逆向工程課件

第六章逆向工程與快速原型6.1逆向工程概述6.2逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理6.3逆向工程應(yīng)用實(shí)例6.4快速原型與快速模具本章小結(jié)第六章逆向工程與快速原型6.1逆向工程概述

6.1逆向工程概述

1.正向工程

一般工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)是從確定預(yù)期功能與規(guī)格目標(biāo)→構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)→進(jìn)行每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)→制造→檢驗(yàn)→裝配→性能測試等程序完成整個(gè)開發(fā)過程，每個(gè)零部件都有設(shè)計(jì)圖紙，按確定的工藝文件加工。這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式(PrescriptiveModel)，此類開發(fā)工作稱為正向工程(ForwardEngineering)或正向設(shè)計(jì)。產(chǎn)品正向開發(fā)的流程如圖6-1所示。圖6-1正向工程開發(fā)流程圖6.1逆向工程概述

1.正向工程

一

2.逆向工程

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技信息的傳播速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，人們追求完美與個(gè)性化的消費(fèi)需求使產(chǎn)品品種越來越多，批量越來越小，企業(yè)間的競爭不再只是質(zhì)量與成本上的競爭，而更重要的是時(shí)間的競爭。以已有產(chǎn)品為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今的一條設(shè)計(jì)理念。如何博采眾家之長，充分吸收和利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造成果，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)立足于更高的起點(diǎn)，是世界各國都十分關(guān)注的問題。逆向工程技術(shù)在此背景下受到人們的關(guān)注。2.逆向工程

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高

逆向工程，也稱為反求工程，英文是reverseengineering

逆向技術(shù)包括影像逆向、軟件逆向及實(shí)物逆向等三方面。

目前相對(duì)最多人研究的是實(shí)物逆向技術(shù)。它是研究實(shí)物CAD模型的重建和最終產(chǎn)品的制造。

狹義來說，三維逆向技術(shù)是將實(shí)物模型數(shù)據(jù)化成設(shè)計(jì)、概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化等技術(shù)。

逆向工程，也稱為反求工程，英文是reverse(1)實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測繪和分析，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實(shí)物逆向的對(duì)象可以是整機(jī)、零部件和組件。

(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；只有實(shí)物而無技術(shù)軟件；沒有實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。

(3)影像逆向：設(shè)計(jì)者既無產(chǎn)品實(shí)物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計(jì)者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計(jì)產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。

目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱為“實(shí)物逆向工程”。(1)實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測繪和分析，

逆向工程通常是對(duì)某一實(shí)物樣件或模型(稱為零件原型，如汽車的外形、鞋楦模等)進(jìn)行仿制和創(chuàng)新。

目前，針對(duì)已有樣件(尤其是包含有復(fù)雜不規(guī)則自由曲面的樣件)，可利用三維數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，在逆向軟件中構(gòu)建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統(tǒng)作進(jìn)一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼(加工路徑)，送至數(shù)控機(jī)床(CNC)制作所需模具，或者由快速成型機(jī)(RP)將樣品模型制作出來。其流程如圖6-2所示。逆向工程通常是對(duì)某一實(shí)物樣件或模型(稱為零件原型，如汽車

逆向工程主要包括以下四個(gè)步驟：

(1)零件原型的數(shù)字化：利用三坐標(biāo)測量機(jī)或激光掃描儀等測量裝置獲取零件原型表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

(2)零件原型的特征識(shí)別與提取：按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配的方法獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。

(3)零件原型CAD模型的重建：將三維測量數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交、裁剪和拼接，獲取零件原型的CAD模型。

(4)CAD模型的檢驗(yàn)與修正：根據(jù)重構(gòu)的CAD模型重新測量或加工出樣品等方法，檢驗(yàn)構(gòu)建的CAD模型是否滿足精度要求，對(duì)不滿足要求者，重復(fù)以上的模型重建過程，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。逆向工程主要包括以下四個(gè)步驟：

(1)零件原型的數(shù)實(shí)物測量反求技術(shù)起始于用油泥模型設(shè)計(jì)汽車、摩托車外形，現(xiàn)已成為模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、制鞋業(yè)、醫(yī)學(xué)工程等行業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的重要工具，廣泛地用于產(chǎn)品改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，特別適合具有復(fù)雜曲面外形的產(chǎn)品。該技術(shù)極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品精度。據(jù)國外產(chǎn)品設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)，正向設(shè)計(jì)僅占40%以內(nèi)，而逆向工程已占60%以上。實(shí)物測量反求技術(shù)起始于用油泥模型設(shè)計(jì)汽車、摩托車外形，現(xiàn)承載式車身承載式車身逆向工程產(chǎn)品開發(fā)模式

逆向設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)或樣機(jī)到產(chǎn)品完整設(shè)計(jì)信息的快速獲取。

(1)逆向設(shè)計(jì)

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工程中，設(shè)計(jì)師對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的構(gòu)思，往往難于直接在計(jì)算機(jī)或圖紙上表達(dá)。此時(shí)首先可做成理想外形的泥?；蛐g(shù)模，然后利用二維測量系統(tǒng)進(jìn)行快速測量，把模型的尺寸、形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維CAD數(shù)據(jù)。

逆向工程產(chǎn)品開發(fā)模式

逆向設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)或樣(2)仿真制造

在解剖和仿真制造國內(nèi)外先進(jìn)樣機(jī)或失去供貨渠道的關(guān)鍵零件時(shí)，由于形狀復(fù)雜、精度很高，很難用人工精確測繪，可先用逆工程技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行精確測量，然后輸出CNC代碼，即可仿制出該零件。

(3)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

使用逆向工程技術(shù)可以對(duì)零件進(jìn)行整體測量，并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)可以對(duì)測量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。(2)仿真制造

在解剖和仿真制造國內(nèi)外先進(jìn)樣機(jī)或失逆向工程設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的基本方法

逆向工程主要通過以下步驟來實(shí)現(xiàn):數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)恢復(fù)及修補(bǔ)，原始部件的分解，模型信息處理及CAD模型的建立，部件裝配，產(chǎn)品功能模擬，再設(shè)計(jì)等。

(1)數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣是逆工程的最基木的步驟，它從己有的實(shí)物獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。通常采用二維激光掃描儀，二維數(shù)字化儀，物體多角度照片等數(shù)字化辦法來快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。通過二維圖形處理技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)以二維圖形的方式顯示出來，得到直觀簡略的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形。逆向工程設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的基本方法

(2)數(shù)據(jù)分析

分析原來物體的結(jié)構(gòu)。物體結(jié)構(gòu)包括物體的邏輯結(jié)構(gòu)、物體的功能結(jié)構(gòu)、物體包含的標(biāo)準(zhǔn)件、材料構(gòu)成、物體表面的顏色分布、各個(gè)部件的幾何尺寸、不同部件之間的裝配方式及不同部件之問的幾何尺寸約束等。為此，要建立產(chǎn)品幾何特征識(shí)別及產(chǎn)品組件結(jié)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別分解或交互識(shí)別分解系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)的恢復(fù)和修補(bǔ)

在采樣過程中，丟失物體的某些細(xì)節(jié)是不可避免的。通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)的二維顯示及結(jié)構(gòu)分析，能夠發(fā)現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)可能被丟失因此，數(shù)據(jù)修復(fù)是逆工程的一個(gè)必不可少的步驟數(shù)據(jù)。(2)數(shù)據(jù)分析

分析原來物體的結(jié)構(gòu)。物體結(jié)構(gòu)包括物(4)原始部件的分解

分解是將一個(gè)物體分解成若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件的過程。在分解過程中，必須區(qū)分每一部件的尺寸位置，不同部件之間的連接關(guān)系及連接方式，以及物體表面該如何分割。

(5)模型信息處理及CAD模型的建立

構(gòu)造物體的二維CAD模型，這個(gè)模型是最基本的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型平臺(tái)。在此基本平臺(tái)上，設(shè)計(jì)人員可交互構(gòu)造特征線，自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品，過渡圓角、尖邊等特征，提供多種物體表面編輯技術(shù)，研究曲面整體變形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CAD模型動(dòng)態(tài)修改。(4)原始部件的分解

分解是將一個(gè)物體分解成(6)標(biāo)準(zhǔn)化部件庫的建立

分析所涉及的各類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究產(chǎn)品的基本組成單元，包括它們的形狀尺寸，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫。有了標(biāo)準(zhǔn)件庫以后，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程就可簡化為將已有的物體分解至最小的單元，然后用標(biāo)準(zhǔn)部件來替換這些基本單元。

為了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，只需要在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對(duì)物體進(jìn)行重新組裝。

