逆向工程講座機(jī)械儀表工程科技專業(yè)資料

1、逆向工程講座機(jī)械儀表工程科技專業(yè)資料課程主要內(nèi)容逆向工程概論坐標(biāo)測量設(shè)備測量數(shù)據(jù)處理測量數(shù)據(jù)曲線、曲面造型原理誤差與精度評價(jià)*21.1 引言現(xiàn)代制造業(yè)特點(diǎn)我國工業(yè)的核心地位。 最大的出口行業(yè)，創(chuàng)造了接近34的外匯收入，占GDP的比重達(dá)到40，我國財(cái)政收入的一半來自于制造業(yè)。制造模式朝多品種、小批量發(fā)展。產(chǎn)品更新周期快、設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大幅縮短。 技術(shù)上：計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的提高； 市場上：產(chǎn)品更新?lián)Q代快、競爭日趨激烈，全球化、專業(yè)化（小而精）越來越明顯； CAD/CAM技術(shù)給傳統(tǒng)機(jī)械制造的生產(chǎn)過程帶來了極其深刻的的變化*3常規(guī)CAD產(chǎn)品開發(fā)的一般流程是面向市場需求，提出目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，

2、進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，然后利用CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，建立數(shù)字化模型，然后利用數(shù)字化模型進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、虛擬裝配、模型修改、數(shù)控加工編程、生產(chǎn)調(diào)試和批量生產(chǎn)等，這樣一個(gè)從無到有的產(chǎn)品開發(fā)流程稱為正向工程（FE工程）。（Forward Engineering）。1.1 引言*4現(xiàn)實(shí)情況：很多情況下有產(chǎn)品實(shí)物、但原始設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字化模型并不可得，特別體現(xiàn)在對競爭對手產(chǎn)品分析。為了充分利用數(shù)字化制造技術(shù)的優(yōu)勢，需要根據(jù)產(chǎn)品樣件或?qū)嵨锏淖鴺?biāo)測量數(shù)據(jù)，重新建立其三維數(shù)字化模型，然后進(jìn)行力學(xué)分析、改型設(shè)計(jì)、數(shù)控加工。這種根據(jù)實(shí)物、樣件重新建立CAD模型的方法，與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)的過程正好相反

3、，它與數(shù)字化制造技術(shù)相結(jié)合，大大加快了產(chǎn)品的研制過程。逆向工程涉及范疇： 從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝等相關(guān)信息的技術(shù)，已成為CAD/CAM中相對獨(dú)立的范疇，統(tǒng)稱為逆向工程或反求工程（RE工程，Reverse Engineering）。1.1 引言*5逆向工程與正向工程正向工程 FE市場需求/設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性活動 產(chǎn)品逆向工程 RE已知事物 工程人員的消化、再創(chuàng)造 具有競 爭力的新產(chǎn)品*6傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)*7逆向工程設(shè)計(jì)福特汽車油泥模型*8新產(chǎn)品快速開發(fā)的三大技術(shù)*9逆向工程起源及發(fā)展提出逆向工程這種術(shù)語并作為一門學(xué)問去研究，則出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代初的日本。日本在60年代初提出科技立國

4、方針：“一代引進(jìn)，二代國產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國際市場”，其中在汽車、機(jī)械、電子、光學(xué)設(shè)備和家電等行業(yè)上最為突出。1945-1970年，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)（80為專利、圖紙）投資60億美元。（自行研制需1800-2000億美元）掌握每項(xiàng)技術(shù)需2-3年。（自行研制需1215年）60年代中期，機(jī)械工業(yè)研究經(jīng)費(fèi)16.9用于引進(jìn)，68.1用于消化、改造。逆向工程節(jié)省約60%的研究時(shí)間、90%的研究經(jīng)費(fèi) 引進(jìn)消化吸收改進(jìn)*1020世紀(jì)90年代初，起源于工業(yè)上精密測量和質(zhì)量檢測的逆向工程技術(shù)開始引起包括我國在內(nèi)的很多國家工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。當(dāng)前，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/C

5、AM技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)物的逆向工程，已成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的主要內(nèi)容。 在 ： 產(chǎn)品仿制、模具快速制造、三維服裝設(shè)計(jì)、玩具設(shè)計(jì)、電影特技、動畫制作、藝術(shù)品制作、動植物模擬、人體器官復(fù)制、地理地形測量與數(shù)字化再現(xiàn)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的革新。逆向工程起源及發(fā)展*111.2 逆向工程定義 廣義定義廣義的逆向工程包含了針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)，其研究對象包括產(chǎn)品實(shí)物、軟件（圖紙、程序、技術(shù)文件）或影像（圖像、照片）等，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)原理、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開發(fā)出同類的更為先進(jìn)的產(chǎn)品

6、。它是通過綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)造性思維，對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、消化吸收和再創(chuàng)造的過程，是對已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)不是簡單抄襲。包括 幾何逆向、工藝逆向、材料逆向和軟件逆向等 后三種難度遠(yuǎn)比第一種大。 如汽車車身材料逆向：金相分析，拉伸試驗(yàn)（沖壓雙向拉伸、材料強(qiáng)化、單向拉伸試驗(yàn)），仿真試驗(yàn)（根據(jù)零件厚度分布，調(diào)整材料參數(shù)模擬成形仿真）。*12狹義定義針對實(shí)物樣件的幾何形狀反求的“實(shí)物逆向工程”，即通過實(shí)物數(shù)字化技術(shù)和模型重建技術(shù)將實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，還原實(shí)物模型中包含的材料、工藝、形狀等諸多方面的原始設(shè)計(jì)意圖的過程，而后進(jìn)行分析、加工等處理。目標(biāo)在獲得實(shí)物基本數(shù)據(jù)的條件下，對數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行必要的處理，對模型進(jìn)行分析、修改、加工等。1.2 逆向工程定義*13逆向工程與從狹義上定義的逆向工程，屬于CAD的一個(gè)分支逆向工程將現(xiàn)代坐標(biāo)測量設(shè)備作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前置輸入裝置和原型或產(chǎn)品制造后的檢測手段，與RPM（快速原型制造）、CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造）相結(jié)合并形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的閉環(huán)系統(tǒng)，將有效提高產(chǎn)品的快速響應(yīng)能力，豐富幾何造型方法和產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段，其關(guān)鍵技術(shù)可用于其他許多領(lǐng)域，從而拓寬計(jì)算機(jī)輔助建模的應(yīng)用領(lǐng)域。*141.3 逆向工程的基本工作流程 *151.4 逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的仿制、改型設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和備件加工 飛機(jī)、艦船、渦輪葉片（特別是具有復(fù)雜型面，不便于直接測

