法精度高，且可自動(dòng)測(cè)量，適用于測(cè)量物體內(nèi)腔形狀與尺寸，它的片層厚度最小可達(dá)，測(cè)量精度為，與工業(yè)相比，價(jià)格便宜，而測(cè)量精度卻高得多，且實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)操作。但是，它采用破壞性測(cè)量，對(duì)于貴重零件不宜采用，另外測(cè)量速度較慢。接觸式測(cè)量方法三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（）是一種發(fā)展較為成熟并被廣泛使用的觸發(fā)式接觸測(cè)量設(shè)備田】。其測(cè)量傳感器的主要形式為各種不同直徑和形狀的探針（或稱(chēng)為接觸測(cè)頭）。目前三維接觸式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，采用掃描方式逐點(diǎn)地捕捉樣品表面數(shù)據(jù)?；镜墓ぷ髟硎牵寒?dāng)探針沿被測(cè)物體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的反作用力使探針發(fā)生形變。這種形變觸發(fā)測(cè)量傳感器，將測(cè)出的信號(hào)反饋給測(cè)量控制系統(tǒng)，

26、經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理得到所測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)方式和觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生方式的不同，一般將接觸式測(cè)量方法分為單點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。接觸式方法的優(yōu)點(diǎn)是不受被測(cè)物體表面的顏色和光照限制；可以對(duì)被測(cè)物體邊界精確測(cè)量：測(cè)量精度較高，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度可以達(dá)到±。但這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)也比較明顯：（測(cè)量速度慢，效率低：（）由于測(cè)量過(guò)程中與被測(cè)物體表面接觸，存在作用力，因而該方法不能對(duì)諸如橡膠、黏土等軟質(zhì)材料、彈塑性材料，或其他超薄形材料進(jìn)行測(cè)量；（）接觸測(cè)頭本身有一定尺寸，因此被測(cè)物體細(xì)微部分的測(cè)量精度也受到影響，并且對(duì)于獲得的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行基準(zhǔn)歸一化及測(cè)頭半徑補(bǔ)償。（）

27、測(cè)量路徑需要人工干預(yù)，進(jìn)行測(cè)量布點(diǎn)和路徑規(guī)劃，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量：（）接觸測(cè)頭的掃描路徑不可能遍歷被測(cè)曲面的所有點(diǎn)，它獲取的只是關(guān)鍵特征點(diǎn)，因而，它的測(cè)量結(jié)果不能反映整個(gè)零件的形狀。光學(xué)測(cè)量方法近年來(lái)，光電技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使激光及光學(xué)在測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用有了重大的突破，開(kāi)啟了現(xiàn)代非接觸式測(cè)量的時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方式的缺點(diǎn)，以其高分辨率、寬測(cè)量范圍、無(wú)磨損、無(wú)破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快且特別適于易碎易變形的材料等優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為最有前途的三維輪廓測(cè)量方法。光學(xué)測(cè)量法可細(xì)分為如下幾種：激光三角測(cè)量法、干涉測(cè)量法、線(xiàn)結(jié)構(gòu)光法、激光測(cè)距法和工業(yè)法例。

28、）激光三角測(cè)量法（）激光三角測(cè)量法是逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運(yùn)用最廣泛的方法，是通過(guò)光源和攝像頭傳感設(shè)備的定位和角度來(lái)導(dǎo)出點(diǎn)的位置的一種方法。其基本原理為：激光二極管所發(fā)出的激光，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦投射到樣件表面，被表面反射或漫射，反射或漫射的激光通過(guò)收集透鏡聚焦，就成了位置測(cè)量器（如攝像機(jī)）上的小光點(diǎn)。采樣頭和模型之間的距離，可以根據(jù)反射光點(diǎn)的位置計(jì)算出來(lái)，它既可以進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，也可以進(jìn)行線(xiàn)光測(cè)量。測(cè)量精度取決于光敏裝置的分辨率，以及物體表面到掃描儀之間的距離。測(cè)量精度一般在左右，采樣速度可以達(dá)到每秒數(shù)萬(wàn)點(diǎn)。公司型光學(xué)采樣頭，就是為激光數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)的，其主要特點(diǎn)是：探針不與樣件接觸，因而能對(duì)松軟材