(7)產(chǎn)品功能模擬

在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)功能進(jìn)行模擬在這個(gè)過程中，可以事先建立產(chǎn)品評(píng)價(jià)系統(tǒng)，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)劣；或通過交互方式，以設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，通過觀察局部細(xì)節(jié)，可以知道物體的尺寸大小是否協(xié)調(diào)，物體的表面是否光順，以及物體外表面的顏色紋理是否滿足設(shè)計(jì)的要求。(6)標(biāo)準(zhǔn)化部件庫的建立

分析所涉及的各類產(chǎn)(8)再設(shè)計(jì)

逆向工程的最終目的是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，通過以上步驟獲取的產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)知識(shí)，基本上再現(xiàn)原有的產(chǎn)品，為了在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)包含產(chǎn)品逆向工程及創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件環(huán)境中，對(duì)原有的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修改。

這些修改主要包括功能上的，布局上的，以及外形方面的修改。在修改過程中加入設(shè)計(jì)人員新的設(shè)計(jì)思想，以完成新的設(shè)計(jì)方案。(8)再設(shè)計(jì)

逆向工程的最終目的是設(shè)計(jì)新逆工程技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)采樣數(shù)據(jù)的完整性

(2)盡可能短的設(shè)計(jì)周期

(3)盡可能低的設(shè)計(jì)成本

(4)標(biāo)準(zhǔn)部件的利用率

(5)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良逆工程技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)采樣數(shù)據(jù)的完整性

(2)逆向工程的應(yīng)用途徑：

(1)盡管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能日益強(qiáng)大，但目前還無法滿足一些復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)需要，還存在許多使用油泥或泡沫模型代替CAD設(shè)計(jì)的情況，最終需要運(yùn)用逆向工程將這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。

(2)外形設(shè)計(jì)師傾向使用產(chǎn)品的比例模型，以便于產(chǎn)品外形的美學(xué)評(píng)價(jià)，最終可通過運(yùn)用逆向工程技術(shù)將這些比例模型用數(shù)學(xué)模型表達(dá)，通過比例運(yùn)算得到美觀的真實(shí)尺寸的CAD模型。逆向工程的應(yīng)用途徑：

(1)盡管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

(3)由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對(duì)零件的功能和性能分析還不能完全由CAE來完成，因此往往需要通過實(shí)驗(yàn)來最終確定零件的形狀，如在模具制造中，經(jīng)常需要通過反復(fù)試沖和修改模具型面，方可得到最終符合要求的模具。若將最終符合要求的模具測量并反求出其CAD模型，在下次制造該模具時(shí)就可運(yùn)用這一模型生成加工程序，便可大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。

(4)藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制。(3)由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對(duì)零件的功能和性能

(5)人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制及假肢制造。

(6)特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需首先建立人體的幾何模型。

(7)在快速原型制造(RPM)中，可以方便地對(duì)快速原型制造的原型產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測量，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)迭代可使產(chǎn)品更趨完善。(5)人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制及假肢制造。

(6逆向工程與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)制造過程是截然不同的設(shè)計(jì)流程。在逆向工程中，按照現(xiàn)有的零件原型進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，零件具有的幾何特征與技術(shù)要求都包含在原型中，而正向設(shè)計(jì)是根據(jù)零件最終所承擔(dān)的功能以及各方面的影響因素進(jìn)行從無到有的設(shè)計(jì)。

因此，從概念設(shè)計(jì)出發(fā)到最終形成CAD模型的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)確定的明晰過程，而通過對(duì)現(xiàn)有零件原型數(shù)字化后再形成CAD模型的逆向工程是一個(gè)推理、反復(fù)逼近的過程，具有功能導(dǎo)向、描述模式、系統(tǒng)仿造等特性。逆向工程與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)制造過程是截然不同的設(shè)計(jì)流程。在逆

3.逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)

零件的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)輔助反向建模(ComputerAidedReverseModeling，CARM)是逆向工程的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

零件的數(shù)字化是指通過特定的測量設(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)。

CARM通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的處理，提取建模所需的有效數(shù)據(jù)，對(duì)零件進(jìn)行曲面和實(shí)體造型，以得到原型的CAD模型。逆向設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為原型，通過大量的表面數(shù)據(jù)點(diǎn)來重構(gòu)原型的，但由于不知道原來的設(shè)計(jì)意圖，反向建模過程往往是被動(dòng)的，設(shè)計(jì)的自由度較小，難度也就比正向設(shè)計(jì)大得多。3.逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)

零件的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)輔助反

一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個(gè)方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

(1)新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或仿型設(shè)計(jì)。

(2)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。

(3)損壞或磨損零件的還原。

(4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比較。

逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。

一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求逆向工程技術(shù)實(shí)施的條件1.逆向工程技術(shù)實(shí)施的硬件條件

在逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從設(shè)計(jì)對(duì)象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，國內(nèi)廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標(biāo)測量機(jī)和三維掃描儀。2.逆向工程技術(shù)實(shí)施的軟件條件

目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim等的。這些系統(tǒng)對(duì)逆向設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題進(jìn)行處理，極大地方便了設(shè)計(jì)人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設(shè)計(jì)模塊。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(diǎn)(測量線)，也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)。逆向工程技術(shù)實(shí)施的條件總結(jié)：逆向工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效途徑。逆向工程把三坐標(biāo)測量機(jī)、CAD/CAM/CAE軟件、CNC機(jī)床有機(jī)而又高效地結(jié)合在一起，成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的一個(gè)高效、便捷的途徑。

逆向工程不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負(fù)著數(shù)學(xué)模型的還原和再設(shè)計(jì)的優(yōu)化等多項(xiàng)重任。

當(dāng)前，雖然逆向工程發(fā)展已取得了長足進(jìn)展，逆向工程的概念已深入人心，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，不僅是機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)，許多企業(yè)紛紛采用逆向工程模式進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)。但產(chǎn)品逆向工程還是一個(gè)不完全成熟的過程，各個(gè)環(huán)節(jié)仍有待于進(jìn)一步完善、探索和研究，并沒有非常完善的解決方案。總結(jié)：逆向工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效途徑。逆向工程把三坐標(biāo)測量機(jī)、

6.2逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理

1.逆向工程系統(tǒng)組成

2.逆向工程的測量技術(shù)

1)測量方式2)測量設(shè)備3)接觸式測頭及其工作原理

4)非接觸式測頭及其工作原理

3.測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

1)數(shù)據(jù)平滑2)多視數(shù)據(jù)對(duì)齊定位3)數(shù)據(jù)分割

4.模型重建技術(shù)

1)曲線擬合造型2)曲面擬合造型3)曲面編輯

4)點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化5)模型精度的評(píng)價(jià)

5.逆向工程軟件6.2逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理

1.逆向工程系

1.逆向工程系統(tǒng)組成

逆向工程需要使用精密的測量系統(tǒng)來測量樣件輪廓三維尺寸，再對(duì)取得的各點(diǎn)數(shù)據(jù)作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成：產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建和產(chǎn)品(或模具)制造。所以，一套完整的逆向工程系統(tǒng)應(yīng)包括下列基本配備：

1.逆向工程系統(tǒng)組成

逆向工程需要使用精

(1)測量測頭：分接觸式(如觸發(fā)測頭、掃描測頭)和非接觸式(包括激光位移測頭、激光干涉儀測頭、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭等)兩大類。

(2)測量機(jī)：有三坐標(biāo)測量機(jī)、多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂及激光追蹤站等。

(3)數(shù)據(jù)處理軟件：由坐標(biāo)測量機(jī)得到的外形點(diǎn)數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重建以前，必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對(duì)齊、歸并、測頭半徑補(bǔ)償和插值補(bǔ)點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理。(1)測量測頭：分接觸式(如觸發(fā)測頭、掃描測頭)和非接(4)模型重建軟件(CAD/CAM)，包括三類：

一是用于正向設(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM軟件，如Solidworks、I-Deas、GRADE等，但數(shù)據(jù)處理和逆向造型功能有限；

二是集成有逆向功能模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件，如集成有SCAN-TOOLS模塊的Pro/ENGINEER，集成有點(diǎn)云處理和曲線/曲面擬合、快速造型功能的UGII和STRIM100等；

三是專用的逆向工程軟件，如Imageware、Paraform、Geomagic等。除此之外，有較高要求的還包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等軟件。(4)模型重建軟件(CAD/CAM)，包括三類：

(5)CAE軟件：完成計(jì)算機(jī)輔助工程分析，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)仿真、流場及溫度場分析等，可提高設(shè)計(jì)成功率。目前較流行的分析軟件有Ansys、Nastran、I-Deas、Moldf1ow、ADMAS等。

(6)數(shù)控加工設(shè)備：進(jìn)行原型制作或模具制作。

(7)快速原型機(jī)：快速產(chǎn)生模型(有立體印刷成型、層合實(shí)體制造、選域激光燒結(jié)、熔融沉積造型、三維噴涂粘結(jié)、焊接成型和數(shù)碼累積造型等方法)。