8、繪的零件）計(jì)算機(jī)輔助檢測 全場誤差分布色譜圖、截面線誤差圖、單點(diǎn)誤差生物醫(yī)學(xué)工程 假肢制造、牙齒鑲復(fù)、頜面整形 、人體3D數(shù)模對外觀美學(xué)要求高和曲面形狀復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 汽車、摩托車、古董、人像、藝術(shù)品、卡通人物、立體動畫、多媒體虛擬實(shí)景*16需要用實(shí)物進(jìn)行功能、性能分析，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)定型的產(chǎn)品 模具制造、航空上渦輪葉片、飛機(jī)機(jī)翼單件快速復(fù)制 各種工業(yè)產(chǎn)品、人工關(guān)節(jié)、服裝地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System） 衛(wèi)星遙感測量，對大地遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識別和建模，建立三維數(shù)字化真實(shí)感地形圖、快速生成導(dǎo)彈目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤軌跡等。利用聲納獲得海底及港口的地下形貌

9、數(shù)據(jù)，利用幾何模型重建技術(shù)，將十分有利于資源利用、海底作業(yè)、海上交通、港口建設(shè)等1.4 逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域*17設(shè)計(jì)師概念草圖制作1:4黏土模型逆向工程應(yīng)用舉例*18 根據(jù)1:1電腦模型制作實(shí)物模型，修改完善 測量1:4模型，再在電腦中放大4倍 測量1:1模型及分界特征線1:1模型及分界特征線測量結(jié)果逆向工程應(yīng)用舉例*19從最初的概念草圖到新車上市，僅僅用了7個(gè)月（保時(shí)捷RIVAGE）逆向工程應(yīng)用舉例*20逆向工程的發(fā)展現(xiàn)狀新的測量手段和測量設(shè)備不斷出現(xiàn)。大大提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精度；同時(shí)，需處理的數(shù)據(jù)量也日益增多；正向工程軟件（CAD軟件）。 二維：AutoCAD；國產(chǎn)軟件在其上進(jìn)行的二次開

10、發(fā)。 三維：CATIA，Solidworks，UG， Pro/E 集CAD/CAE/CAM于一體，同時(shí)可進(jìn)行多剛體動力學(xué)仿真，具備完善的2D和3D設(shè)計(jì)功能。 *21逆向工程的發(fā)展現(xiàn)狀逆向工程軟件。 1. Imageware Surfacer 由美國 EDS 公司出品，后被德國Siemens PLM Software所收購，現(xiàn)在并入旗下的NX產(chǎn)品線，是最著名的逆向工程軟件之一，Imageware因其強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力、曲面編輯能力和A級曲面的構(gòu)建能力而被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。 擁有廣大的用戶群，國外有BMW、Boeing、GM、Ford、Toy

11、ota等著名國際大公司，國內(nèi)則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機(jī)制造公司等大企業(yè): 該軟件主要被應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)，*22逆向工程的發(fā)展現(xiàn)狀逆向工程軟件。 2. Geomagic 由美國Raindrop公司出品，是業(yè)界唯一一款結(jié)合了實(shí)時(shí)三維掃描、三維點(diǎn)云和三角網(wǎng)格編輯功能以及全面CAD造型設(shè)計(jì)、裝配建模、二維出圖等功能的三維正向、逆向設(shè)計(jì)軟件。目前在點(diǎn)云處理階段屬首先，處理速度快、精度高、功能非常強(qiáng)大。幾乎與市面上所有逆向掃描設(shè)備具備接口。 還可進(jìn)行非常精確的三維偏差質(zhì)量檢測，通過云圖顯示可以非常清楚的獲知建模后各處的偏差。實(shí)測沖壓件點(diǎn)云的STL 文件點(diǎn)云與CAD 數(shù)據(jù)的

12、比對結(jié)果實(shí)際沖壓件（凱越前縱梁）與CAD 數(shù)據(jù)的比對結(jié)果*23逆向工程的發(fā)展現(xiàn)狀逆向工程軟件。 3. DelcamDelcam軟件的研發(fā)起源于世界著名學(xué)府劍橋大學(xué)，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，Delcam軟件系列橫跨產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工、模具加工、逆向工程、藝術(shù)設(shè)計(jì)與雕刻加工、質(zhì)量檢測和協(xié)同合作管理等應(yīng)用領(lǐng)域。Delcam CAD/CAM系列軟件被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、家用電器、輕工產(chǎn)品和模具制造等行業(yè)。用戶包括空客、波音/麥道、哈飛、西飛、成飛、Toyota、Honda、Ford、Mercedes Benz、Siemens、Canon、LG、Nike、一汽集團(tuán)、東風(fēng)汽車集團(tuán)、珠海

13、格力等著名企業(yè)。 使用最廣的為：Powermill；CAD設(shè)計(jì)：Powershape； 逆向工程：CopyCAD；*24逆向工程的發(fā)展現(xiàn)狀逆向工程軟件。 4. CATIA CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品，目前是世界上最強(qiáng)大的高端三維正向設(shè)計(jì)軟件（低端為Solidworks）。 在汽車和飛機(jī)及航空設(shè)備開發(fā)上占據(jù)絕對領(lǐng)先地位。如CAE非線性分析：UGAdina，CATIAAbaqus。 CATIA具有最強(qiáng)大的曲面造型功能，同時(shí)擁有強(qiáng)大的逆向建模模塊，目前在逆向構(gòu)建曲面方面已成為首選。 這些軟件（模塊）通常具有測量數(shù)據(jù)處理、曲線處理、曲面處理、品質(zhì)檢測等功能特征；并且能夠?qū)⒆罱K重建的曲面或?qū)嶓w模型通

14、過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換格式，如IGES、STEP、STL等，與其它CAD/CAM系統(tǒng)集成或進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以便進(jìn)一步的應(yīng)用；*25國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)較早從事逆向工程研究的單位多為高等院校西安交通大學(xué)CIMS中心的面向CMM的逆向工程測量方法和基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的光學(xué)坐標(biāo)測量機(jī)的研究。上海交通大學(xué)國家工程模具中心的集成系統(tǒng)和自動建模技術(shù)。浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所的三角面片建模。南京航空航天大學(xué)CAD/CAM工程研究中心的基于海量散亂點(diǎn)三角網(wǎng)格面重建和自動建模方法。華中科技大學(xué)的曲面測量與重建和西北工業(yè)大學(xué)的數(shù)據(jù)點(diǎn)處理與建模等。起步晚、經(jīng)費(fèi)投入少，限制了高水平研究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學(xué)術(shù)領(lǐng)域，還沒

