三維測(cè)量及反求工程

三維測(cè)量與反求工程重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院曹樂(lè)2008-12-1211.反求工程概念2.實(shí)物反求的一般步驟3.常用反求工程軟件4.實(shí)驗(yàn)安排與注意事項(xiàng)主要內(nèi)容翻開人類幾千年研究與探索的歷史，不難看出，大多數(shù)成果都是在已有研究的基礎(chǔ)上，模仿自然界和人類社會(huì)在相關(guān)領(lǐng)域、具有相應(yīng)特長(zhǎng)、特性的事物或動(dòng)物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。概述看到天空中的飛鳥，人們仿制了飛機(jī)；但飛機(jī)比鳥飛得更高、更快、更遠(yuǎn)；概述看到海中游的鯨魚，人們仿制了潛艇但潛艇比鯨魚潛得更深、體積更大、續(xù)潛能力更強(qiáng)。概述概述人類一直在學(xué)習(xí)現(xiàn)有事物、研究現(xiàn)有事物、仿制現(xiàn)有事物；即人類一直在采用反求工程的方式工作，不僅仿制原型，而且超越原型。概述什么是反求工程？在制造領(lǐng)域，反求工程是指根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型，重新構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型。反求工程是對(duì)已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)；反求工程的主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的數(shù)字化模型。反求工程的概念概述在機(jī)械制造領(lǐng)域，反求工程有什么用？齒輪剛開始工作時(shí)，并非處于最佳狀態(tài)，要工作一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)間磨合后，才能達(dá)到比較理想的工作狀態(tài)，這時(shí)的幾何尺寸是我們想知道的。但這時(shí)的齒輪和設(shè)計(jì)原樣已有差別。反求工程在產(chǎn)品研發(fā)中的重要作用反求工程在產(chǎn)品開發(fā)中具有重要作用。產(chǎn)品研發(fā)并非空中樓閣，一般來(lái)說(shuō)，我們需要在現(xiàn)有的產(chǎn)品和技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，但現(xiàn)有產(chǎn)品并非都有模型和數(shù)據(jù)信息，人們往往需要用反求的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模型還原。反求工程在產(chǎn)品研發(fā)中的重要作用通過(guò)反求的方式獲取當(dāng)前狀態(tài)下的幾何模型，與原有設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較分析，有助于改進(jìn)原有設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，反求工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效工具。反求工程在產(chǎn)品研發(fā)中的重要作用在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中，由于沒(méi)有設(shè)計(jì)資料，我們經(jīng)常需對(duì)實(shí)物進(jìn)行反求，以獲取其幾何形狀信息。反求工程在產(chǎn)品研發(fā)中的重要作用實(shí)物反求的一般流程數(shù)據(jù)采集是反求工程的起點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集應(yīng)保證數(shù)據(jù)正確和采集過(guò)程高效。正確是指所采集的數(shù)據(jù)足夠反映樣件的特性而不會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)；高效是指在正確表示產(chǎn)品特性的情況下，所采集的數(shù)據(jù)盡量少、所走過(guò)的路徑盡量短、所化費(fèi)的時(shí)間盡量少。三維測(cè)量與數(shù)據(jù)采集實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法反求工程中的測(cè)量方法一般分為接觸式和非接觸式兩種。實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法接觸式測(cè)量是傳統(tǒng)的測(cè)量方式，也是常用的一種方式，其典型代表是三座標(biāo)測(cè)量機(jī)。采用三座標(biāo)測(cè)量機(jī)可以達(dá)到很高的測(cè)量精度(士0.5um)，但是由于采用的是接觸式測(cè)量，易于損傷測(cè)頭和劃傷被測(cè)零件表面。始終還需要人工干預(yù)，不可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量，測(cè)量速度較慢。實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法目前，在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，反求工程測(cè)量多采用三座標(biāo)測(cè)量機(jī)，使用三座標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)，其誤差主要來(lái)源于設(shè)備誤差、裝夾誤差、測(cè)量基準(zhǔn)的確定性誤差及測(cè)頭半徑的補(bǔ)償誤差。誤差處理的關(guān)鍵在于測(cè)頭半徑的補(bǔ)償和修正，因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)量而得到的數(shù)據(jù)實(shí)際上只是測(cè)量時(shí)測(cè)頭中心的位置座標(biāo)，需要經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和修正后才能得到曲面的真實(shí)座標(biāo)值。實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，用非接觸式的光電方法對(duì)曲面三維形貌、形狀進(jìn)行快速測(cè)量已成為大趨勢(shì)。非接觸式測(cè)量方式特點(diǎn)是:測(cè)量過(guò)程中，測(cè)頭不接觸被測(cè)表面，避免了接觸式測(cè)量中測(cè)頭半徑補(bǔ)償帶來(lái)的麻煩和被測(cè)表面的劃傷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各表面進(jìn)行高速測(cè)量。實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法非接觸測(cè)量方法主要有:光柵投影、激光三角形、三維視覺(jué)、激光掃描法等，此外還出現(xiàn)了CT和核磁共振掃描方法。FrancoisBlais.AReviewof20YearsofRangeSensorDevelopment.