(8)產(chǎn)品批量生產(chǎn)設(shè)備：包括注射成型機(jī)、沖床、鈑金成型機(jī)等。(5)CAE軟件：完成計(jì)算機(jī)輔助工程分析，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)

2.逆向工程的測量技術(shù)

在產(chǎn)品開發(fā)中，采用逆向工程方式處理的產(chǎn)品往往具有尺寸不易掌握的特性，如自由曲面的外觀造型等。因此，逆向工程的首要任務(wù)就是取得所需的點(diǎn)數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的模型構(gòu)建?，F(xiàn)介紹逆向工程的數(shù)據(jù)測量技術(shù)。2.逆向工程的測量技術(shù)

在產(chǎn)品開發(fā)中，采用逆向工程

1)測量方式

一個(gè)物體可用游標(biāo)卡尺、測微儀等作一維長度測量，也可用投影機(jī)、工具顯微鏡等在X、Y方向作二維平面測量。逆向工程多用三維立體測量，具體有接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量設(shè)備主要是三坐標(biāo)測量機(jī)；非接觸式測量主要包括光學(xué)測量、超聲波測量、電磁測量等方法。1)測量方式

一個(gè)物體可用游標(biāo)卡尺、測微儀等作一維

(1)接觸式測量。接觸式測量將被測物體固定在三坐標(biāo)測量機(jī)上，可獲得被測物體上各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。三坐標(biāo)測量機(jī)(1)接觸式測量。接觸式測量將被測物體固定在三坐標(biāo)測量接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)有：

①接觸式測量不受樣件表面的反射特性、顏色及曲率影響，配合測量軟件可快速準(zhǔn)確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓柱、圓錐、圓球等。

②接觸式測量的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)有：

①接觸式測量不受樣件表面的反接觸式測量的缺點(diǎn)有：

①為了確定測量基準(zhǔn)點(diǎn)，需使用特殊的夾具，測量費(fèi)用較高。

②測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)誤差。

③檢測某些輪廓時(shí)，可能會(huì)有先天的限制。如測量內(nèi)圓直徑，觸發(fā)測頭的直徑必定要小于被測內(nèi)圓直徑。接觸式測量的缺點(diǎn)有：

①為了確定測量基準(zhǔn)點(diǎn)，需使用④接觸式觸發(fā)測頭以逐點(diǎn)進(jìn)出方式進(jìn)行測量，測量速度慢。

⑤接觸測頭測量時(shí)，測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生的局部變形將影響測量值的實(shí)際讀數(shù)。

⑥不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害樣件某些重要部位的表面精度，也會(huì)使測頭磨耗、損壞；為了維持一定的精度，需要經(jīng)常校正測頭的直徑。④接觸式觸發(fā)測頭以逐點(diǎn)進(jìn)出方式進(jìn)行測量，測量速度慢。

采用接觸式測頭測量時(shí)，由于測頭半徑的影響，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并不是測頭所觸及的表面點(diǎn)的坐標(biāo)，而是測頭球心的坐標(biāo)，當(dāng)被測點(diǎn)的表面法矢方向和測軸方向一致時(shí)，測點(diǎn)坐標(biāo)和測頭中心相差一個(gè)測頭半徑值。通常的測頭半徑在0.25～1.5mm之間，如果忽略測頭半徑，即測量得到的數(shù)據(jù)不進(jìn)行半徑補(bǔ)償處理，就會(huì)帶來數(shù)據(jù)測量誤差。如圖6-3(a)所示，測量點(diǎn)連線為平面曲線，當(dāng)測頭的壓力矢(表面法矢)和測量截面不在一個(gè)平面時(shí)，測量點(diǎn)連線為空間曲線。采用接觸式測頭測量時(shí)，由于測頭半徑的影響，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖6-3測頭半徑補(bǔ)償圖6-3測頭半徑補(bǔ)償如要求得物體真實(shí)外形，則需要對(duì)測頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償。圖6-3(b)所示是測頭半徑補(bǔ)償原理圖。當(dāng)測量某一曲面時(shí)，測頭尖端與被測件之間的接觸點(diǎn)為A，A點(diǎn)至球心C點(diǎn)有一偏差量。所以，必須沿法線負(fù)方向補(bǔ)正一個(gè)測頭半徑值。這將使整個(gè)曲面補(bǔ)正計(jì)算繁雜、冗長，還可能導(dǎo)致修正誤差。如要求得物體真實(shí)外形，則需要對(duì)測頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償。圖6-3

(2)非接觸式測量。隨著光電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得光學(xué)在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用有了重大突破，開啟了逆向工程中數(shù)據(jù)測量的非接觸式測量時(shí)代。(2)非接觸式測量。隨著光電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算非接觸式光學(xué)測量有如下優(yōu)點(diǎn)：

①?zèng)]有測量力，可以用來測量各種柔軟的和易變形的物體，也無摩擦。

②可以快速對(duì)物體進(jìn)行掃描測量，測量速度和采樣頻率較高。

③不必進(jìn)行測頭半徑的補(bǔ)償。

④不少光學(xué)測頭具有大的量程，如十毫米乃至數(shù)十毫米，這是一般接觸測頭難以達(dá)到的。

⑤同時(shí)探測的信息豐富。例如，CCD攝像機(jī)可以同時(shí)探測到視場內(nèi)大量的二維信息(接觸式只能一點(diǎn)一點(diǎn)探測)，還能測得物體的光學(xué)特性。非接觸式光學(xué)測量有如下優(yōu)點(diǎn)：

①?zèng)]有測量力，可以用非接觸式測量也還存在如下缺點(diǎn)：

①測量精度較差，非接觸式測頭大多使用光敏位置探測器(PositionSensitiveDetector，PSD)來檢測光點(diǎn)位置，目前PSD的精度仍不夠高，誤差一般在20μm以上。

②使用CCD作探測器時(shí)，成像鏡頭的焦距會(huì)影響測量精度，當(dāng)工件幾何外形變化大時(shí)，成像可能失焦，導(dǎo)致成像模糊。非接觸式測量也還存在如下缺點(diǎn)：

①測量精度較差，非③非接觸式測頭是通過接收工件表面的反射光或散射光來測量物體的，測量結(jié)果易受環(huán)境光線及工件表面的反射特性的影響，噪聲較高，噪聲信號(hào)的處理比較麻煩，工件表面的粗糙度、顏色、斜率等均影響測量結(jié)果。為避免CCD攝像頭在取像時(shí)受外界雜散光的干擾，可在CCD鏡頭前加帶通濾光鏡，限制攝取的光線波長。

因此，非接觸式測量適合做工件輪廓坐標(biāo)點(diǎn)的大量取樣，對(duì)邊線處理、凹孔處理以及不連續(xù)形狀的處理比較困難。

表6-1對(duì)比了非接觸激光掃描測量和三坐標(biāo)測量機(jī)接觸測量的技術(shù)特點(diǎn)。③非接觸式測頭是通過接收工件表面的反射光或散射光來測量表6-1非接觸激光掃描測量和三坐標(biāo)測量機(jī)接觸

測量的技術(shù)特點(diǎn)比較表6-1非接觸激光掃描測量和三坐標(biāo)測量機(jī)接觸

續(xù)表

2)測量設(shè)備

(1)坐標(biāo)測量機(jī)。坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuringMachine，CMM)是一種精密的三坐標(biāo)測量儀器。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，如圖6-4所示。主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6-5所示。三坐標(biāo)測量機(jī)通過在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)測量頭，來測量具有復(fù)雜形狀工件的空間尺寸。三個(gè)方向的位移由測量系統(tǒng)(如光柵尺)經(jīng)計(jì)算機(jī)(或數(shù)據(jù)處理器)計(jì)算，得出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)。2)測量設(shè)備

(1)坐標(biāo)測量機(jī)。坐標(biāo)測量機(jī)(Co圖6-4三坐標(biāo)測量機(jī)的組成圖6-4三坐標(biāo)測量機(jī)的組成在逐點(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(dòng)，再以等時(shí)間或等間隔位置量取工件在Z軸的坐標(biāo)。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，最簡單的方式是取(ΔX+ΔZ)為常數(shù)，ΔX和ΔZ分別是X軸和Z軸的分辨率。當(dāng)ΔZ變大時(shí)，ΔX相應(yīng)變小，測量點(diǎn)將更加密集。也就是說，當(dāng)工件斜率變大時(shí)，測量速度減慢，此方法稱為速度追蹤。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)