15、有形成較大的影響力。在應(yīng)用研究上，除一些實(shí)驗(yàn)室的小型軟件外，尚沒有自主開發(fā)的商用逆向工程軟件。*26逆向工程主要研究內(nèi)容數(shù)據(jù)采集測量數(shù)據(jù)預(yù)處理CAD模型重建快速原型制作*27數(shù)據(jù)采集獲取點(diǎn)的坐標(biāo)坐標(biāo)測量零件外形的數(shù)據(jù)采集通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，是實(shí)施逆向工程的第一步。目前實(shí)物坐標(biāo)測量的范圍和手段以驚人的速度發(fā)展，基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、衛(wèi)星遙感、三維微觀攝像等的測量設(shè)備，能夠獲得大如星球、天體，小如細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)的各種三維數(shù)據(jù)。*28影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的因素 測量方法本身的精度儀器的精度及調(diào)校測量范圍的限制夾具阻擋、樣件自身

16、結(jié)構(gòu)阻擋采集數(shù)據(jù)的局部缺少被測物體表面的光潔度零件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性分布*29測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振激光測距法激光三角形電磁學(xué)結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法使用環(huán)境：恒溫、恒濕*30接觸式坐標(biāo)測量機(jī) 接觸式測頭種類及其工作原理 (a)硬式測頭 (b)觸發(fā)式測頭 (c)模擬式測頭接觸式測頭工作原理圖*31硬測頭通過手動測頭接觸工件表面，由人眼及感覺做出判斷，再利用腳踏開關(guān)觸發(fā)。記錄觸發(fā)時(shí)接觸點(diǎn)坐標(biāo)值。由于接觸力的大小和接觸點(diǎn)的判斷完全依賴于操作者的感覺，極易產(chǎn)生誤差，多用于精度要求不太高的小型測量機(jī)，成本較低、操作簡單。按形狀可分為圓錐

17、測頭、圓柱形測頭、球形測頭、回轉(zhuǎn)半圓和回轉(zhuǎn)四分之一柱面測頭、盤形測頭、凹圓錐測頭、點(diǎn)測頭、V形塊測頭及直角測頭等。*32Micro Scribe 采用硬式測頭的小型測量儀Micro Scribe，主要用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)時(shí)對較小實(shí)物模型的測量。精度0.3mm左右。*33觸發(fā)式測頭觸發(fā)式測頭利用電子開關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機(jī)構(gòu)的開關(guān)，由電信號的通斷控制坐標(biāo)值的讀取。觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號由電子開關(guān)控制，故其重復(fù)性、準(zhǔn)確性較高，測量精度可達(dá)1m甚至更高，是現(xiàn)代三坐標(biāo)測量機(jī)最常用的測頭。按照測頭電子開關(guān)機(jī)構(gòu)所用的傳感器可以將觸發(fā)式測頭分為電觸式測頭、壓電式開關(guān)測頭、應(yīng)變片式測頭。*34

18、 觸發(fā)式測頭實(shí)例 *35模擬式測頭 模擬式（掃描式）測頭在接觸被測工件后，連續(xù)測得接觸位移，測頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精密量儀的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測頭。該類測頭的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，目前世界上只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。 *36 Renishaw SP600模擬式測頭實(shí)例Renishaw SP600M*37測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振電磁學(xué)激光測距法激光三角形結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*38三坐標(biāo)測量機(jī)

19、（CMM） 三坐標(biāo)測量機(jī)是典型的接觸式測量設(shè)備，20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種高效率的新型精密測量儀器。它廣泛地應(yīng)用于制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)部門。起初是作為一種檢測儀器，對零件和部件的尺寸、形狀及相互位置進(jìn)行檢測。此外，還可以用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，由于三坐標(biāo)測量機(jī)具有對連續(xù)曲面進(jìn)行掃描來制備數(shù)控加工程序的功能，因此一開始就被選為逆向工程的主要數(shù)字化設(shè)備并一直使用至今。三坐標(biāo)測量機(jī)基本原理 將被測物體置于三坐標(biāo)機(jī)的測量空間，它通過感知測量頭與工件表面的接觸，可獲得被測物體上各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置（在統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)下），根據(jù)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測的幾何尺寸、形狀和位置。

20、在三坐標(biāo)測量機(jī)上裝置分度頭、回轉(zhuǎn)臺（或數(shù)控轉(zhuǎn)臺）后，系統(tǒng)具備了極坐標(biāo)（柱坐標(biāo)）系測量功能，這種具有X、Y、Z、C四軸的坐標(biāo)測量機(jī)稱為四坐標(biāo)測量機(jī)。按照回轉(zhuǎn)軸的數(shù)目，也可有五坐標(biāo)或六坐標(biāo)測量機(jī)。 *39三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM） 三坐標(biāo)測量機(jī)需要三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)器(標(biāo)尺)，利用三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)沿相應(yīng)方向的運(yùn)動，還需要三維測頭對被測物進(jìn)行探測和瞄準(zhǔn)。此外，測量機(jī)還具有數(shù)據(jù)自動處理和自動檢測等功能，需要由相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)。三坐標(biāo)測量機(jī)可分為主機(jī)、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分。*40三坐標(biāo)測量機(jī)的組成主機(jī)框架結(jié)構(gòu) 標(biāo)尺系統(tǒng) 導(dǎo)軌 驅(qū)動裝置 平衡部件 轉(zhuǎn)臺與附件移動精度要求非常高 三維測頭

21、 三維測頭可在三個(gè)方向上感受瞄準(zhǔn)信號和微小位移，以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)和測微兩項(xiàng)功能。主要有硬測頭、電氣測頭、光學(xué)測頭等。*41三坐標(biāo)測量機(jī)的組成電氣系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件部分測量機(jī)軟件打印與繪圖裝置控制精度要求非常高將三坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用在逆向工程中，測量可通過人工操作逐點(diǎn)測量，也可通過編制測量程序進(jìn)行測量規(guī)劃實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間斷式數(shù)據(jù)測量，采集曲面的外形數(shù)據(jù)。在逐點(diǎn)式掃描測量時(shí)，通常是將測頭在橫向以等速或等間距逐點(diǎn)移動，再以等時(shí)間或等間距位置量取樣件在Z軸的坐標(biāo)。但當(dāng)工件輪廓有明顯起伏變化時(shí)，需要增加測量點(diǎn)來提高分辨率。*42優(yōu)點(diǎn)1.不受物體表面顏色及光照的限制；2.對物體邊界也能產(chǎn)生較準(zhǔn)確的測量結(jié)果；3.