ProceedingsofSPIE-IS&TElectronicImaging,SPIEVol.5013(2003),p,62-76.實(shí)物反求的一般流程常見的測(cè)量設(shè)備Pleasereferto：RaindropGeomagic3DScannerReport200250多個(gè)廠家100多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品：3Ddigital,Cyberware,GOM,Immersion,Renishaw,Roland,Steinbichler等三座標(biāo)測(cè)量機(jī)22樣機(jī)多運(yùn)動(dòng)組合式23手持式24

25照相式26

2728德國(guó)GOM公司獨(dú)家研制的ATOS流動(dòng)式光學(xué)掃描儀是目前市場(chǎng)上最為先進(jìn)的非接觸式三坐標(biāo)掃描設(shè)備。該設(shè)備采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工件表面，借助兩個(gè)高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可在極短的時(shí)間獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云。其獨(dú)特的流動(dòng)式設(shè)計(jì)和不同視角點(diǎn)云的自動(dòng)拼合技術(shù)，使掃描不需要借助于機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，掃描范圍可達(dá)12m，而掃描大型工件則變得高效、輕松和容易。其高質(zhì)量的完美掃描點(diǎn)云可用于產(chǎn)品開發(fā)、逆向工程、快速成型、質(zhì)量控制。29

MoreSystems,MoreChoices

Nosystemisperfect,butwithallthenewchoices,there’sprobablyatechnologythatworksforyou.30實(shí)物反求的一般流程對(duì)規(guī)則形狀諸如直線、圓弧、平面、圓柱、球等，也包括擴(kuò)展規(guī)則形狀如雙曲線、螺旋線、齒輪、凸輪等，數(shù)據(jù)采集多用精度高的接觸式探頭，依據(jù)數(shù)學(xué)定義這些元素所需的點(diǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃。對(duì)非規(guī)則形狀的自由曲面，多采用非接觸式測(cè)量方法，因?yàn)樾枰涗涀銐虻臄?shù)據(jù)點(diǎn)信息。數(shù)據(jù)采集規(guī)劃實(shí)物反求的一般流程三維測(cè)量方法點(diǎn)云預(yù)處理實(shí)物反求的一般流程多視點(diǎn)云的拼合在逆向工程實(shí)際的過(guò)程中，由于坐標(biāo)測(cè)量都有自己的測(cè)量范圍，因此無(wú)論我們采用什么測(cè)量方法，都很難在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次完全測(cè)出。產(chǎn)品的數(shù)字化不能在同一坐標(biāo)系下完成，而在模型重建的時(shí)候又必須將這些不同坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系里，這個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程就是多視數(shù)據(jù)定位對(duì)齊(多視點(diǎn)云的拼合)。34點(diǎn)云排列35點(diǎn)云預(yù)處理實(shí)物反求的一般流程測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可能存在噪音點(diǎn)，或者需要補(bǔ)償測(cè)頭的半徑，有時(shí)還要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，所有這些內(nèi)容都屬于測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理的范圍。重構(gòu)曲面前對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的預(yù)處理是反求工程的重要內(nèi)容之一。曲線曲面重構(gòu)實(shí)物反求的一般流程反求軟件和造型軟件結(jié)合曲線擬合：曲線是構(gòu)成曲面的基礎(chǔ)，首先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)插值或逼近擬合成樣條曲線，然后采用造型軟件完成曲面片的重構(gòu)造型。優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡(jiǎn)單，只要多項(xiàng)式的次數(shù)足夠高就可以得到滿意的曲面，一般用于擬合比較簡(jiǎn)單的曲面。曲面片直接：直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接形成最終的曲面模型。曲面擬合既可以處理有序點(diǎn)，也可以處理散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)。誤差分析實(shí)物反求的一般流程目前，商品化系統(tǒng)都具有曲面品質(zhì)分析功能和多種分析方法，利用這些分析方法，通過(guò)著色渲染來(lái)觀察曲面/曲率的變化、來(lái)評(píng)估曲面的質(zhì)量。工作流程測(cè)量->點(diǎn)云->預(yù)處理->曲線曲面重構(gòu)->誤差分析->改進(jìn)造型—》常用的反求工程軟件Imageware：由美國(guó)EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件。被廣泛地應(yīng)用于通用機(jī)械、汽車、模具、航空航天、電子和計(jì)算機(jī)零部件行業(yè)等諸多領(lǐng)域與行業(yè)部門。很多著名的國(guó)際大公司，像BMW，Audi，Bee—ing，GM，F(xiàn)ord，Raytheon，Toyota，Daimler-Berm，Chrysler，Hyundai，Volkswagen，Honda，Nissan，Mazda，Isuzu，Peugeot等都是Imageware軟件的用戶。由此可見，Imageware軟件在國(guó)際上逆向工程行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

常用的反求工程軟件GeomagicStudio:由美國(guó)Raindrop公司研發(fā)出品的一種三維檢測(cè)軟件和逆向工程軟件，該軟件能很容易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并能自行更改而構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面。常用的反求工程軟件CopyCAD軟件:由英國(guó)DELCAM公司出品的功能強(qiáng)大的逆向工程系統(tǒng)軟件。該軟件主要處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。CopyCAD軟件用戶界面非常簡(jiǎn)單，對(duì)于初次學(xué)習(xí)者或使用者來(lái)說(shuō)這點(diǎn)很占優(yōu)勢(shì)。使用CopyCAD軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)的快速編輯，使其產(chǎn)生具有高品質(zhì)的復(fù)雜曲面。實(shí)驗(yàn)安排與注意事項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康模毫私鈱?shí)物反求的基本流程；了解常見的三維測(cè)