CMM是典型的接觸式測量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。英國RENISHAW公司研制了一種三維力-位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動(dòng)測量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，掃描速度可達(dá)8米/秒，數(shù)字化速度最高可達(dá)500點(diǎn)/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價(jià)格昂貴，未在CMM上廣泛使用。CMM是典型的接觸式測量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，使用CMM時(shí)必須設(shè)定較多參數(shù)，包括測頭形狀、大小、掃描間隔、誤差允許量、步進(jìn)距離、掃描速度、掃描方向等。一般來說，掃描方向與模型陡峭面成正交為佳。由于工件表面形狀不一，因此常常要將工件分成不同的區(qū)域，使用不同的參數(shù)掃描。若測量復(fù)雜形狀的工件，則比較耗時(shí)。

CMM的主要優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，但一般測量效率低，而且對(duì)一些軟質(zhì)表面無法進(jìn)行測量。現(xiàn)在的三坐標(biāo)測量機(jī)也有使用非接觸式測頭的。使用CMM時(shí)必須設(shè)定較多參數(shù)，包括測頭形狀、大小、掃描間

(2)多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。機(jī)械臂(Robot)也屬于接觸式測量儀。機(jī)械臂為一關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)，具有多自由度，可用作彈性坐標(biāo)測量機(jī)，傳感器裝置在其爪部，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。這種測量機(jī)幾乎不受方向限制，可在工作空間做任意方向的測量。精度不高為其主要缺點(diǎn)，一般常用于大型鈑金件模具的逆向工程測量。2022/12/17(2)多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。機(jī)械臂(Robot)也屬于接觸

(3)激光掃描測量儀。激光掃描測量儀用于非接觸式測量。四自由度激光掃描測量儀工作臺(tái)具有線性位移及旋轉(zhuǎn)的功能，可帶動(dòng)CCD測頭做逐線掃描，并配合工件的旋轉(zhuǎn)完成多角度掃描的功能。掃描過程中只要解決點(diǎn)的密度、掃描范圍即可。若遇到不感光或是全反射的表面，則必須噴漆或另外處理。(3)激光掃描測量儀。激光掃描測量儀用于非接觸式測量。

(4)激光跟蹤測量系統(tǒng)。激光跟蹤測量系統(tǒng)屬球坐標(biāo)式測量儀器，徑向使用激光干涉儀，可做位移測量，角度測量是由兩個(gè)伺服馬達(dá)及旋轉(zhuǎn)編碼器完成的，工作原理如圖6-6所示。測量時(shí)，將反射鏡沿著工件表面移動(dòng)，根據(jù)四象限位置探測器輸出的光電位移信號(hào)來驅(qū)動(dòng)兩旋轉(zhuǎn)伺服馬達(dá)，從而保持光線跟蹤反射鏡，反射鏡的逐點(diǎn)移動(dòng)位置(γ，θ，ψ)由球坐標(biāo)的探針可得知。此類設(shè)備較適合做大型物體輪廓的測量，如飛機(jī)或汽車外型等。(4)激光跟蹤測量系統(tǒng)。激光跟蹤測量系統(tǒng)屬球坐標(biāo)式測量圖6-6激光跟蹤測量系統(tǒng)原理圖圖6-6激光跟蹤測量系統(tǒng)原理圖

3)接觸式測頭及其工作原理

接觸式測頭分為硬式測頭(HardProbe或MechanicalProbe)、觸發(fā)式測頭(TouchTriggerProbe)及模擬式測頭(AnalogProbe)等三種。其工作原理如圖6-7所示。3)接觸式測頭及其工作原理

接觸式測頭分為硬式測頭圖6-7接觸式測頭工作原理圖6-7接觸式測頭工作原理

(1)硬式測頭。硬式測頭即機(jī)械測頭，是最早使用的測頭，主要用于人工直接操作的手動(dòng)測量，部分也可用于自動(dòng)測量。硬式測頭多用于精度要求不太高的小型測量機(jī)中，成本較低，操作簡單。

(2)觸發(fā)式測頭。觸發(fā)式測頭采用電子開關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測頭碰觸到工件表面時(shí)，開關(guān)變化，將電子信號(hào)由On轉(zhuǎn)成Off，即將此時(shí)的坐標(biāo)鎖住處理。圖6-8為RENISHAW公司的專利產(chǎn)品——三點(diǎn)接觸觸發(fā)式測頭，任意方向碰觸到工件表面都會(huì)造成至少一點(diǎn)的機(jī)構(gòu)開關(guān)產(chǎn)生變化，使得原先串聯(lián)的電子通路轉(zhuǎn)換成斷路。(1)硬式測頭。硬式測頭即機(jī)械測頭，是最早使用的測頭，圖6-8三點(diǎn)接觸觸發(fā)式測頭圖6-8三點(diǎn)接觸觸發(fā)式測頭觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號(hào)由電子開關(guān)控制，其重復(fù)性、準(zhǔn)確性均較高，可在1μm以內(nèi)，不受人為因素影響，是現(xiàn)代三維坐標(biāo)測量機(jī)最常用的測頭。觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號(hào)由電子開關(guān)控制，其重復(fù)性、準(zhǔn)確性均較

(3)模擬式測頭。模擬式測頭接觸工件時(shí)會(huì)有側(cè)向位移，光柵尺被感應(yīng)，產(chǎn)生電壓變化，此模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入處理器被記錄下來，這種測量方式稱為模擬式測量。圖6-9所示為德國Zeiss廠生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測頭結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)接器上布置有五個(gè)探針，可以進(jìn)行探針互換，其中，X向有兩個(gè)、Y向有兩個(gè)、Z向有一個(gè)，可方便地對(duì)工件進(jìn)行觸測。通過更換探針，使Z方向除能進(jìn)行上端面的測量外，還可以進(jìn)行下端面的測量。(3)模擬式測頭。模擬式測頭接觸工件時(shí)會(huì)有側(cè)向位移，光圖6-9Zeiss三維電感測頭圖6-9Zeiss三維電感測頭使用模擬式測頭時(shí)，須保持測頭與工件的接觸，位移量超出測頭測量范圍時(shí)，須控制機(jī)臺(tái)的移動(dòng)，以使測頭回到其測量范圍內(nèi)。因模擬式測量為連續(xù)測量，無絕對(duì)坐標(biāo)，故不能中途離開工件表面。這種測量適用于曲率平滑的曲面，不適用于曲率大的工件表面。這種測頭常用于數(shù)控機(jī)床上做在線檢測。使用模擬式測頭時(shí)，須保持測頭與工件的接觸，位移量超出測頭

4)非接觸式測頭及其工作原理

非接觸式測頭一般用于不規(guī)則曲面的測量。非接觸式測頭主要以光學(xué)測頭為主，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測頭已是探測技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

光學(xué)測頭一般基于三角法測量原理，以激光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可分為點(diǎn)測量、線測量及面測量三種，如圖6-10所示。激光照射到被測物體表面，光電敏感元件在另一位置接收激光的反射光，根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成像的偏移，由被測物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的深度信息。4)非接觸式測頭及其工作原理

非接觸式測頭一般用于圖6-10非接觸式三角法測量模式圖6-10非接觸式三角法測量模式視覺測量基本原理

隨著CCD等光電器件的快速發(fā)展，以三角法測量技術(shù)為基礎(chǔ)的快速輪廓視覺測量技術(shù)得到應(yīng)用。視覺測量一般也使用三種激光光源：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面條紋結(jié)構(gòu)光。圖6-12所示為使用線結(jié)構(gòu)光測量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖。為增加測量速度，常將點(diǎn)結(jié)構(gòu)光改成掃描式線結(jié)構(gòu)光，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。用激光穿過平行等距直線的振幅光柵組件，或使用干涉儀形成直線干涉條紋，即面條紋結(jié)構(gòu)光，將此面條紋結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，由于表面曲率或深度的變化使條紋變形，利用CCD攝像機(jī)攝取此變形條紋的圖像，即可分析物體表面輪廓的變化。使用面條紋結(jié)構(gòu)光測量工件輪廓，可省去掃描機(jī)構(gòu)，測量速度快，但分辨率受到限制，表面曲率過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷線現(xiàn)象。視覺測量基本原理