22、測量精度高（一般能達(dá)到u級）；缺點(diǎn)：1.由于測頭的限制，可能丟失某些測頭不可到達(dá)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)；2.不能測量軟材料物體；3.測量速度受到機(jī)構(gòu)運(yùn)動的限制；4.測量過程需要較多人工干預(yù)，對大型自由曲面產(chǎn)品的測量效率較低。5.測頭接觸力產(chǎn)生誤差。6.測頭補(bǔ)償計(jì)算復(fù)雜，帶來誤差。三坐標(biāo)測量機(jī)的測量特點(diǎn)*43根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為橋式、龍門式等 半橋式CMM 龍門式CMM*44接觸式測量數(shù)據(jù)*45接觸式測量數(shù)據(jù)CAD模型重建與裝配*46測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振電磁學(xué)機(jī)械手激光測距法激光三角形結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*47機(jī)械手式測量機(jī) 機(jī)械手式

23、（關(guān)節(jié)臂式）測量機(jī)也是一種接觸式測量設(shè)備，與三坐標(biāo)測量機(jī)相比沒有精密的工作臺、立柱、導(dǎo)軌等裝置，機(jī)械手臂為關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)，具有多自由度?？捎米鲝椥宰鴺?biāo)測量機(jī)，傳感器可裝置在其爪部，各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度可由旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，由機(jī)構(gòu)學(xué)原理可求得傳感器在空間的坐標(biāo)位置。使用時(shí)操作者手持測量手臂，末端探針接觸被測量物體表面時(shí)按下按鈕，記錄坐標(biāo)和探針手柄方向，并通過串口線傳回測量軟件。這種測量機(jī)幾乎不受方向限制?？稍诠ぷ骺臻g做任意方向的測量，一般用于大型鈑金模具件的逆向工程測量。特點(diǎn)：精度相對CMM要低些，但測量范圍大，受被測物體的體積、形狀等的限制較少，測量機(jī)本身結(jié)構(gòu)小巧，測量方式相對靈活，適合在線測量。其他方

24、面與CMM相似。*48Faro ArmFaro 手動測臂值得注意的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，手動測臂也經(jīng)?？梢該Q上激光式測頭實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。*49光學(xué)測量設(shè)備 非接觸式測量主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要方法有激光測距法、激光三角形法、結(jié)構(gòu)光法、圖形分析法、干涉測量法等，光學(xué)測量設(shè)備具有測量速度快、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，由于沒有接觸壓力和摩擦力，消除了樣件受力變形導(dǎo)致的測量誤差，非常適合對各種復(fù)雜模型快速地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)采集（獲得海量的散亂點(diǎn)，俗稱點(diǎn)云）。光學(xué)測量法基本原理是通過將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。*50測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動

25、斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振電磁學(xué)激光測距法激光三角形結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*51激光測距法激光測距法是將激光束的飛行時(shí)間，通過光速c =299792458m/s 和大氣折射系數(shù)n 計(jì)算出被測點(diǎn)與參考平面間的距離。由于直接測量時(shí)間比較困難，通常是測定連續(xù)波的相位，稱為測相式測距儀。最大測距可達(dá)幾百米，精度為mm級。工業(yè)用激光測距儀手持式激光測距儀*52測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振電磁學(xué)激光三角形結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法激光測距法*53激光三角法測量特點(diǎn) 工作距離大，離樣件表面很遠(yuǎn)處也可對工件進(jìn)行測量。測量范圍大

26、，大測量范圍導(dǎo)致的非線性誤差，可以通過標(biāo)定，利用軟件進(jìn)行修正。測頭不與被測物體接觸，能對松軟材料的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能很好地測量到表面尖角、凹陷等復(fù)雜輪廓。數(shù)據(jù)采集速度很快，對大型表面可在CMM或數(shù)控機(jī)床上迅速完成數(shù)據(jù)采集，無需測頭補(bǔ)償。價(jià)格較貴，雜散反射，對于垂直壁等表面特征會影響采集精度。對被測材料、表面粗糙度、反射特性敏感，精度一般比CMM略低。*54激光三角測距原理激光三角形法利用光源與影像感應(yīng)裝置（如攝像機(jī)）間的位置與角度來推算點(diǎn)的空間坐標(biāo)。光電檢測器zox測量范圍激光束激光發(fā)生器聚光鏡成像鏡成像鏡*55激光三角法分為點(diǎn)測量、線測量和面測量*56激光測量法 激光三角測量常采用直射式

27、和斜射式兩種結(jié)構(gòu) 直射式 激光器發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡2聚焦后垂直入射被測物體的表面3上，物體移動或表面變化，入射光點(diǎn)沿入射光軸移動。接受透鏡接受來自入射點(diǎn)出的散射光，并將其成像在光敏位置探測器5敏感面上，若光點(diǎn)在成像面上的位移為 ，按下式可求出被測面的位移 。直射式*57 斜射式 是激光器發(fā)出的光和被測面的法線成一定角度入射到被測面上，同樣用一透鏡接受光點(diǎn)在被測面的散射光或反射光，若光點(diǎn)的像在探測器敏感面上移動，則物體表面沿法線方向的移動距離 為：斜射式*583D SCANNER*59彩色三維掃描儀輸出表面三維坐標(biāo)值和顏色信息3D SCANNER*603D SCANNER*61測量設(shè)備的分類

28、實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振激光測距法激光三角形電磁學(xué)結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*62結(jié)構(gòu)光測量法 結(jié)構(gòu)光法將一定模式的光，如條形光、柵格狀光，投射到被測物體表面，并捕獲光被曲面反射后的圖象，通過對比不同模式之間的差別來獲取樣件表面的三維點(diǎn)坐標(biāo)。最典型的結(jié)構(gòu)光是投影光柵。其原理是把光柵投射到被測樣件的表面上, 光柵影線會因受到樣件表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形, 通過解調(diào)變形的光柵影線來確定樣件表面的高度。結(jié)構(gòu)光法與圖象分析法的主要不同是該方法需要投射具有一定模式的人工光源，這種方法中最典型的是莫爾干涉條紋法。 一次可獲取大量數(shù)據(jù)（可達(dá)百萬點(diǎn)以上

29、） 測量結(jié)果受物體表面光學(xué)特性的影響（如透明、黑色等情況下都會產(chǎn)生問題）；*63結(jié)構(gòu)光法典型的雙目結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 *64沖壓模具測量現(xiàn)場標(biāo)記點(diǎn)定位*65底座測量現(xiàn)場*66測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振激光測距法激光三角形電磁學(xué)結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*67圖像分析法圖像分析法 利用一點(diǎn)在多個(gè)圖像中的相對位置，通過視差計(jì)算距離，從而得到點(diǎn)的空間坐標(biāo)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)自由拍攝 在被測物體上布設(shè)標(biāo)記點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，并拍攝多幅圖像。 各次拍攝時(shí)的成像平面自動解算目標(biāo)點(diǎn) 標(biāo)記點(diǎn)*68CCD相機(jī)測量/建模軟件圖象分析/多視圖幾何特征點(diǎn)