29、料的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能很好地測(cè)量到表面尖角、凹位等復(fù)雜輪廓。數(shù)據(jù)采集速度很快，可將大型表面在或數(shù)控機(jī)床上迅速完成數(shù)據(jù)采集。所采集的數(shù)據(jù)是表面上的實(shí)際數(shù)據(jù)，無(wú)需側(cè)頭補(bǔ)償。價(jià)格較貴，雜散反射，對(duì)于垂直壁等表面特征會(huì)影響采樣精度。）激光干涉測(cè)量法（）干涉法是通過(guò)測(cè)量?jī)墒喔晒獾墓獬滩顏?lái)計(jì)算物體的高度分布，測(cè)量精度相當(dāng)高，但測(cè)量范圍小，抗干擾能力弱，不適合測(cè)量凹凸變化大的復(fù)雜曲面。）結(jié)構(gòu)光法（）結(jié)構(gòu)光法】是利用光柵投射在被測(cè)物體和參考平面上來(lái)測(cè)量三維形狀的方法。其原理是利用投射幾何關(guān)系建立起物體表面條紋和參考條紋之閫的相位差與平面的相對(duì)高度之間的關(guān)系，從而獲得物體平面和相對(duì)平面之間的相對(duì)高度。結(jié)構(gòu)

30、光的一個(gè)通用方法是陰影干涉條紋法，一個(gè)參考光柵投影到物體表面上，產(chǎn)生光照后的輪廓線(xiàn)，這些輪廓線(xiàn)都采集在一幅圖像中，經(jīng)過(guò)分析后可以判定線(xiàn)條之間的距離，該距離與在目標(biāo)點(diǎn)處的曲面的高度成正比，因此可以推算出曲面點(diǎn)間的坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光法能夠在一個(gè)單禎圖像中獲得大量的數(shù)據(jù)，但是判定數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置卻相當(dāng)復(fù)雜。它的特點(diǎn)是不需要坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密設(shè)備，造價(jià)比較低，但精度較低，操作復(fù)雜。）工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法（）工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描法（簡(jiǎn)稱(chēng)）是對(duì)產(chǎn)品的實(shí)物經(jīng)層析掃描后，獲得一系列的斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，這些切片和數(shù)據(jù)提供了樣件截面輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整信息，不僅可以進(jìn)行樣件的形狀，結(jié)構(gòu)和功能分析，還可以提取產(chǎn)品樣件的截

31、面，并由系列樣件截面數(shù)據(jù)重建樣件的三維幾何模型。的最大優(yōu)點(diǎn)在于它能測(cè)量樣件的內(nèi)部斷面的信息，并且不損壞實(shí)物。是測(cè)量沒(méi)有備件或復(fù)制品的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)實(shí)物唯一方法。但獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度太低，目前的最小層厚只能達(dá)到，用這種裝置目前無(wú)法做出實(shí)用的機(jī)械零件。此外，的成本高，對(duì)運(yùn)行的環(huán)境要求也高，再加上可測(cè)零件的尺寸和材料都有限，因而不可能廣泛應(yīng)用于三維物體輪廓測(cè)量。以上測(cè)量方法各具特點(diǎn)，在實(shí)際測(cè)量中測(cè)量方法的選擇需根據(jù)被測(cè)物體的形狀特征和應(yīng)用目的來(lái)決定。表中比較了幾種典型三維掃描技術(shù)的特點(diǎn)。表常用三維掃描方法技術(shù)比較此外，電磁和超聲波等測(cè)量方法在三維曲面的測(cè)量中還沒(méi)有廣泛使用，大都應(yīng)用于那些要求“距離測(cè)量”