隨著CCD等光電器件的快速發(fā)圖6-12線結(jié)構(gòu)光測量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖圖6-12線結(jié)構(gòu)光測量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖視覺測量中使用的CCD(ChargeCoupledDevice)是一種數(shù)組式的光電耦合檢像器，稱為電荷耦合器件，攝取圖像時(shí)類似傳統(tǒng)相機(jī)底片的感光作用，是視覺系統(tǒng)獲取三維信息最直接的來源。CCD攝像機(jī)將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的圖像處理卡上，圖像卡再把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖像數(shù)字化之后，計(jì)算機(jī)上所得到的圖像數(shù)據(jù)是由多個(gè)像素組成的，每個(gè)像素都有其特定的坐標(biāo)，且對(duì)應(yīng)于物體上的每一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)像素的值一般稱為灰度值，若圖像卡采用8位的A/D轉(zhuǎn)換，則灰度值可從0變化到255。視覺測量中使用的CCD(ChargeCoupledD將CCD攝像機(jī)所攝取的圖像按像素作圖像處理，便可將圖像轉(zhuǎn)換成三維輪廓圖像。數(shù)字化的圖像質(zhì)量好壞與其分辨率有密切的關(guān)系，分辨率越高，圖像的質(zhì)量越好。分辨率有空間分辨率和亮度分辨率兩種?？臻g分辨率越高，表示一張圖像被分割成越多的像素，圖像的質(zhì)量自然越好，但是要付出大量的存儲(chǔ)空間和處理時(shí)間。亮度分辨率指一個(gè)像素所能表示亮度變化的范圍，即像素的灰度值的變化范圍。將CCD攝像機(jī)所攝取的圖像按像素作圖像處理，便可將圖像轉(zhuǎn)立體視覺測量技術(shù)

立體視覺測量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)(或多個(gè))攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺測量方法可以對(duì)處于兩個(gè)(或多個(gè))攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測量，而無需伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問題。近來出現(xiàn)了將具有空間編碼特征的結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面上制造測量特征的方法，有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。立體視覺測量技術(shù)

立體視覺測量是根據(jù)同一個(gè)三維空間3.測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)是通過坐標(biāo)測量儀來獲取的，一方面，無論是接觸式的數(shù)控測量機(jī)，還是非接觸式的激光掃描機(jī)，都不可避免地會(huì)引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面；另一方面，由于實(shí)物幾何和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時(shí)，會(huì)存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型帶來影響。所以，需要對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，對(duì)不同方位測量的多視數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊定位，對(duì)不同特征區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。3.測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)是通過坐標(biāo)測

1)數(shù)據(jù)平滑

數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和好的特征提取效果。數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯(Gaussian)、平均(Averaging)或中值(Median)濾波算法，濾波效果如圖6-13所示。高斯濾波器在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時(shí)能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。平均濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值。中值濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值，這種濾波器消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好。1)數(shù)據(jù)平滑

數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到圖6-13三種常用的濾波方法圖6-13三種常用的濾波方法

2)多視數(shù)據(jù)對(duì)齊定位

在逆向工程過程中，對(duì)實(shí)物樣件進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，往往不能在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測出。其原因：一是產(chǎn)品尺寸超出測量機(jī)的行程；二是在部分區(qū)域測量探頭受被測實(shí)物幾何形狀的干涉阻礙以及不能觸及產(chǎn)品的反面。這時(shí)，就需要在不同的定位狀態(tài)(即不同的坐標(biāo)系)下測量產(chǎn)品的各個(gè)部分，這種情況多見于接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)，得到的數(shù)據(jù)為多次測量數(shù)據(jù)。2)多視數(shù)據(jù)對(duì)齊定位

在逆向工程過程中，對(duì)實(shí)物樣對(duì)激光掃描測量，需要從不同的角度對(duì)樣件的各個(gè)面及樣件局部進(jìn)行放大掃描，以獲取樣件的多視點(diǎn)云。通常為處理方便，將兩種情況的數(shù)據(jù)都稱為多視數(shù)據(jù)或點(diǎn)云。由于在幾何模型構(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，因而這個(gè)數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對(duì)齊(Registration)，或稱數(shù)據(jù)拼合、重定位等。對(duì)激光掃描測量，需要從不同的角度對(duì)樣件的各個(gè)面及樣件局部

3)數(shù)據(jù)分割

在造型之前還要進(jìn)行的一個(gè)重要工作是數(shù)據(jù)分割(PointsDataSegmentation)。數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)分成組，這樣，全部數(shù)據(jù)將劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，為后續(xù)的曲面模型重建提供方便。3)數(shù)據(jù)分割

在造型之前還要進(jìn)行的一個(gè)重要工作是數(shù)數(shù)據(jù)分割方法分為基于測量的分割和自動(dòng)分割兩種方法。

基于測量的分割是在測量過程中，操作人員根據(jù)實(shí)物的外形特征將外形曲面劃分成不同的子曲面，并對(duì)曲面的輪廓、孔、槽邊界及表面脊線等特征進(jìn)行標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測量路徑規(guī)劃。這樣，不同的曲面特征數(shù)據(jù)將保存在不同的文件中，輸入CAD軟件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)類型的分層處理及顯示，為造型提供極大的方便。這種方法適合于曲面特征比較明顯的實(shí)物外形和接觸式測量，操作者的水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果將產(chǎn)生直接影響。數(shù)據(jù)分割方法分為基于測量的分割和自動(dòng)分割兩種方法。

自動(dòng)分割方法有基于邊(Edge-Based)和基于面(Surface-Based)兩種基本方法。

基于邊的分割分成兩步：邊識(shí)別和連接。邊識(shí)別是找出曲面間數(shù)據(jù)點(diǎn)表示的邊界，然后連接相關(guān)點(diǎn)形成連續(xù)邊。

基于面的方法是嘗試推斷出具有相同曲面性質(zhì)的點(diǎn)，然后進(jìn)一步?jīng)Q定所屬的曲面，最后由相鄰的曲面決定曲面間的邊界。對(duì)于包含二次曲面的實(shí)物外形，基于面是一種較好的分割方法，但不適用于自由曲面。自動(dòng)分割方法有基于邊(Edge-Based)和基于面(S

4.模型重建技術(shù)

在逆向工程中，實(shí)物的三維CAD模型重建是整個(gè)過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)。這是因?yàn)?，后續(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等應(yīng)用都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，這些應(yīng)用都不同程度地要求重建的CAD模型能準(zhǔn)確地還原實(shí)物樣件。所以，點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理、曲面的構(gòu)建方式以及完整的修編和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建中相當(dāng)重要的部分。4.模型重建技術(shù)

在逆向工程中，實(shí)物的三維CAD模

1)曲線擬合造型

曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中，一種常用的基于曲線的模型重建方法是：先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過插值(Interpolation)或逼近(Approximation)擬合成樣條曲線(或參數(shù)曲線)，然后利用造型工具(如Sweep、Blend、Lofting等)完成曲面片造型，再通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。圖6-14給出了基于曲線的模型重建過程。1)曲線擬合造型

曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，在逆向工

(1)曲線擬合(插值與逼近)。給定一組有序的數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi(i=0，1，…，n)，這些點(diǎn)既可以是從實(shí)物測量得到的，也可以是設(shè)計(jì)人員給出的，要求構(gòu)造一條曲線順序通過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱為對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，所構(gòu)造的曲線稱為插值曲線，所采用的數(shù)學(xué)方法稱為曲線插值法。把曲線插值推廣到曲面，類似地就有插值曲面與曲面插值法等。

以插值方式來建立曲線，其優(yōu)點(diǎn)是所得到的曲線能夠通過所有測量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此曲線與點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差為零；缺點(diǎn)是當(dāng)點(diǎn)數(shù)據(jù)過大時(shí)，曲線控制點(diǎn)也相對(duì)增多。插值法的過程如圖6-15所示。(1)曲線擬合(插值與逼近)。給定一組有序的數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi如果測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差較大，構(gòu)造一條曲線嚴(yán)格通過給定的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，則所建立的曲線將不平滑，盡管可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，但會(huì)丟失曲線或曲面的幾何特征信息。這時(shí)，可構(gòu)造一條曲線使之在某種意義下最為接近給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱之為對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行逼近，所構(gòu)造的曲線稱為逼近曲線，所采用的數(shù)學(xué)方法稱為曲線逼近法。類似地，可將曲線逼近推廣到曲面。如果測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差較大，構(gòu)造一條曲線嚴(yán)格通過給定的采用逼近法，首先指定一個(gè)允許的誤差值，并設(shè)定控制點(diǎn)的數(shù)目(曲線的)，基于所有測量數(shù)據(jù)點(diǎn)用最小二乘法求出一條曲線后，計(jì)算測量點(diǎn)到曲線的距離。若最大的距離大于設(shè)定的誤差值，則需增加控制點(diǎn)的數(shù)目，重新以最小二乘法擬合曲線，直到誤差滿足為止，如圖6-16所示。采用逼近法，首先指定一個(gè)允許的誤差值，并設(shè)定控制點(diǎn)的數(shù)目

(2)曲線修編。當(dāng)通過插值或逼近得到擬合曲線后，在進(jìn)行曲面造型之前，應(yīng)通過各種編輯功能對(duì)曲線進(jìn)行修形操作，一方面是修補(bǔ)由于測量數(shù)據(jù)的不完整帶來的擬合曲線缺陷；另一方面，從曲面造型的角度出發(fā)，也要求曲線具有完整、連續(xù)、光滑的特點(diǎn)，以保證生成曲面的光順性。曲線的編輯操作主要是依據(jù)CAD軟件提供的各種編輯功能進(jìn)行的。(2)曲線修編。當(dāng)通過插值或逼近得到擬合曲線后，在進(jìn)行