30、線數(shù)據(jù)/全局定位數(shù)據(jù)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖象抓取及非結(jié)構(gòu)光投射控制單元雙目立體成像分析投影裝置自由拍攝光學(xué)鏡頭/CCD2被測物體光學(xué)鏡頭/CCD1定位測量表面測量大型復(fù)雜產(chǎn)品需要多種光學(xué)方法的組合測量*69某型飛機(jī)實(shí)物及其測量數(shù)據(jù) *70測量設(shè)備的分類實(shí)物測量接觸式非接觸式破壞式機(jī)械手CMM自動斷層掃描光學(xué)聲學(xué)聲波定位儀MRI磁共振激光測距法激光三角形電磁學(xué)結(jié)構(gòu)光圖像分析法干涉測量法*71內(nèi)窺測量系統(tǒng) 以上介紹的測量方法，通常只能測量物體外表面的幾何形狀，而無法采集內(nèi)部或隱形結(jié)構(gòu)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對既具有復(fù)雜外形、又具有復(fù)雜內(nèi)部形腔和隱形結(jié)構(gòu)的成形件的測量上述方法就不適合（如航空發(fā)動機(jī)）。能夠同時(shí)測量物

31、體外表面和內(nèi)部空腔幾何形狀的測量設(shè)備我們通稱為內(nèi)窺測量系統(tǒng)。常見的內(nèi)窺測量系統(tǒng)主要有自動斷層掃描儀和工業(yè)CT。*72自動斷層掃描 采用逐層去除材料與逐層掃描相結(jié)合的方法獲得模型的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)。首先將待測零件用專用樹脂材料（填充石墨粉或顏料）完全封裝，待樹脂固化后，固定到銑床上，進(jìn)行微吃刀量切削，得到包含零件和樹脂材料的截面，移到CCD攝像機(jī)下，對當(dāng)前截面進(jìn)行數(shù)字化采樣，由于封裝材料與零件存在明顯邊界，利用濾波、邊緣提取、紋理分析、二值化等數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行邊界輪廓提取，得到輪廓的坐標(biāo)值。重復(fù)到銑床上切削一個(gè)片層、再分析截面圖像，直至得到模型各截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（實(shí)質(zhì)仍為表面形狀獲?。┫鄬I(yè)C

32、T，自動斷層掃描儀的設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用更低。由于基于像素提取，每層內(nèi)測得的數(shù)據(jù)量也較大。自動斷層掃描系統(tǒng)的明顯缺點(diǎn)是要破壞被測物體。市場上比較成熟的自動斷層掃描儀有美國CGI公司的RE1000。*73自動斷層掃描 *74工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（ICT，Industrial Computer Tomography）技術(shù)則提供了一種無損地再現(xiàn)物體內(nèi)、外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其材質(zhì)形態(tài)的數(shù)字層析技術(shù)。ICT是對實(shí)物樣件經(jīng)過ICT層析掃描后，獲得一系列斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，這些切片和數(shù)據(jù)提供了工件截面輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整信息。ICT技術(shù)是醫(yī)學(xué)CT獲得成功應(yīng)用之后向工業(yè)界的拓廣和延伸。ICT可對各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大、

33、中、小型成形件實(shí)施反求建模及質(zhì)量控制，也可用于技術(shù)破譯和產(chǎn)品故障、可靠性無損診斷、裝配結(jié)構(gòu)分析等。非破壞式測量方法：工業(yè)CT *75ICT測量與分析系統(tǒng)的基本組成*76ICT測量實(shí)例 (a) 被測實(shí)物 （b）重建的三維CAD模型 （c）部分?jǐn)鄬訄D像（d）部分?jǐn)鄬訄D像分割結(jié)果*77不同測量方式比較 測量方式非接觸掃描式接觸觸發(fā)式測量精度1100um0.11um傳感器模擬光電器件觸發(fā)式開關(guān)器件測量速度100020000點(diǎn)/秒低于10點(diǎn)/秒前置作業(yè)需進(jìn)行表面處理不需要處理基準(zhǔn)不需要建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系需要建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系工件材料不限定大于一定硬度測量死角光學(xué)陰影處工件內(nèi)部及其小尺寸孔，槽誤差曲率變化大則誤差

34、大測頭長則誤差大*78不同測量方式比較 測量方式非接觸掃描式接觸觸發(fā)式優(yōu)點(diǎn)測量速度快；不需進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償；可測量柔軟，易碎，不可接觸，薄壁件，毛皮等工件；不會損傷工件表面精度精度高；對測量零件的粗糙度，反射性能要求不高可以直接測量工件幾何特征缺點(diǎn)測量精度差，特別是工件與測頭不垂直時(shí)誤差較大；無法測量特定幾何特征；無法測量陡峭面；工件表面質(zhì)量對測量精度影響較大速度慢；需要對測量進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償；測頭測量各向異性影響測量精度；測頭易磨損，損傷工件表面精度；無法測量深孔，小孔，窄縫；曲面測量會引入測頭補(bǔ)償誤差；*79 快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping；RP)又稱快速原型制造(Rap

35、id Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。 快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。 快速成形技術(shù)與逆向工程技術(shù)配合使用可以實(shí)現(xiàn)樣件實(shí)物的快速重現(xiàn)。 快速成型技術(shù)*801、RP技術(shù)基本原理 快速成形技術(shù)是在計(jì)算機(jī)控制下，基于離散堆積的原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看，零件可視為“點(diǎn)”或“面”的疊加。從CAD電子模型中離散得到“點(diǎn)”或“面”的幾何信息，再與成形工藝參數(shù)信息結(jié)合，

36、控制材料有規(guī)律、精確地由點(diǎn)到面，由面到體地堆積零件。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維系統(tǒng)，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。 *812、RP技術(shù)的特點(diǎn)制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用； 原型的復(fù)制性、互換性高； 制造工藝與制造原型的幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)越； 加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，一般制造費(fèi)用降低50%，加工周期節(jié)約70%以上； 高度技術(shù)集成，可實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化；*82分層實(shí)體制造 LOM(Laminated Object Manufacturing) 其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割

37、箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實(shí)體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計(jì)算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。*83選擇性激光燒結(jié) SLS(Selective Laser Sintering) SLS法采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔

38、點(diǎn)的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行燒結(jié)的工藝還在研究之中。*84三維印刷（3D打?。?D打?。?D printing），它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。*85熔融沉積成型FDM(Fused Deposition Manufacturing) 又稱為熔絲沉積制造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成

39、液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時(shí)間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運(yùn)動一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該工藝的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需要幾個(gè)小時(shí)即可成型，且無污染。*86FDM的優(yōu)缺點(diǎn)FDM快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1）操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行。2）工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾。3）尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配?？煽焖贅?gòu)建瓶狀或中空零件。4）原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更