32、的場(chǎng)合。例如應(yīng)用電磁波的測(cè)距雷達(dá)，常用脈沖調(diào)制，以一定的周期發(fā)射信號(hào)，通過(guò)計(jì)算回波的延滯時(shí)間，得到目標(biāo)的距離。超聲波法是向被測(cè)物體發(fā)射超聲波脈沖，同時(shí)接收被測(cè)物體反射回來(lái)的脈沖，根據(jù)發(fā)射和接收脈沖之間的時(shí)間延遲計(jì)算發(fā)射源與被測(cè)物體之間的距離。這種方法需要以下條件：發(fā)射具有很好聚焦性能的超聲波束；可以獲得高分辨率超聲波圖像。由于脈沖的反射能量隨被測(cè)物體表面的入射角的變化而變化，有時(shí)會(huì)變得很小，甚至淹沒(méi)在噪聲中，所以這種方法的應(yīng)用范圍受到很大的限制。傳統(tǒng)的觸發(fā)式測(cè)量方法有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在測(cè)量速度慢，需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償，因測(cè)量力過(guò)大，不能測(cè)量松軟材料樣件等缺點(diǎn)。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)

33、非接觸式測(cè)量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。以高響應(yīng)，高分辨率著稱(chēng)。該方法具有測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，不受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，工作距離大，可測(cè)量材質(zhì)松軟的樣件等優(yōu)點(diǎn)，成功地解決了接觸式測(cè)量方法所存在的問(wèn)題；但光學(xué)測(cè)量技術(shù)受物體形狀和光強(qiáng)限制，在棱線(xiàn)以及角點(diǎn)處測(cè)量精度差。接觸式和光學(xué)式測(cè)量方法都不能測(cè)量物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工業(yè)技術(shù)和逐層切削照相測(cè)量法解決了上述問(wèn)題，但工業(yè)價(jià)格昂貴，精度低，數(shù)據(jù)龐大，逐層切削照相測(cè)量法存在著破壞樣件的缺點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，迄今為止，還沒(méi)有一種完全適合于快速逆向技術(shù)的快速、精確的逆向測(cè)量方法。光學(xué)測(cè)量原理本文進(jìn)行研究所采用的是德國(guó)公司研發(fā)的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品。自年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)

34、成為世界上最為成功的掃描測(cè)量系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、工藝品復(fù)制及科學(xué)研究等領(lǐng)域。 圖測(cè)量系統(tǒng)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是德國(guó)公司推出的以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)，由光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和照相測(cè)量定位系統(tǒng)組成。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)采用矩形光柵投影，不同型號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)每次采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目不同。其最新型號(hào)的每次能采集到萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每次測(cè)量的最大范圍為，測(cè)量精度為（）。激光掃描測(cè)量系統(tǒng)提供了多種數(shù)據(jù)輸出格式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在輸出的數(shù)據(jù)格式中，常用的有（、（）、（、（）、以及形式的（。和二進(jìn)制形式的（）。系統(tǒng)包括測(cè)量頭、三角架、控制器和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)組成，其中測(cè)量頭帶有兩個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)中央投影單元

35、，中央投影單元部分配備了一個(gè)白色的投射燈泡和一個(gè)可規(guī)則滑動(dòng)的復(fù)雜光柵。如圖所示。以下簡(jiǎn)單介紹掃描儀的掃描原理，如圖所示，為掃描儀掃描原理圖。 圖掃描儀掃描原理圖采用非接觸式幾何光學(xué)法測(cè)量元件的形貌輪廓，運(yùn)用條紋結(jié)構(gòu)光經(jīng)由投射器將條紋光柵投射至待測(cè)物表面，再以攝影機(jī)做取像動(dòng)作，最后合并灰度編碼與相位移法計(jì)算得到其絕對(duì)相位，配合三角測(cè)量原理便可得到待測(cè)物三維形貌輪廓。這種方法采用光學(xué)投射器將光柵投影于物體表面，在表面上形成由被測(cè)物體表面形狀所調(diào)制的光柵條紋三維圖像，該三維條紋圖像由處于另一位置的攝像機(jī)拍攝，從而獲得光柵條紋的二維變形條紋圖像圖所示。 圖光柵條紋條紋的變形程度取決于光學(xué)投射器與攝像機(jī)