(3)基于曲線的曲面重建。在曲線造型完成后，可以通過不同的曲面造型方法進(jìn)行曲面模型的重建工作。主要的曲面造型方式有邊界曲線、N邊曲面、平行曲面、掃掠、混合、旋轉(zhuǎn)、拉伸和直紋面等。(3)基于曲線的曲面重建。在曲線造型完成后，可以通過不

2)曲面擬合造型

上面介紹的先根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成曲線，再由曲線進(jìn)行曲面造型的方法通常適合于數(shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)呈有序排列的情況。如果數(shù)據(jù)量較大(如點(diǎn)云數(shù)據(jù))且數(shù)據(jù)呈無序排列，則可以采用曲面模型重建的另一種方法，即直接對(duì)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片后，經(jīng)過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型。其過程如圖6-17所示。曲面直接擬合造型既可處理有序點(diǎn)，也能處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2)曲面擬合造型

上面介紹的先根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成曲線

3)曲面編輯

逆向工程軟件中的曲面編輯工具與一般CAD軟件相似，主要有曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，較高級(jí)的軟件則會(huì)提供用拖曳曲面控制點(diǎn)編輯曲面的工具，或曲面平滑化、曲面貼合點(diǎn)數(shù)據(jù)等。在曲面編輯之前，如能利用軟件的分析功能來充分掌握各構(gòu)建曲線的精度與控制點(diǎn)，則構(gòu)建出高質(zhì)量曲面的可能性較大。3)曲面編輯

逆向工程軟件中的曲面編輯工具與一般C

4)點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

目前多數(shù)的商品化CAD/CAM系統(tǒng)都是以實(shí)體模型為基礎(chǔ)的，因?yàn)橛邢拊治?、快速原型制造等?yīng)用都需要實(shí)體模型的支持。但逆向工程的模型重建一般是先構(gòu)建曲面，如果需要，再將曲面表示轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，因此，模型也多采用曲面表示，造型系統(tǒng)也多為曲面造型系統(tǒng)。

但在曲面轉(zhuǎn)換為實(shí)體時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)一些問題，存在不能轉(zhuǎn)換的區(qū)域和轉(zhuǎn)換失敗的現(xiàn)象。

網(wǎng)格化實(shí)體模型表示物體形狀能實(shí)現(xiàn)計(jì)算的自動(dòng)化和少的冗余,多邊形網(wǎng)格表示已取代曲面模型表示，快速原型技術(shù)和部分CAM系統(tǒng)也可用網(wǎng)格化實(shí)現(xiàn)加工。4)點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

目前多數(shù)的商品化CAD/CAM系

5)模型精度的評(píng)價(jià)

在逆向過程中，我們從產(chǎn)品的實(shí)物模型重建得到了產(chǎn)品的CAD模型，然而，重建得到的模型和實(shí)物樣件的誤差到底有多大，所建立的模型是否可以接受，根據(jù)模型制造的零件是否與數(shù)學(xué)模型相吻合等，回答這些問題還需要對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。5)模型精度的評(píng)價(jià)

在逆向過程中，我們從產(chǎn)品的實(shí)物

(1)模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

精度反映逆向工程重建模型和實(shí)物以及模型和產(chǎn)品之間差距的大小。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為整體指標(biāo)和局部指標(biāo)，還可分為量化指標(biāo)和非量化指標(biāo)。

整體指標(biāo)指的是實(shí)物或模型的總體性質(zhì)，如整體幾何尺寸、體積、面積(表面積)以及幾何特征間的幾何約束關(guān)系，如孔、槽之間的尺寸和定位關(guān)系。局部指標(biāo)指的是曲面片與實(shí)物對(duì)應(yīng)曲面的偏離程度。

量化指標(biāo)指精度的數(shù)值大小；非量化指標(biāo)主要用于曲面模型的評(píng)價(jià)，如面的光順性等，主要通過曲面的高斯曲率分布、光照效果、法矢和主曲率圖檢驗(yàn)光順效果，并參照人的感官評(píng)價(jià)。(1)模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

精度反映逆向工程重建模型

(2)模型精度評(píng)價(jià)方法。曲線和曲面品質(zhì)分析方法主要是分析曲面的光順性，盡管可以通過曲面的曲率變化來評(píng)價(jià)光順效果，但并無具體的曲率值作依據(jù)，多數(shù)場合，還是以人的眼光來判斷曲面是否光順(觀察曲率圖、矢量圖和反射線圖等)。因此，光順性評(píng)價(jià)歸入非量化指標(biāo)。目前，商品化的CAD/CAM集成系統(tǒng)都具有曲線和曲面品質(zhì)分析功能和多種分析方法，常用的如高斯曲率(GuassianCurvature)、截面曲率(SectionCurvature)、切矢(Slope)、雙向曲率(Porcupine)、法向矢量(Normals)等。利用這些分析方法，通過著色渲染來觀察曲面曲率變化，以此來評(píng)估曲線和曲面的質(zhì)量。(2)模型精度評(píng)價(jià)方法。曲線和曲面品質(zhì)分析方法主要是分曲面的連續(xù)性大致分為位置連續(xù)、切線連續(xù)與曲率連續(xù)。

位置連續(xù)(0階連續(xù))：表示曲線間或曲面間僅有邊界上相接的關(guān)系。這種相接的關(guān)系可能形成一個(gè)尖銳的邊界。

切線連續(xù)(1階連續(xù))：說明曲線間或曲面間的連續(xù)處有相同的切線角度。切線連續(xù)可以滿足工業(yè)上大多數(shù)的需求。

曲率連續(xù)(2階連續(xù))：要求曲線間或曲面間的連續(xù)處有相同的曲率。曲率連續(xù)曲面不太容易構(gòu)建，一般用于流線外形的汽車等特殊產(chǎn)品。曲面的連續(xù)性大致分為位置連續(xù)、切線連續(xù)與曲率連續(xù)。

5.逆向工程軟件

目前，逆向工程軟件種類繁多，著名的有英國DelCAM公司的CopyCAD，美國Imageware公司的Surfacer，美國Raindrop公司的Geomagic，英國MDTV公司的STRIM。在一些流行的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似的功能模塊，如Pro/ENGINEER中的Pro/Scantools和ICEMSurf模塊，UGII中的PointCloud模塊，Cimatron中的ReverseEngineering模塊等。這些系統(tǒng)可以接受有序點(diǎn)，也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)，極大地方便了設(shè)計(jì)人員，但與專業(yè)的逆向工程軟件相比，它們的功能相當(dāng)有限。5.逆向工程軟件

目前，逆向工程軟件種類繁多，著一、Imageware

Imageware由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件之一，正被廣泛應(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。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota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)。Imageware逆向工程軟件的主要產(chǎn)品有：

Surfacer——逆向工程工具和class1曲面生成工具

Verdict——對(duì)測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估

Buildit——提供實(shí)時(shí)測量能力，驗(yàn)證產(chǎn)品的制造性

RPM——生成快速成型數(shù)據(jù)

View——功能與Verdict相似，主要用于提供三維報(bào)告

一、Imageware二、GeomagicStudio由美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件

GeomagicStudio可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件也是除了Imageware以外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件。

GeomagicStudio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五個(gè)模塊。主要功能包括：自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形(Polygons)快速減少多邊形數(shù)目(Decimate)把多邊形轉(zhuǎn)換為NURBS曲面曲面分析(公差分析等)

輸出與CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)二、GeomagicStudio三、RapidForm

RapidForm是韓國INUS公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm提供了新一代運(yùn)算模式，可實(shí)時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算出無接縫的多邊形曲面，使它成為3DScan后處理之最佳化的接口。RapidForm也將使您的工作效率提升，使3D掃描設(shè)備的運(yùn)用范圍擴(kuò)大，改善掃描品質(zhì)。三、RapidForm四、CopyCAD

CopyCAD是由英國DELCAM公司出品的功能強(qiáng)大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的CAD曲面的產(chǎn)生提供了復(fù)雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標(biāo)測量機(jī)床的數(shù)據(jù)，同時(shí)跟蹤機(jī)床和激光掃描器。四、CopyCAD

6.3逆向工程應(yīng)用實(shí)例

1．獲取表面點(diǎn)數(shù)據(jù)

點(diǎn)數(shù)據(jù)通過采用非接觸激光掃描儀測量鼠標(biāo)表面的方式獲得，如圖6-18所示。由于激光照射范圍以及CCD鏡頭接收角度的限制，測量過程要多次多角度地掃描，以獲取完整的表面點(diǎn)數(shù)據(jù)，這將使點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生坐標(biāo)不統(tǒng)一的現(xiàn)象。目前，部分掃描設(shè)備具備自動(dòng)定位不同角度掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能，但部分的測點(diǎn)數(shù)據(jù)仍需通過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的定位。6.3逆向工程應(yīng)用實(shí)例