40、換。5）材料利用率高。6）可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF等。FDM快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)是：1）做小件或精細(xì)件時(shí)最高精度0.127mm。2）速度較慢。*87主要內(nèi)容逆向工程概論坐標(biāo)測量設(shè)備測量數(shù)據(jù)處理*88測量數(shù)據(jù)處理概述實(shí)物樣件的測量數(shù)據(jù)通常不能直接用于其三維模型重建，必須將其輸入CAD系統(tǒng)或?qū)Ｓ媚嫦蚬こ誊浖薪?jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理才能轉(zhuǎn)化為造型所需的數(shù)據(jù)，稱為造型數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵跍y量過程中存在以下一些對后續(xù)建模不利的問題。 為了消除測量數(shù)據(jù)中的各種“瑕疵”，必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，以滿足模型重建等后續(xù)應(yīng)用的需要。數(shù)據(jù)處理是逆向工程中的重要環(huán)節(jié)，將直接影響到后續(xù)模型

41、重建的可行性模型重建的質(zhì)量。*89數(shù)據(jù)瑕疵產(chǎn)生的原因樣件尺寸超過設(shè)備的測量范圍或樣件結(jié)構(gòu)上的遮擋等原因，對實(shí)物樣件進(jìn)行測量時(shí)，通常不能在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)一次測出。通常需要在不同視角對樣件進(jìn)行多次測量，然后通過坐標(biāo)變換將多個(gè)視角測得的數(shù)據(jù)合并為完整的模型數(shù)據(jù)。環(huán)境和人為因素，幾乎所有測量方式、測量系統(tǒng)在測量過程中將不可避免地存在誤差，使測量數(shù)據(jù)失真，尤其是尖銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)。噪聲數(shù)據(jù)，測量物體周邊其他的數(shù)據(jù)可能在掃描時(shí)包含進(jìn)來，如光學(xué)掃描時(shí)夾具、基座。*90現(xiàn)代化的非接觸式測量設(shè)備采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有密度高、數(shù)據(jù)量大、無序的特點(diǎn)（散亂點(diǎn)），通常稱之為“點(diǎn)云”(Point Clo

42、ud)?！包c(diǎn)云”除了包含用以表現(xiàn)模型形狀特性所必需的信息外，還包含了較多冗余的數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡以提高模型重建算法的效率。由于遮擋、干涉和測量設(shè)備的限制，通常會導(dǎo)致一部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，使測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)孔洞和缺口，增加模型重構(gòu)的難度。*91測量數(shù)據(jù)處理主要內(nèi)容測量數(shù)據(jù)的類型與格式多視拼合數(shù)據(jù)簡化數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)修補(bǔ)三角化數(shù)據(jù)分塊*923.2 測量數(shù)據(jù)類型 按照測量數(shù)據(jù)數(shù)量通常可以分為一般數(shù)據(jù)點(diǎn)和“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。早期的觸發(fā)式CMM自動化程度低、數(shù)據(jù)采集效率較低，其得到的數(shù)據(jù)通常密度小、數(shù)量少，可以稱為一般數(shù)據(jù)點(diǎn)。而除此之外的測量方法，如接觸式連續(xù)掃描技術(shù)、各類非接觸式測量技術(shù)，很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高精度、高

43、密度數(shù)據(jù)采樣，測量數(shù)據(jù)量可以達(dá)到幾十萬、幾百萬甚至上千萬，在逆向工程中通常將此類數(shù)據(jù)稱為“點(diǎn)云”（Point Cloud）。工程應(yīng)用中，測量數(shù)據(jù)通常都是這種密集、海量的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。*93“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)三維空間中的數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，為了能有效處理各種形式根據(jù)“點(diǎn)云”，可以根據(jù)點(diǎn)的分布特征(如排列方式、密度等)將“點(diǎn)云”分為：散亂“點(diǎn)云”（Scattered）掃描線“點(diǎn)云”（Scan Line）柵格“點(diǎn)云”（Grid）多邊形“點(diǎn)云”（Section Polyline）多面體網(wǎng)格“點(diǎn)云”（Polygonal Mesh ） *94散亂“點(diǎn)云”（Scattered） 測量點(diǎn)沒有明顯的幾何分布特性或結(jié)構(gòu)性，呈

44、散亂無序狀態(tài)。光學(xué)測量系統(tǒng)多張數(shù)據(jù)拼合后的模型。發(fā)動機(jī)罩測量點(diǎn)云拼合后發(fā)動機(jī)罩測量點(diǎn)云拼合前*95掃描線“點(diǎn)云”（Scan Line） 由一組掃描線組成，掃描線上所有點(diǎn)位于掃描平面內(nèi)。CMM、激光三角測量系統(tǒng)沿直線掃描的測量數(shù)據(jù)和線結(jié)構(gòu)光掃描測量數(shù)據(jù)。*96柵格“點(diǎn)云”（Grid） 所有點(diǎn)與參數(shù)域中一個(gè)均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)對應(yīng)。將CMM、激光掃描系統(tǒng)、投影光柵測量系統(tǒng)及立體視差法獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)格化插值后得到的“點(diǎn)云”即為柵格“點(diǎn)云”。為計(jì)算處理后得到的“點(diǎn)云”，非原始“點(diǎn)云”。*97多邊形“點(diǎn)云”（Section Polyline）測量點(diǎn)分布在一系列平行平面內(nèi)，用一小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干

45、相鄰點(diǎn)依次連接，可形成有嵌套的平行多邊形層切法、核磁共振、工業(yè)CT *98多面體網(wǎng)格“點(diǎn)云”（Polygonal Mesh）由多邊形平面片通過邊和頂點(diǎn)連接而成的分片線性曲面，多邊形網(wǎng)格對于復(fù)雜拓?fù)涞膸缀涡螤畹拿枋瞿芰?qiáng)，通過對多邊形進(jìn)行消隱著色，又可以得到較好的視覺效果其中三角網(wǎng)格(Triangular Mesh)由于其簡單性和典型性得到更多的研究和應(yīng)用。*99有序點(diǎn)云包含點(diǎn)的坐標(biāo)位置和測點(diǎn)的數(shù)據(jù)組織形式（掃描線、柵格、多邊形和多面體網(wǎng)格 “點(diǎn)云” ）高密度“點(diǎn)云”、低密度“點(diǎn)云”CMM的測量“點(diǎn)云”為低密度“點(diǎn)云”，通常在幾十到幾千點(diǎn)之間，而測量速度及自動化程度較高的光學(xué)法和斷層測量法獲得的

