逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用（第3版）課件：三維數(shù)據(jù)掃描

三維數(shù)據(jù)掃描

了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)的分類及相應(yīng)的測量原理，掌握接觸式測量與非接觸式測量的不同技術(shù)特點。通過三個不同的數(shù)據(jù)掃描案例，了解三維數(shù)據(jù)掃描的流程及方法。能力目標(biāo)知識要點了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描方法及種類數(shù)據(jù)掃描方法及分類掌握接觸式測量與非接觸測量技術(shù)特點接觸式測量和非接觸測量了解數(shù)據(jù)掃描的流程掃描前處理、掃描規(guī)劃、掃描了解掃描儀使用的基本方法及技巧三種非接觸光學(xué)掃描設(shè)備基本操作學(xué)習(xí)目標(biāo)主要內(nèi)容任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描任務(wù)二儲蓄罐外形測量任務(wù)三車燈燈罩外形測量任務(wù)四風(fēng)扇外形測量表面數(shù)據(jù)測量非接觸式接觸式光學(xué)式非光學(xué)式觸發(fā)式機械手臂三角形法結(jié)構(gòu)光法激光干涉法計算機視圖法

CT測量法MRI測量法層切法超聲波法一、數(shù)據(jù)獲取方法的分類任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描接觸測量，點測量精度幾個μm測量速度慢二、接觸式數(shù)據(jù)掃描——三坐標(biāo)測量機CMM

接觸式測量特點測量精度高與被測物體表面的顏色、外形無關(guān)，對光強無要求可直接測量特征尺寸測量速度慢適用于硬質(zhì)表面，軟質(zhì)表面易變形球頭半徑補償測量時需要固定和定位基準(zhǔn)非接觸測量，線測量精度幾十個μm測量速度較快三、非接觸式光學(xué)掃描——激光掃描測量三、非接觸式光學(xué)掃描——結(jié)構(gòu)光掃描測量采用的照相式三維掃描技術(shù)。利用相位和立體視覺技術(shù)的結(jié)合，在物體表面投射光柵。利用相位和外極線實現(xiàn)兩幅圖像上的點的匹配，利用定標(biāo)了的攝像機系統(tǒng)，計算點在三維空間坐標(biāo)，以實現(xiàn)物體表面三維輪廓的測量。以德國Gom公司為代表的Atos三維光學(xué)掃描儀是基于雙目式光柵投影測量技術(shù)的設(shè)備。國外稱為whitelightscanner,白光3D掃描儀非接觸掃描儀—結(jié)構(gòu)光三維掃描儀

（北京天遠上海數(shù)造機電蘇州西博）北京天遠OKIO-I/II/V3DSSLED白光掃描儀3DSS藍光掃描儀XTOM型三維光學(xué)面掃描儀

三、非接觸式光學(xué)掃描——特點

(1)測量速度快，不必逐點測量，測量面積大，數(shù)據(jù)較為完整。

(2)可以直接測量材質(zhì)較軟以及不適合直接接觸測量的物體，如橡膠、紙制品、工藝品、文物等。（3）須進行測頭半徑補償。

(4）對零件表面的反光程度、顏色等有較高要求，工件表面的明暗程度會影響測量的精度。

(5)測量精度一般，特別是相對于接觸式測頭測量數(shù)據(jù)而言。

(6)對于一些細節(jié)位置，如邊界、縫隙、曲率變化較大的曲面容易丟失數(shù)據(jù)。

(7)陡峭面不易測量，激光無法照射到的地方便無法測量。三、非接觸式非光學(xué)掃描——斷層掃描可以測量物體表面、內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)特征

破壞性測量——層去掃描法非破壞性測量——CT測量法——MRI測量法

——超聲波測量法結(jié)構(gòu)光、激光掃描儀和三坐標(biāo)測量機比較

結(jié)構(gòu)光（白光）激光掃描儀三坐標(biāo)測量機系統(tǒng)體積小一般大系統(tǒng)重量輕、方便移動一般、可移動重、不可移動掃描方式面點、線點測量精度高較高高測量范圍大一般小測量時間小于5秒10分鐘--數(shù)小時數(shù)小時--數(shù)天安裝設(shè)置簡單一般需調(diào)試維護難度容易一般難、嚴格工作環(huán)境不嚴格一般嚴格適用范圍所有物體廠家不同而不同硬物體的測量掃描精度應(yīng)滿足實際的需要；掃描速度快，盡量減少測量在整個逆向過程中所占有的時間；數(shù)據(jù)掃描要完整，以減少數(shù)模重構(gòu)由于數(shù)據(jù)缺失帶來的誤差；數(shù)據(jù)掃描過程中不能破壞原型；降低數(shù)據(jù)掃描成本。數(shù)據(jù)掃描滿足以下要求：對自由曲面形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用非接觸光學(xué)測量的方法，對規(guī)則形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用接觸式測量。非接觸光學(xué)掃描的前處理

