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(cè)量原理，掌握接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量的不同技術(shù)特點(diǎn)。通過三個(gè)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(shí)要點(diǎn)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(cè)量與非接觸測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)接觸式測(cè)量和非接觸測(cè)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(chǔ)蓄罐外形測(cè)量任務(wù)三車燈燈罩外形測(cè)量任務(wù)四風(fēng)扇外形測(cè)量表面數(shù)據(jù)測(cè)量非接觸式接觸式光學(xué)式非光學(xué)式觸發(fā)式機(jī)械手臂三角形法結(jié)構(gòu)光法激光干涉法計(jì)算機(jī)視圖法

CT測(cè)量法MRI測(cè)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(cè)量，點(diǎn)測(cè)量精度幾個(gè)μm測(cè)量速度慢二、接觸式數(shù)據(jù)掃描——三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CMM

接觸式測(cè)量特點(diǎn)測(cè)量精度高與被測(cè)物體表面的顏色、外形無關(guān)，對(duì)光強(qiáng)無要求可直接測(cè)量特征尺寸測(cè)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(bǔ)償測(cè)量時(shí)需要固定和定位基準(zhǔn)非接觸測(cè)量，線測(cè)量精度幾十個(gè)μm測(cè)量速度較快三、非接觸式光學(xué)掃描——激光掃描測(cè)量三、非接觸式光學(xué)掃描——結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)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(shí)現(xiàn)兩幅圖像上的點(diǎn)的匹配，利用定標(biāo)了的攝像機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算點(diǎn)在三維空間坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)物體表面三維輪廓的測(cè)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(cè)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(yuǎn)上海數(shù)造機(jī)電蘇州西博）北京天遠(yuǎn)OKIO-I/II/V3DSSLED白光掃描儀3DSS藍(lán)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(diǎn)

(1)測(cè)量速度快，不必逐點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量面積大，數(shù)據(jù)較為完整。

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

(4）對(duì)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(huì)影響測(cè)量的精度。

(5)測(cè)量精度一般，特別是相對(duì)于接觸式測(cè)頭測(cè)量數(shù)據(jù)而言。

(6)對(duì)于一些細(xì)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(cè)量，激光無法照射到的地方便無法測(cè)量。三、非接觸式非光學(xué)掃描——斷層掃描可以測(cè)量物體表面、內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)特征

破壞性測(cè)量——層去掃描法非破壞性測(cè)量——CT測(cè)量法——MRI測(cè)量法

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

結(jié)構(gòu)光（白光）激光掃描儀三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)體積小一般大系統(tǒng)重量輕、方便移動(dòng)一般、可移動(dòng)重、不可移動(dòng)掃描方式面點(diǎn)、線點(diǎn)測(cè)量精度高較高高測(cè)量范圍大一般小測(cè)量時(shí)間小于5秒10分鐘--數(shù)小時(shí)數(shù)小時(shí)--數(shù)天安裝設(shè)置簡單一般需調(diào)試維護(hù)難度容易一般難、嚴(yán)格工作環(huán)境不嚴(yán)格一般嚴(yán)格適用范圍所有物體廠家不同而不同硬物體的測(cè)量掃描精度應(yīng)滿足實(shí)際的需要；掃描速度快，盡量減少測(cè)量在整個(gè)逆向過程中所占有的時(shí)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(duì)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(cè)量的方法，對(duì)規(guī)則形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用接觸式測(cè)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(huì)帶來測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)不佳。

非接觸光學(xué)掃描的前處理

貼標(biāo)記點(diǎn)或標(biāo)識(shí)點(diǎn)

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

(2)標(biāo)記點(diǎn)用來協(xié)助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的，是多視覺注冊(cè)拼合的特征點(diǎn)。(3)標(biāo)記點(diǎn)可以是掃描物體本身的特征點(diǎn)、可以用筆畫在紙上的標(biāo)記、或用橡皮泥捏成的標(biāo)記點(diǎn)。如果自動(dòng)拼合，標(biāo)記點(diǎn)是一個(gè)個(gè)黑白的專用標(biāo)記點(diǎn)掃描規(guī)劃精確掃描——對(duì)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(shí)間。任務(wù)二儲(chǔ)蓄罐外形測(cè)量任務(wù)分析

儲(chǔ)蓄罐造型為一卡通龍形狀，細(xì)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(chǔ)蓄罐造型只需處理外形數(shù)據(jù)后抽殼即可。柯尼卡美能達(dá)三維掃描儀VIVID９10i

ＲＡＮＧＥ7VIVID９10

儲(chǔ)蓄罐形如卡通龍，在表面有足夠明顯的細(xì)節(jié)特征，這些特征作為多視覺數(shù)據(jù)掃描拼合時(shí)的標(biāo)記點(diǎn)已足夠，所以不需再加標(biāo)記點(diǎn)。但表面金色反光，所以噴上白色的顯像劑。儲(chǔ)蓄罐掃描前處理按圖所示的姿態(tài)，從上往下掃描時(shí)，脖子里及招財(cái)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(shí)，要把側(cè)面的特征也帶上，便于數(shù)據(jù)的拼合。儲(chǔ)蓄罐掃描規(guī)劃任務(wù)三車燈外形測(cè)量任務(wù)分析車燈燈罩形狀，由幾個(gè)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(xì)節(jié)過渡特征不明顯，最好能夠自動(dòng)拼接，為此通過貼專用的標(biāo)記點(diǎn)，自動(dòng)拼合。

優(yōu)勢(shì)：連續(xù)掃描、自動(dòng)拼接，實(shí)時(shí)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(cè)量速度

18,000點(diǎn)/秒激光等級(jí)II(眼睛安全)XY軸精度高達(dá)0.05mm(高達(dá)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(dòng)拼合，所以需要在貼專用的標(biāo)記點(diǎn)貼標(biāo)記點(diǎn)合適的標(biāo)記點(diǎn)不合適的標(biāo)記點(diǎn)

為了使內(nèi)外表面數(shù)據(jù)自動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)拼合，先掃描標(biāo)記點(diǎn)。借助內(nèi)、外表面標(biāo)記點(diǎn)，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(huì)地自動(dòng)拼合在一起。（2）先完成一個(gè)表面的掃描，轉(zhuǎn)動(dòng)掃描件，借助貼有標(biāo)記點(diǎn)的底板上的輔助點(diǎn)獲取被測(cè)物體另一表面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，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(shí)，首先要做好掃描件的預(yù)處理。為了達(dá)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(shí)現(xiàn)手工注冊(cè)拼合或掃描過程中自動(dòng)拼合，在物體表面合理粘貼標(biāo)記點(diǎn)。其次要做好掃描規(guī)劃，以提高掃描效率。掃描時(shí)按照一定的順序（朝一個(gè)方向）旋轉(zhuǎn)掃描件或移動(dòng)掃描設(shè)備