46、測量數(shù)據(jù)為高密度“點(diǎn)云”，點(diǎn)數(shù)量一般從幾萬到幾百萬點(diǎn)不等。不同的測量數(shù)據(jù)需要的預(yù)處理操作也不盡相同，但總的說來，預(yù)處理階段包含：多視拼合、三角剖分、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)修補(bǔ)和數(shù)據(jù)分塊等。點(diǎn)云分類*1003.3 多視拼合對齊問題開始是在計(jì)算機(jī)動畫及圖形學(xué)研究中提出，主要是用于處理模型的剛體運(yùn)動以及剛性物體相對一個(gè)參考的位置，包括三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集、線段、自由曲線、曲面的對齊，其中三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集對齊是一種常見的對齊處理問題，一些形狀描述開始是以點(diǎn)集形式表現(xiàn)的領(lǐng)域，如產(chǎn)品逆向工程，計(jì)算機(jī)圖像處理等需要進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊處理。*101問題的來源樣件不能一次測出產(chǎn)品尺寸超出測量機(jī)的行程，在部分區(qū)域測量探頭受被測實(shí)

47、物幾何形狀的干涉阻礙以及不能觸及產(chǎn)品的反面，一次測量結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量不好，需補(bǔ)測。配合件由于配合要求，希望整體裝配測量，能在同一坐標(biāo)系下，但無法直接獲得諸如汽車、摩托車的外形覆蓋件，其外觀的質(zhì)量及零件的配合輪廓的貼合、共線要求較高，由于測量及造型過程中的誤差，如果基于零件設(shè)計(jì)，在裝配時(shí)會出現(xiàn)配合邊界不一致，貼合性不好，修改曲面邊界會使曲面的光順性變差。*102定義多視拼合在幾何模型構(gòu)建時(shí)必須將這些不同坐標(biāo)系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，此數(shù)據(jù)處理過程稱為多視拼合(Registration)，或重定位等。將數(shù)據(jù)點(diǎn)集看作一個(gè)剛體（數(shù)據(jù)點(diǎn)運(yùn)動時(shí)只存在坐標(biāo)變化、不產(chǎn)生形狀變化），兩個(gè)

48、數(shù)據(jù)點(diǎn)集的對齊都屬于空間剛體移動，因此多視對齊可看作空間兩個(gè)剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，問題歸結(jié)為求解相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，移動矩陣T和旋轉(zhuǎn)矩陣R。*103數(shù)據(jù)融合由于進(jìn)行多次測量，經(jīng)過多視定位之后的數(shù)據(jù)不可避免地存在重疊區(qū)（重疊數(shù)據(jù)），因此應(yīng)對重疊區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，從而使這些數(shù)據(jù)能夠形成一個(gè)單一的數(shù)據(jù)點(diǎn)集。數(shù)據(jù)融合一方面需要保證視圖之間數(shù)據(jù)的平滑過渡，另外一方面又不能使原有的數(shù)據(jù)產(chǎn)生過多的“失真”。主要方法：基于點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)融合*104基于點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合一般通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的簡單疊加來實(shí)現(xiàn)，這樣會使重疊區(qū)域出現(xiàn)大量冗余的數(shù)據(jù)（局部數(shù)據(jù)點(diǎn)過密），而且如果在定位階段精度不是很高的話，數(shù)據(jù)的簡單疊加會破壞原

49、有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的鄰接關(guān)系，對后續(xù)的處理帶來不利的影響。方法： 1.加權(quán)平均； 2. 網(wǎng)格求交與合并，一個(gè)為點(diǎn)云，一個(gè)為網(wǎng)格，根據(jù)點(diǎn)云采用網(wǎng)格偏移；*1053.4 數(shù)據(jù)簡化問題的提出 目前，激光掃描技術(shù)在精確、快速地獲得數(shù)據(jù)有了很大的進(jìn)展，三坐標(biāo)激光掃描機(jī)在逆向工程數(shù)據(jù)測量有取代接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)之勢。但激光掃描測量每分鐘會產(chǎn)生成千上萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，怎樣處理這些大批量的數(shù)據(jù)成為基于激光掃描測量造型的主要問題。如果直接對點(diǎn)云進(jìn)行造型處理，大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理也成了不可突破的瓶頸，從數(shù)據(jù)點(diǎn)生成模型表面要花很長一段時(shí)間，整個(gè)過程也會變得難以控制。實(shí)際上并不是所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)對模型重建都有用，因此有必要在

50、保證一定精度的前提下減少掃描數(shù)據(jù)量，減少冗余數(shù)據(jù)信息，同時(shí)保證后續(xù)建模的精度。*106數(shù)據(jù)簡化通常需要針對各種“點(diǎn)云”類型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)針對性強(qiáng)的精簡算法。掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云(等間距均勻簡化、倍率簡化、等量簡化、弦偏差簡化等)散亂點(diǎn)云(隨機(jī)采樣、均勻（非均勻）網(wǎng)格、法向距離簡化等)網(wǎng)格化“點(diǎn)云”(等分布密度法、最小包圍區(qū)域法進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減)兩種控制方法：1.指定簡化數(shù)量。 指定簡化后所保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以兩測點(diǎn)間的最短距離建立該優(yōu)先隊(duì)列，首先刪除測點(diǎn)中距離最近的一個(gè)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)點(diǎn)集達(dá)到預(yù)先指定的個(gè)數(shù)。2.指定距離。指定數(shù)據(jù)點(diǎn)間的臨界距離，若兩個(gè)測點(diǎn)間的距離小于臨界距離，則兩點(diǎn)中的一個(gè)將被刪除。

51、*107數(shù)據(jù)平滑在獲得產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)時(shí)，由于測量環(huán)境的振動、表面光潔度、表面涂層對光線的反射率等因素的影響，會引起測量噪聲。另外，由于某些測量方法本身的特點(diǎn)，使測量數(shù)據(jù)在陡峭直壁和尖銳棱邊處的測量數(shù)據(jù)很不可靠，存在較大的噪聲。因此，測量數(shù)據(jù)中存在噪聲點(diǎn)是不可避免的。為了降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，因?yàn)樵胍魯?shù)據(jù)一般具有較高的頻率特性，運(yùn)用信號處理中的原理，通過設(shè)計(jì)合適的濾波函數(shù)，對呈現(xiàn)高頻信號的噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。*108數(shù)據(jù)平滑常用的濾波方法高斯濾波在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，平均效果較小，濾波的同時(shí)能較好的保持原數(shù)據(jù)形貌。平均濾波是采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)