36、之間的相對(duì)位置和物體表面形廓（高度）。直觀上，條紋在法線(xiàn)方向的位移（或偏移）與物體表面深度成比例，扭結(jié)表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理突變或間隙。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由變形的條紋圖像可以重現(xiàn)物體表面形廓，即可以對(duì)物體進(jìn)行三維表面測(cè)量。隨著光學(xué)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)三維輪廓測(cè)量的精度有了大大提高，以快速，分辨率高，非接觸等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了廣泛的研究。灰度編碼法圖像編碼硐是減少圖像采集和處理量的有效途徑，編碼光柵法通過(guò)一種不同間距的光柵投影到空間上，攝像頭攝取后，依據(jù)圖像的灰度值進(jìn)行二值化，暗的為，明的為，存儲(chǔ)在到矩陣中。第一種光柵投影得到相

37、當(dāng)于高位的圖像（）將視場(chǎng)空間分為兩份；第二種光柵投影得到次高位圖像將視場(chǎng)空間分為四份；如此依次下去，最后一種光柵得到相當(dāng)于低位圖像（）將視場(chǎng)空間分為”，每一份空間用一個(gè)二進(jìn)制編碼表示。這挖幅圖像相當(dāng)于二進(jìn)制編碼的療位，每一份編碼可以由幅圖像的二值編碼表示。如圖所示，以為例，點(diǎn)的所處空間的二進(jìn)制編碼為?！净ザ靠?。】【結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理圖編碼光柵圖像編碼原理圖條紋結(jié)構(gòu)光成像原理圖為結(jié)構(gòu)光成像模型，其中（，匕，）為世界坐標(biāo)系，（置，疋，）為攝像機(jī)坐標(biāo)系，（，】，）為圖像坐標(biāo)系。攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（，）。將世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系的點(diǎn)的步驟為：首先作平移，一】然后繞&

38、#247;置軸旋轉(zhuǎn)。，再繞軸旋轉(zhuǎn)角，最后再變換到圖像坐標(biāo)系中。世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)交換可用下式來(lái)表示：隴藝÷：鞠篋（，設(shè)結(jié)構(gòu)光入射平面通過(guò)點(diǎn)（，只），其方程為，一，（）圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系變換關(guān)系為謄磐，予（），皿。由關(guān)系式（）、（）、（）可以得到被測(cè)物體表面上任一點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（，乙）與圖像坐標(biāo)系的變換關(guān)系，即結(jié)構(gòu)光三維成像模型為：（以五碼）五去【吼互仍）（一曠正五】（）一喊（）式中：。：母一，；：正置（，一盧力（，力其中，為攝像機(jī)焦距，以、為像素點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。三維成像模型中的、蘆、，等的參數(shù)值可以通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定來(lái)確定。雙目立體視覺(jué)原理圖雙目成像的幾何