1．獲取表面點(diǎn)數(shù)據(jù)圖6-18激光掃描儀測量鼠標(biāo)的外形數(shù)據(jù)圖6-18激光掃描儀測量鼠標(biāo)的外形數(shù)據(jù)

2．測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括：測量數(shù)據(jù)的拼合，噪聲點(diǎn)清除，坐標(biāo)校正，截面數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取，數(shù)據(jù)點(diǎn)重新取樣，截面數(shù)據(jù)點(diǎn)重新排序等步驟。

以下是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfacer10軟件完成此項(xiàng)工作的過程。

1)點(diǎn)數(shù)據(jù)的拼合

現(xiàn)有逆向工程軟件的數(shù)據(jù)拼合方法大致分為以下兩種：2．測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括：測量數(shù)據(jù)一種方法是選取欲拼合的點(diǎn)群數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)重疊的部分，然后自動(dòng)運(yùn)算該區(qū)域的曲率變化，將不同組數(shù)據(jù)中的相同區(qū)域拼合。選取區(qū)域自動(dòng)拼合的方式較為簡便，但運(yùn)算的時(shí)間受數(shù)據(jù)大小和精度的限制。一種方法是選取欲拼合的點(diǎn)群數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)重疊的部分，然后自動(dòng)另一種是利用基本像素實(shí)現(xiàn)定位。其方法是在待測物表面粘上標(biāo)志點(diǎn)或利用待測物上的平面等基本像素取得點(diǎn)數(shù)據(jù)后，分割出這些基本像素的點(diǎn)群，將這些標(biāo)志點(diǎn)或平面的點(diǎn)數(shù)據(jù)的像素坐標(biāo)求解出來，然后根據(jù)相應(yīng)位置處于同一點(diǎn)的原則進(jìn)行定位?；鞠袼氐钠春线^程較為繁雜，卻可得到較高的精度。這里采用標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)校正方法，由三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的測量資料決定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將兩次測量資料的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為一致。該法使用三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)，測量對(duì)象需粘貼三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并同時(shí)掃描，采用Atos測量儀自帶的軟件進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的拼合。拼合后的點(diǎn)云模型如圖6-19所示。另一種是利用基本像素實(shí)現(xiàn)定位。其方法是在待測物表面粘上標(biāo)圖6-19拼合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型圖6-19拼合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

2)噪聲點(diǎn)清除

無論是接觸式或非接觸式測量，所獲取的點(diǎn)數(shù)據(jù)中都會(huì)有不需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)存在，如夾具的點(diǎn)數(shù)據(jù)，工件表面粗糙度的影響，工件表面形狀變化過于劇烈而形成的噪聲點(diǎn)等，

容易造成曲面構(gòu)建時(shí)的誤判。得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，首先必須檢查點(diǎn)群，刪除不需要的噪聲點(diǎn)。圖6-20所示為手工圈選清除噪聲點(diǎn)。2)噪聲點(diǎn)清除

無論是接觸式或非接觸式測量，所獲取圖6-20清除噪聲點(diǎn)圖6-20清除噪聲點(diǎn)

3)點(diǎn)云坐標(biāo)校正

在測量過程中，為了掃描的方便，或避免干擾激光掃描和CCD接收數(shù)據(jù)，通常點(diǎn)云不會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系對(duì)齊。為方便后續(xù)工作，需要運(yùn)用Surfacer軟件的定位功能進(jìn)行點(diǎn)云坐標(biāo)校正。經(jīng)調(diào)整的點(diǎn)云位置如圖6-21所示。3)點(diǎn)云坐標(biāo)校正

在測量過程中，為了掃描的方便，或圖6-21校正后的點(diǎn)云圖6-21校正后的點(diǎn)云

4)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取

建構(gòu)曲面的曲線可以用截面方式指定平面法向量與間隔，將所需的截面點(diǎn)數(shù)據(jù)提取出來，截面可以用平行、圓形、放射狀、沿輪廓線等方式選取。本例沿Z軸方向共平行切割30個(gè)截面，如圖6-22所示。4)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取

建構(gòu)曲面的曲線可以用截面方式指圖6-22點(diǎn)云截面圖6-22點(diǎn)云截面

5)點(diǎn)數(shù)據(jù)修補(bǔ)

由于鼠標(biāo)樣件表面存在區(qū)域缺陷(凹陷)或表面分模線溝槽，使得激光掃描結(jié)果出現(xiàn)局部破損，這時(shí)需要進(jìn)行插值修補(bǔ)。圖6-23所示為軟件插值修補(bǔ)前后的對(duì)比。5)點(diǎn)數(shù)據(jù)修補(bǔ)

由于鼠標(biāo)樣件表面存在區(qū)域缺陷(凹陷圖6-23點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值修補(bǔ)前后對(duì)比圖圖6-23點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值修補(bǔ)前后對(duì)比圖

6)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)重新排序

在修補(bǔ)及重新取樣后，會(huì)破壞原有數(shù)據(jù)的排序，需要通過點(diǎn)的順序確認(rèn)(圖6-24中連線)方式重新整理，保證擬合曲線時(shí)曲線方向一致，避免曲面構(gòu)建時(shí)發(fā)生扭曲。6)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)重新排序

在修補(bǔ)及重新取樣后，會(huì)破壞圖6-24數(shù)據(jù)點(diǎn)重新排序圖6-24數(shù)據(jù)點(diǎn)重新排序

3．曲線擬合

通過設(shè)定控制點(diǎn)數(shù)目和曲線平滑值，軟件將自動(dòng)進(jìn)行曲線擬合，如圖6-25所示。

4．曲面構(gòu)建

以前面生成的曲線為基礎(chǔ)，即可構(gòu)建出如圖6-26所示的舉升曲面。3．曲線擬合

通過設(shè)定控制點(diǎn)數(shù)目和曲線平滑值，軟件圖6-25曲線擬合圖6-25曲線擬合圖6-26構(gòu)建舉升曲面圖6-26構(gòu)建舉升曲面

5．曲面編輯

舉升方式生成的曲面，通常在頭、尾兩端會(huì)因截面資料不足而致使曲面描述不完整，這時(shí)可以根據(jù)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)另建邊界曲線，再一次構(gòu)建舉升曲面，并與原始曲面拼合形成單一曲面。若曲線間誤差太大，曲面可能會(huì)形成皺褶等不平滑情形，則可以通過調(diào)整曲面的控制點(diǎn)或直接調(diào)整曲面的網(wǎng)格來加以編輯，如圖6-27所示。完成編輯后的曲面如圖6-28所示。5．曲面編輯

舉升方式生成的曲面，通常在頭、尾兩端圖6-27調(diào)整曲面圖6-27調(diào)整曲面圖6-28完整的曲面圖6-28完整的曲面

6．曲面檢測

利用曲率可分析曲面的光順狀況，評(píng)估曲面品質(zhì)的好壞。圖6-29所示為利用高斯曲率檢測曲面的光順性，綠色表示平滑，出現(xiàn)紅色或黃色的區(qū)域則表明曲率變化大。若曲面某

區(qū)域不光順，則返回上一步進(jìn)行局部調(diào)整。6．曲面檢測

利用曲率可分析曲面的光順狀況，評(píng)估曲圖6-29利用高斯曲率檢測曲面光順性圖6-29利用高斯曲率檢測曲面光順性

7．三維曲面建立

將建好的曲面存為IGES格式，轉(zhuǎn)入CAD/CAM一體化軟件進(jìn)一步編輯曲面模型。圖6-30所示為IDEAS軟件讀入IGES格式的曲面模型。圖6-31所示為根據(jù)曲面模型建立的三維實(shí)體模型。7．三維曲面建立

將建好的曲面存為IGES格式，轉(zhuǎn)圖6-30IDEAS軟件讀入IGES格式的曲面模型圖6-30IDEAS軟件讀入IGES格式的曲面模型圖6-31三維實(shí)體模型圖6-31三維實(shí)體模型

8．快速原型加工

將模型存為STL格式后，即可輸入快速原型機(jī)加工，得到實(shí)體模型，如圖6-32所示。當(dāng)然，模型也可以用于進(jìn)一步分析(CAE)，或?qū)⒛Ｐ痛_定后直接用于開發(fā)模具。8．快速原型加工

將模型存為STL格式后，即可輸入圖6-32快速原型加工圖6-32快速原型加工逆向工程設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用實(shí)例