52、據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值。中值濾波是采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值，消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好，為典型的低通濾波器。 （a）高斯濾波 （b）均值濾波 （c）中值濾波實(shí)心圓點(diǎn)表示原始數(shù)據(jù)，空心原點(diǎn)表示濾波平滑后的數(shù)據(jù)*1093.6 數(shù)據(jù)修補(bǔ) 在測量過程中，由于遮擋和測量設(shè)備的限制，會導(dǎo)致一部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，使測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)孔洞和缺口，增加模型重構(gòu)的難度。為了盡可能地獲得完整的模型信息以利于重建算法的設(shè)計(jì)和提高重構(gòu)精度，有必要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)。數(shù)據(jù)修補(bǔ)是利用周邊數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)信息插值缺損處的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此需要建立數(shù)據(jù)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。缺少部位：1.邊緣缺失；2.中間缺失；一般在三角化之后進(jìn)行修補(bǔ)；基本思路利

53、用孔洞缺陷處的局部測量點(diǎn)構(gòu)造一張逼近缺陷處形狀的曲面，在曲面上采樣得到修復(fù)數(shù)據(jù)。*1103.6 數(shù)據(jù)修補(bǔ)實(shí)例 *111三角網(wǎng)格化（三角剖分） 問題的提出 模型比較簡單，對于復(fù)雜拓?fù)涞膸缀涡螤畹拿枋瞿芰?qiáng)，相關(guān)算法也較為成熟，目前大多數(shù)幾何造型系統(tǒng)都支持三角網(wǎng)格模型。用其他方式表示的模型，如參數(shù)曲面模型、實(shí)體模型，在進(jìn)行真實(shí)感顯示、數(shù)控加工刀具軌跡生成、快速原型制造等應(yīng)用中常常也需要先將模型轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格模型。三角網(wǎng)格模型在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、幾何造型、快速原型制造、數(shù)控加工編程、干涉檢查、有限元分析、電影特技制作、醫(yī)用圖象生成、真實(shí)感地理地形圖的制作等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著光學(xué)

54、測量設(shè)備的發(fā)展，稠密散亂數(shù)據(jù)的三角化成為逆向工程中的研究熱點(diǎn)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格化的目的是形成一個(gè)連接測量點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠表示測點(diǎn)的鄰接關(guān)系和模型的正確全局拓?fù)洹?112三角化算法應(yīng)考慮的主要問題 數(shù)據(jù)的分布是不規(guī)則的，可能有開放的邊界或孔洞，甚至可能是由多個(gè)獨(dú)立的部分組成；生成的三角網(wǎng)格應(yīng)該保證二維流形；算法應(yīng)該有較高的效率和魯棒性。 *113三角化實(shí)例*114數(shù)據(jù)分塊 對復(fù)雜外形的零件，用單張曲面擬合整體外形數(shù)據(jù)會帶來極大的誤差甚至難以實(shí)現(xiàn)，通常需要根據(jù)實(shí)物樣件的原始構(gòu)形規(guī)律，將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，重現(xiàn)模型的基本型面、過渡、裁剪等信息，即將數(shù)據(jù)劃分為代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)區(qū)域，使同一區(qū)

55、域具有相同或相似的幾何特性。 模型上各區(qū)域的邊界通?？梢苑譃閮煞N類型：尖銳邊界(Sharp Edge)和光滑邊界(Smooth Edge)。在尖銳邊界處相鄰曲面的法矢不連續(xù)，而光滑邊界處相鄰曲面法矢保持連續(xù)而曲率不連續(xù)。 如圖所示零件模型，包含了G0連續(xù)的尖銳棱邊和倒圓形成的G1連續(xù)的光滑邊。設(shè)計(jì)自動化的數(shù)據(jù)分塊算法的關(guān)鍵是有效地識別這兩種邊界，并且以它為依據(jù)形成各數(shù)據(jù)分塊的邊界。*115分塊目的當(dāng)采集的數(shù)據(jù)是模型的整體外形數(shù)據(jù)時(shí)，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。數(shù)據(jù)分塊的目的是將具有相似幾何特性的區(qū)域?qū)⒁苑指?，以便后續(xù)的曲面擬合和特征重建。裝配件需將零件分開；即使是同一零件，不同曲面需分別擬合，因?yàn)橐话阏?/p>

56、體擬合精度不高；一個(gè)大的曲面，有時(shí)需要分成多個(gè)的曲面片才能擬合，由于B樣條是張量積曲面，盡量保證每個(gè)曲面片是四邊界。*116分塊方法按操作使用角度，分兩類自動與交互自動方法基于邊的方法基于面的方法基于邊和面的混合方法手工交互目前自動方法還很不成熟，主要處于研究階段，不少軟件主要依靠用戶交互。*117CAD模型重建概述測量數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，就可以進(jìn)行CAD模型重建了，以便后續(xù)的CAM、CAE等的需要。根據(jù)不同應(yīng)用場合， CAD模型重建主要分：曲面重建B樣條曲面。一般自由通常采用Bezier、B樣條、非均勻有理B樣條(NURBS)等參數(shù)曲面形式表示。其中NURBS能兼容Bezier和B樣條表示，為

57、絕大多數(shù)CAD/CAM軟件所支持。從另一方面，B樣條是NURBS的一種簡化，在一般情況下通常用B樣條來進(jìn)行曲面擬合就能滿足要求。規(guī)則面。平面和二次曲面。二次曲面有如圓柱面、圓錐面、橢圓面等。實(shí)體重建實(shí)體模型。兩種構(gòu)造方式：基于曲線構(gòu)面和直接構(gòu)建曲面；*118基于曲線的曲面造型基本流程 *119曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，從逆向工程的角度來講，曲線的好壞，會影響后續(xù)曲面模型的重建。一種常用的模型重建方法是，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過插值（Interpolation）或逼近（Approximation）擬合成參數(shù)曲線（參數(shù)多項(xiàng)式曲線或樣條曲線），再利用曲面造型工具，如掃掠（Sweep）、放樣（Loft）、邊界曲面（

58、Boundary）等，完成曲面片造型，再通過曲面延伸、求交、裁剪、過渡等方法，得到完整的曲面模型，這也是Imageware、Geomagic等軟件所主要采用的曲面造型方法。實(shí)際構(gòu)建時(shí)，曲線獲取可以通過截面法獲得；曲線獲得后需要進(jìn)行光順處理；基于曲線的曲面造型基本流程 *120測量數(shù)據(jù)的直接曲面擬合 基于曲線的曲面重建方法通常適合于處理數(shù)據(jù)量不大、而且數(shù)據(jù)呈有序排列的情況。曲面模型重建的另一種方法是直接對測量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片的擬合，再對重建的曲面片進(jìn)行延伸、求交、裁剪、混合、連接等高級處理，獲取最終的曲面模型。*121測量數(shù)據(jù)的直接曲面擬合 大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)中所包含的曲面類型，按幾何復(fù)雜性分類可得到以下層次類型圖：*122重建模型的精度評價(jià) 模型精度評價(jià)主要解決以下問題：由逆向工程中重建得到的模型和實(shí)物樣件的誤差到底有多大。所建