39、關(guān)系圖人在觀察世界時(shí)，在自然照明的情況下，可以通過(guò)比較左右眼得到的信息的差別來(lái)判斷物體的相對(duì)深度，這是因?yàn)閮芍谎劬υ谝朁c(diǎn)上存在著一些差別，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙目視差。視覺(jué)神經(jīng)會(huì)根據(jù)這種視差來(lái)判斷物體的深度。對(duì)雙目視差進(jìn)行模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)三維信息恢復(fù)的過(guò)程，即為雙目視覺(jué)模擬。簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用立體視差進(jìn)行測(cè)距，所謂立體視差就是被測(cè)點(diǎn)在左、右攝像機(jī)像面上成像點(diǎn)位置的差異。與單目視覺(jué)相比，雙目視覺(jué)主要是利用幾何原理實(shí)現(xiàn)三維信息恢復(fù)，受場(chǎng)景物理屬性干擾較小，因此能較精確地恢復(fù)場(chǎng)景的三維信息。最簡(jiǎn)單的雙目立體視覺(jué)測(cè)量原理如圖所示：假設(shè)、，分別為左右兩個(gè)相機(jī)鏡頭的中心位置，相距，相機(jī)焦距為廠。設(shè)物體上點(diǎn)到相機(jī)的垂直距離為

40、，在左右相機(jī)圖像面上的投影點(diǎn)分別為、只。根據(jù)相似三角形性質(zhì)可知：曼：皇掣。（）“：生±！（）由式（）、（）可得，點(diǎn)的距離為：魚(yú)（）一（）式中的屯一是點(diǎn)在左右兩幅圖像上像點(diǎn)位置差（稱(chēng)為視差），它通過(guò)圖像配準(zhǔn)方法在兩個(gè)像面上找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)而得到。由（）式可知，影響測(cè)距精度的因素有：圖像配準(zhǔn)誤差（即一誤差）和光學(xué)傳感器誤差（主要包括水平光軸和垂直光軸不平行產(chǎn)生的誤差、焦距廠或視場(chǎng)角誤差、基線(xiàn)距離誤差），后者是系統(tǒng)誤差，可以通過(guò)校正給予補(bǔ)償。利用雙目立體視覺(jué)原理測(cè)量物體，優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量原理清楚、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活和成本較低；難點(diǎn)在于攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配和圖像拼接?，F(xiàn)有攝像機(jī)標(biāo)定方法是通過(guò)一組非線(xiàn)性

41、方程求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，然而攝像機(jī)本身存在徑向畸變和橫向畸變，且從圖像中得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)又含有噪聲，為減少誤差常采用最小二乘法或非線(xiàn)性迭代法求解方程組。事實(shí)上這種方法很難實(shí)施，不易得到精確的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。立體匹配更是近期研究的熱點(diǎn)，由于攝像機(jī)分辨率、圖像噪聲和灰度變化等因素影響，在左右圖像中尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)十分困難，并且測(cè)量大型物體時(shí)，需要多幅圖像拼接配準(zhǔn)。但是雙目立體視覺(jué)測(cè)量避免了單測(cè)量系統(tǒng)中遇到的視覺(jué)盲區(qū)，同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，能大大提高測(cè)量精度。多視點(diǎn)云拼合在實(shí)際掃描測(cè)量中，由于測(cè)量設(shè)備的量程所限，對(duì)于尺寸較大的物體無(wú)法一次完成測(cè)量，必須進(jìn)行分塊測(cè)量，或在測(cè)量時(shí)某些表面是不可見(jiàn)（如零件的反面

42、和復(fù)雜物體某些表面等），這樣就需要從不同角度使用多次定位進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)測(cè)得的各個(gè)視圖進(jìn)行重新定位和數(shù)據(jù)融合，生成一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集，最后通過(guò)模型重建方法生成物體的三維幾何模型。傳統(tǒng)的多視定位方法包括點(diǎn)位法、固定球法以及平面法等。系統(tǒng)通過(guò)參考點(diǎn)定位法來(lái)實(shí)現(xiàn)多視測(cè)量和數(shù)據(jù)拼合，具體做法是在待測(cè)物體相對(duì)平坦的表面以及標(biāo)定平板上貼一些大小合適的測(cè)量專(zhuān)用參考點(diǎn)，然后根據(jù)每個(gè)測(cè)量位置至少可以看見(jiàn)三個(gè)不共線(xiàn)的參考點(diǎn)的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取的多個(gè)視圖可以通過(guò)這些重疊位置區(qū)域的公共參考點(diǎn)的中心進(jìn)行坐標(biāo)定位。文獻(xiàn)嗍介紹了一種轉(zhuǎn)臺(tái)定位法：將測(cè)量物體放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，測(cè)量頭固定不動(dòng)，通過(guò)測(cè)量物體和轉(zhuǎn)臺(tái)同步