——車身外表面的測量1、測量內(nèi)容車身外表面的測量一般包括三種：1）油泥模型測量獲得造型結(jié)果的數(shù)值信息，為下一步計(jì)算機(jī)造型提供數(shù)據(jù)信息。油泥模型是由填料、凝固劑、增強(qiáng)材料調(diào)制出來的具有保持雕塑形狀及一定耐久強(qiáng)度的機(jī)械產(chǎn)品模型或藝術(shù)品。2）白車身的測量為了仿型而獲得表面數(shù)據(jù)，其測量要力圖再現(xiàn)原車的設(shè)計(jì)意圖；有時(shí)為了檢驗(yàn)車身焊裝質(zhì)量，可以在車身加載前后分別的測量主要焊縫和窗口、門柱、側(cè)窗立柱的位置進(jìn)行車體的變形分析。白車身是指已經(jīng)焊好，但尚未漆化的白皮車身，主要用來表示車身結(jié)構(gòu)和覆蓋間的焊接構(gòu)成。3）成品汽車的測量檢驗(yàn)車身的外觀質(zhì)量、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能、仿型或改型設(shè)計(jì)。逆向工程設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用實(shí)例

——車身外表面的測量1、測量內(nèi)容2、測量方法1）定位：是指在被測物體上建立一個(gè)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測量參考基準(zhǔn)，也叫做建立工件坐標(biāo)系。參考基準(zhǔn)的選擇和精度對(duì)測量的結(jié)果有重要的影響，有時(shí)甚至決定著測量工作的成敗。將車體制成在測量平臺(tái)上，使車體盡量水平放置，對(duì)車體的支撐部件不能太少，一般前后左右要安排6-8處支撐，支撐的具體部位要選擇車體剛度較大的地方，如果是白車身，最好將支撐設(shè)在底架與車架的懸置點(diǎn)上。這樣做的目的是為了盡量消除車體不正常的井邊形對(duì)測量的影響?；酒矫娴倪x擇要考慮測量的方便和可能。

前輪中心的橫向位置是車身坐標(biāo)系的原點(diǎn)。2、測量方法2）點(diǎn)位測量方法測量機(jī)檢測一個(gè)點(diǎn)的完整過程包括：a、選擇測頭的類型、規(guī)格，確定它的安裝狀態(tài)；b、側(cè)頭快速移動(dòng)到定位點(diǎn)，以一定的精度接近被測點(diǎn)；c、側(cè)頭從定位點(diǎn)慢速向中間的被測點(diǎn)趨近，當(dāng)接觸狀態(tài)達(dá)到要求后，發(fā)出過零的信號(hào)，對(duì)檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測，讀數(shù)頭在X、Y、Z三個(gè)軸上分別取出測量數(shù)據(jù)；d、將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中處理；e、輸出測量結(jié)果。3）仿型連續(xù)掃描法：測頭連續(xù)的在工件表面上移動(dòng)，而測量點(diǎn)則是按預(yù)定的間隔進(jìn)行采樣和記錄。整個(gè)掃描和測量工作都自動(dòng)完成。這種方法測量車身截面線最方便。2）點(diǎn)位測量方法4）通用連續(xù)掃描法：也稱程序控制連續(xù)掃描法。采用此法時(shí)測頭相對(duì)于工件外形輪廓的運(yùn)動(dòng)軌跡由存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的程序給定。測頭位移的運(yùn)動(dòng)軌跡為“標(biāo)準(zhǔn)軌跡”。這種簡單的直線坐標(biāo)軌跡能簡化測量程序。但是標(biāo)準(zhǔn)軌跡對(duì)名義型面的偏差，以及工件可能產(chǎn)生的誤差總和不能差國測頭的測量范圍。最后輸出的結(jié)果技術(shù)由計(jì)算機(jī)記錄和算出的實(shí)際輪廓對(duì)名義輪廓的誤差。4）通用連續(xù)掃描法：也稱程序控制連續(xù)掃描法。采用此法時(shí)測頭相

6.4快速原型與快速模具

1概述

2.快速原型的基本原理

3.快速原型的主要工藝方法

4.快速成型法的特點(diǎn)

5.快速模具

6快速原型汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用6.4快速原型與快速模具

1概述

2.快速原型

1.概述

快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing，RPM)又稱為快速出樣件技術(shù)或快速成型法，是20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的一種新技術(shù)。與傳統(tǒng)去除材料的加工方法不同，RPM采用材料累加的方法逐層制作，對(duì)快速響應(yīng)市場、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用具有極其重要的意義。

在仿制復(fù)雜的樣件時(shí)，若采用傳統(tǒng)CAD建模，則往往費(fèi)時(shí)且不夠精確，快速原型制造也隨之失去了快速的意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，快速原型技術(shù)與逆向工程技術(shù)聯(lián)系緊密。1.概述

快速原型制造(RapidPrototypi由于快速原型制造方法對(duì)使用材料加以限制，因而試件往往與實(shí)際產(chǎn)品要求不符，便產(chǎn)生了以RPM技術(shù)為基礎(chǔ)的快速模具(RapidTooling，RT)制造技術(shù)。圖6-33所示為逆向工程和快速模具應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的過程。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、逆向工程(RE)、快速成型(RP)和快速模具(RT)等技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，形成了一整套快速制造系統(tǒng)，在航空航天、汽車、模具制造和生物工程等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。(CADRE)RP)RT由于快速原型制造方法對(duì)使用材料加以限制，因而試件往往與實(shí)圖6-33利用逆向工程、快速原型和快速模具開發(fā)產(chǎn)品的過程圖6-33利用逆向工程、快速原型和快速模具開發(fā)產(chǎn)品的過程

快速原型技術(shù)的發(fā)展

快速原型技術(shù)概念即RP(RapidPrototypingTechnology)概念的提出可追溯到1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，該設(shè)想提出后，由丸谷洋二于1984年繼續(xù)研究，并于1987年進(jìn)行產(chǎn)品試制。

1988年，美國3DSystems公司率先推出快速原型實(shí)用裝置—激光立體造型即SLA(StereoLightgraphyApparatus),并以年銷售增長率為30%～40%的增幅在世界市場出售。近年來，隨著掃描振鏡性能的提高，以及材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，快速原型技術(shù)已日趨成熟，并于1994年正式進(jìn)入推廣普及階段。

快速原型技術(shù)的發(fā)展

2.快速原型的基本原理

快速原型技術(shù)是一種基于離散堆積成型思想的新型成型技術(shù)。它首先借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，或用實(shí)物逆向工程的方法采集到有關(guān)原型的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，從而獲得目標(biāo)原型的CAD模型，然后將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的集成制造系統(tǒng)，通過逐點(diǎn)(或逐面)進(jìn)行材料的“三維堆砌”成型，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以，RPM是一種快速、準(zhǔn)確地制造原型或?qū)嶋H零件、部件的先進(jìn)制造方法。2.快速原型的基本原理

快速原型技術(shù)是一種基于離散第六章逆向工程課件簡單地說，RPM就是將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)生的實(shí)體模型，由層層堆砌的方式，經(jīng)快速、自動(dòng)化的流程制造出來，其核心是CAD模型直接驅(qū)動(dòng)。其技術(shù)原理如圖6-34所示?？梢钥闯?，快速原型技術(shù)是一個(gè)由三維轉(zhuǎn)換成二維(軟件離散化)，再由二維到三維(材料堆積)的工作過程。簡單地說，RPM就是將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)生的實(shí)體模型，由層圖6-34快速原型制造流程圖圖6-34快速原型制造流程圖RP技術(shù)的基本原理圖三維CAD模型分層切片各層截面的輪廓激光器（或噴嘴）按各層截面輪廓切割、固化或燒結(jié)微小厚度的片狀實(shí)體逐層堆積三維模型或樣件RP技術(shù)的基本原理圖三維CAD模型分層切片各層截面的輪廓激光快速原型制造的優(yōu)勢1.不需要任何刀具，模具及工裝卡具的情況下，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實(shí)體模型或樣件2.模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外觀驗(yàn)證、工程分析、市場訂貨以及企業(yè)的決策等，非常有利于早找錯(cuò)早修改早優(yōu)化，提高了新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。3.快速、準(zhǔn)確、以及制造復(fù)雜模型。4.結(jié)合CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)?？焖僭椭圃斓膬?yōu)勢1.不需要任何刀具，模具及工裝卡具的情況下快速成型的應(yīng)用特點(diǎn)用于新產(chǎn)品開發(fā)；產(chǎn)品的加工不用刀具；應(yīng)用快速制造模具；不需要前期投入專門工裝；在逆向工程（ReverseEngineering）中有著廣泛的應(yīng)用；

快速成型的應(yīng)用特點(diǎn)用于新產(chǎn)品開發(fā)；

3.快速原型的主要工藝方法

迄今為止，國內(nèi)外已成功開發(fā)了10多種成熟的快速原型工藝。其中比