表面處理

（1）噴亞光漆、白色顯像劑：黑色銹蝕表面、透明表面、反光面（2）清洗：工件表面的灰塵、鐵屑等更會帶來測量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點云數(shù)據(jù)不佳。

非接觸光學(xué)掃描的前處理

貼標(biāo)記點或標(biāo)識點

(1)對于一些大型物體（比如汽車覆蓋件），或者需要多幅測量進行拼接時，需要根據(jù)視角在物體的表面貼上一些標(biāo)記點。

(2)標(biāo)記點用來協(xié)助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的，是多視覺注冊拼合的特征點。(3)標(biāo)記點可以是掃描物體本身的特征點、可以用筆畫在紙上的標(biāo)記、或用橡皮泥捏成的標(biāo)記點。如果自動拼合，標(biāo)記點是一個個黑白的專用標(biāo)記點掃描規(guī)劃精確掃描——對曲率變化大的地方數(shù)據(jù)盡量采集完整；高效掃描——數(shù)據(jù)掃描的次數(shù)少、數(shù)據(jù)量盡量小、縮短掃描時間。任務(wù)二儲蓄罐外形測量任務(wù)分析

儲蓄罐造型為一卡通龍形狀，細節(jié)特征多且不規(guī)則，較好的掃描方法應(yīng)選非接觸式的，儲蓄罐造型只需處理外形數(shù)據(jù)后抽殼即可?？履峥滥苓_三維掃描儀VIVID９10i

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儲蓄罐形如卡通龍，在表面有足夠明顯的細節(jié)特征，這些特征作為多視覺數(shù)據(jù)掃描拼合時的標(biāo)記點已足夠，所以不需再加標(biāo)記點。但表面金色反光，所以噴上白色的顯像劑。儲蓄罐掃描前處理按圖所示的姿態(tài)，從上往下掃描時，脖子里及招財牌子下面的數(shù)據(jù)都掃不到，先掃一圈，然后再倒過或橫過來掃描脖子和牌子下面的數(shù)據(jù)，最后再掃描頭頂和腳底。在掃描頭頂和腳底時，要把側(cè)面的特征也帶上，便于數(shù)據(jù)的拼合。儲蓄罐掃描規(guī)劃任務(wù)三車燈外形測量任務(wù)分析車燈燈罩形狀，由幾個大的流線曲面組成，且內(nèi)外特征不同，需要掃描內(nèi)、外兩面，細節(jié)過渡特征不明顯，最好能夠自動拼接，為此通過貼專用的標(biāo)記點，自動拼合。

優(yōu)勢：連續(xù)掃描、自動拼接，實時渲染、操作簡單，小巧玲瓏、便于攜帶（0.98KG)技術(shù)參數(shù)重量

0.98kg(2.1磅)尺寸

160x260x210mm(6.2x10.2x8.2英寸)測量速度

18,000點/秒激光等級II(眼睛安全)XY軸精度高達0.05mm(高達0.002英寸)Z軸精度

0.1mm(0.004英寸)數(shù)據(jù)接口

Firewire電源接口

Firewire車燈掃描前處理1）表面銀色反光，所以噴上白色的顯像劑。2）自動拼合，所以需要在貼專用的標(biāo)記點貼標(biāo)記點合適的標(biāo)記點不合適的標(biāo)記點

為了使內(nèi)外表面數(shù)據(jù)自動歸到同一坐標(biāo)下，可采用以下兩種掃描方式：（1）為了內(nèi)外面自動數(shù)據(jù)拼合，先掃描標(biāo)記點。借助內(nèi)、外表面標(biāo)記點，再掃描零件的內(nèi)、外表面，這樣內(nèi)外表面掃描數(shù)據(jù)會地自動拼合在一起。（2）先完成一個表面的掃描，轉(zhuǎn)動掃描件，借助貼有標(biāo)記點的底板上的輔助點獲取被測物體另一表面的標(biāo)識點，完成另一面的掃描。

掃描規(guī)劃（1）數(shù)據(jù)掃描方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類。非接觸光學(xué)掃描是逆向數(shù)據(jù)采集的主要方法。非接觸光學(xué)掃描設(shè)備很多，不同的掃描設(shè)備，雖然由于掃描的原理不同，掃描軟件操作方法不同，但掃描的宗旨是相同的，就是使在不同視覺的掃描數(shù)據(jù)能夠拼合成所要的數(shù)據(jù)模型。小結(jié)（2）在非接觸光學(xué)掃描時，首先要做好掃描件的預(yù)處理。為了達到更好的掃描效果，任何發(fā)亮的、黑色的、透明的或反光的（鏡子、金屬面）都應(yīng)該噴涂白色粉末。為了能實現(xiàn)手工注冊拼合或掃描過程中自動拼合，在物體表面合理粘貼標(biāo)記點。其次要做好掃描規(guī)劃，以提高掃描效率。掃描時按照一定的順序（朝一個方向）旋轉(zhuǎn)掃描件或移動掃描設(shè)備