43、旋轉(zhuǎn)，調(diào)整物體的測(cè)量位置，設(shè)法測(cè)得各個(gè)不同角度的數(shù)據(jù)，然后可以從轉(zhuǎn)臺(tái)上讀取相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度：還有一種可行的方法是固定測(cè)量物體，通過(guò)關(guān)節(jié)臂式掃描系統(tǒng)機(jī)械手臂的空間運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄測(cè)量頭的空間位置變換。這兩種方法都需要讀取測(cè)量設(shè)備的刻度進(jìn)行坐標(biāo)交換，對(duì)測(cè)量人員和測(cè)量設(shè)備的要求較高，而且定位精度不易保證。由于實(shí)際情況中測(cè)量誤差的存在，上述方法一般僅可以實(shí)現(xiàn)視圖之間的粗定位，而對(duì)于精度要求較高的多視定位，還需要在預(yù)定位的基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理，基本思路是利用測(cè)量出的多視重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)位置信息，運(yùn)用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)計(jì)算坐標(biāo)變換，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)視圖間更精確的定位。（）算法【】是目前解決多視定位問(wèn)題的一種基本算法，該算法的基本

44、思想是：給定目標(biāo)點(diǎn)集（需要進(jìn)行坐標(biāo)變換的對(duì)象）和參考點(diǎn)集，為了使能夠和對(duì)齊，首先對(duì)中的每個(gè)點(diǎn)在中找一個(gè)與之距離最近的點(diǎn)，建立點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)集的映射關(guān)系，然后通過(guò)最小二乘法計(jì)算一個(gè)最優(yōu)的坐標(biāo)變換（記為），令（），進(jìn)行迭代求解直到滿(mǎn)足精度為止，最后的坐標(biāo)變換即為每次變換的合成。朋舊測(cè)量過(guò)程主要如以下步驟：（）標(biāo)定：對(duì)進(jìn)行硬件的標(biāo)定，調(diào)整好光源、相機(jī)鏡頭的光圈、焦距，再使用標(biāo)定板進(jìn)行軟件標(biāo)定。系統(tǒng)的標(biāo)定是采用如圖所示的標(biāo)定板來(lái)完成的。標(biāo)定板是一塊大小為的平板，板上所有的特征圓點(diǎn)都已精確定位，即相對(duì)位置關(guān)系已知。通過(guò)攝像機(jī)測(cè)量標(biāo)定板上的各圓心位置，反求出標(biāo)定板與攝像機(jī)的相互關(guān)系，確定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部

45、參數(shù)，同時(shí)確認(rèn)攝像機(jī)在各個(gè)位置拍攝效果良好。具體標(biāo)定過(guò)程和標(biāo)定算法詳見(jiàn)文獻(xiàn)碉。 圖標(biāo)定板上海大學(xué)碩士學(xué)位論文（）覆蓋件表面處理：所要測(cè)量的覆蓋件表面質(zhì)量對(duì)于掃描測(cè)量效果有著重要影響，明亮但不反光的表面最適合掃描測(cè)量。如果表面吸光性或反光性過(guò)強(qiáng)，則需要用顯像劑進(jìn)行處理，使其表面能產(chǎn)生漫反射。（）設(shè)立參考點(diǎn)：由于掃描儀量程和曲面形狀所限，通常需從不同角度進(jìn)行多次掃描。為獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須將單幅掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中拼合，為此需要設(shè)立參考點(diǎn)，以根據(jù)軟件標(biāo)定結(jié)果對(duì)不同角度的單幅掃描點(diǎn)云進(jìn)行拼合。（）數(shù)據(jù)采集：前后兩次掃描區(qū)域至少包含三個(gè)以上的相同參考點(diǎn)。（）數(shù)據(jù)輸出：數(shù)據(jù)后期處理并按一定

46、格式輸出。圖即為使用進(jìn)行測(cè)量所得的點(diǎn)云圖 （）富力卡蓋板點(diǎn)云圖 （）富力卡盞板點(diǎn)云效果圖圖測(cè)量所得點(diǎn)云及效果圖覆蓋件測(cè)量的注意事項(xiàng)汽車(chē)覆蓋件一般為形狀復(fù)雜的薄材，在拆卸的時(shí)候容易發(fā)生變形，從而難以確定其裝配關(guān)系。因此，必須要保證在裝配狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。由于汽車(chē)是左右對(duì)稱(chēng)的，對(duì)稱(chēng)平面的構(gòu)造就顯得十分必要。因此需要測(cè)量足夠的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造其對(duì)稱(chēng)平面。測(cè)量之前也可以人為的加上一些左右對(duì)稱(chēng)的幾何特征，如方塊，圓球等等。利用這些特征的特征點(diǎn)來(lái)擬合出對(duì)稱(chēng)平面。后續(xù)只需測(cè)量覆蓋件一側(cè)即可。對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，需要從不同角度進(jìn)行測(cè)量，使其特征反應(yīng)完整齊全。對(duì)于倒角、拔模斜度、翻邊等特征，只需得到其位置和趨勢(shì)信息即可

47、。上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理非接觸式測(cè)量具有掃描速度快、無(wú)破壞、可實(shí)現(xiàn)零接觸應(yīng)力測(cè)量，有效地避免了接觸式測(cè)量中測(cè)量應(yīng)力所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，且可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)軟質(zhì)和超薄物體表面的測(cè)量。但是，在測(cè)量過(guò)程中存在多方面原因，比如被測(cè)表面的租糙度、波紋以及其他一些表面缺陷，還有測(cè)量系統(tǒng)本身的影響，如結(jié)構(gòu)光散斑、的非線(xiàn)形誤差、分辨率和采樣誤差、系統(tǒng)的電噪聲、熱噪聲等，在數(shù)據(jù)采樣過(guò)程中，不可避免地存在不合理的噪聲點(diǎn)，其結(jié)果將嚴(yán)重影響重構(gòu)的曲線(xiàn)光順度、曲面的表面質(zhì)量。同時(shí)，利用光學(xué)測(cè)量法測(cè)量所得的數(shù)據(jù)量龐大，以及測(cè)量盲區(qū)的存在，所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)并不適合直接用于后續(xù)曲面重構(gòu)。巨大的數(shù)據(jù)量和噪

48、聲點(diǎn)的存在，不僅加重了處理系統(tǒng)的負(fù)荷，也會(huì)大大影響其后續(xù)處理的效率。因此在進(jìn)行曲面重構(gòu)之前，還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中經(jīng)常包括以下幾方面的工作：數(shù)據(jù)排序及矢量化，對(duì)于具有較復(fù)雜形狀的工件，測(cè)量數(shù)據(jù)中必然有一部分是無(wú)序的，須建立數(shù)據(jù)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。數(shù)據(jù)濾波，去除噪聲點(diǎn)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的合理性。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，壓縮不必要的曲面片內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，減少后期計(jì)算量。數(shù)據(jù)分塊，整體曲面的擬合往往較難實(shí)現(xiàn)，通常采用分片曲面的拼接來(lái)形成整塊曲面。數(shù)據(jù)排序由于掃描儀的特點(diǎn)，在對(duì)工件進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集時(shí)，都需要進(jìn)行多次測(cè)量，隨之進(jìn)行多幅視圖拼合，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)在分布上不遵循一定的規(guī)