第2章 逆向工程數(shù)據(jù)測量與處理1

逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用主編陳雪芳第2章逆向工程數(shù)據(jù)測量與處理2.1數(shù)據(jù)測量方法

2.2三坐標測量機

2.2.1三坐標測量機的組成

2.2.2三坐標測量機的工作原理

2.2.3三坐標測量機的分類

2.2.4三坐標測量機的結(jié)構(gòu)形式

2.2.5三坐標測量機的導軌

2.2.6三坐標測量機的測量系統(tǒng)

2.2.7三坐標測量機的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的功能

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

測量進給控制第2章逆向工程數(shù)據(jù)測量與處理控制系統(tǒng)的通信

2.2.8三坐標測量機的軟件系統(tǒng)

2.2.9三坐標測量機的發(fā)展趨勢

2.3斷層數(shù)據(jù)測量

2.4測量數(shù)據(jù)處理流程

2.4.1概述

2.4.2測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.5VIVID-910型三坐標激光掃描儀簡介

2.5.1結(jié)構(gòu)形式及主要技術(shù)指標

2.5.2測量軟件2.1數(shù)據(jù)測量方法圖2-1各種測量方法的分類逆向工程軟件：Imageware、Raindrop、GeomagicStudio、Paraform、ICEMSurf、CopyCAD等CAD/CAM系統(tǒng)類似模塊，UG—Unigrahics、ProE—Pro/SCAM、Cimatron90—PointCloud等逆向技術(shù)逆向工程背景

接觸式三坐標測量儀非觸式三坐標測量儀工業(yè)CT測量機接觸式測量數(shù)字化測量—測量設(shè)備

非接觸式測量數(shù)字化測量—測量方法比較優(yōu)點接觸式探頭發(fā)展已有幾十年，其機械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)已相當成熟，故有較高的準確性和可靠性。接觸式測量探頭直接接觸工作表面，與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。缺點為了確定測量基準點而使用特殊的夾具，不同形狀的產(chǎn)品可能會要求不同的夾具，因此導致測量費用較高。球形的探頭易因接觸力造成磨損，為了維持測量精度，需要經(jīng)常校正探頭的直徑，不當?shù)牟僮鬟€會損壞工件表面和探頭。測量數(shù)度較慢，對于工件表面的內(nèi)形檢測受到觸發(fā)探頭直徑的限制。對三維曲面的測量，探頭測量到的點是探頭的球心位置，欲求得物體真實外型需要對探頭半徑進行補償，因而可能引入修正誤差。接觸式測量數(shù)字化測量—測量方法比較優(yōu)點不必作半徑補償，因為激光光點位置就是工件表面的位置。測量數(shù)度非?？?，不必像接觸式探頭那樣逐點進出測量。軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測量。缺點測量精度較差，因接觸式探頭大多使用光敏位置探測器來檢測光點位置，目前其精度仍不夠，約為20以上。因非接觸式探頭大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件表面反射特性的影響，如顏色、曲率等。非接觸式測量只做工件輪廓坐標點的大量取樣，對邊線處理、凹孔處理以及不連續(xù)形狀的處理較困難。非接觸式測量2.2三坐標測量機三坐標測量機（CMM）是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測量儀器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動機床、數(shù)控機床高效率加工以及越來越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設(shè)備與之配套；另一方面是由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標測量機的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。2.2.1三坐標測量機的組成(1)機械系統(tǒng)一般由三個正交的直線運動軸構(gòu)成。

(2)電子系統(tǒng)一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。(1)機械系統(tǒng)一般由三個正交的直線運動軸構(gòu)成。一般由三個正交的直線運動軸構(gòu)成。在圖2-4所示結(jié)構(gòu)中，X向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向?qū)к壪到y(tǒng)，Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動的手輪及機動、數(shù)控驅(qū)動的電動機一般都在各軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在Z軸端部。(2)電子系統(tǒng)一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。圖2-4三坐標測量機的組成(2)電子系統(tǒng)一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。圖2-5三坐標測量機的工作原理2.2.2三坐標測量機的工作原理三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它首先將各被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些幾何元素上一些點的坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)過數(shù)學運算求出其尺寸和形位誤差。三坐標測量機的這一工作原理使得其具有很大的通用性與柔性。從原理上說，它可以測量任何工件的任何幾何元素的任何參數(shù)。2.2.3三坐標測量機的分類(1)數(shù)字顯示及打印型這類三坐標測量機主要用于幾何尺寸測量，可顯示并打印出測得點的坐標數(shù)據(jù)，但要獲得所需的幾何尺寸形位誤差，還需進行人工運算，其技術(shù)水平較低，目前已基本被淘汰。

(2)帶有計算機進行數(shù)據(jù)處理型這類三坐標測量機技術(shù)水平略高，目前應(yīng)用較多。

(3)計算機數(shù)字控制型這類三坐標測量機技術(shù)水平較高，可像數(shù)控機床一樣，按照編制好的程序自動測量。

(1)小型坐標測量機這類三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向(一般為X軸方向)上的測量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測量。2.2.3三坐標測量機的分類(2)中型坐標測量機這類三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍為500～2000mm，是應(yīng)用最多的機型，主要用于箱體、模具類零件的測量。

(3)大型坐標測量機這類三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車與發(fā)動機外殼、航空發(fā)動機葉片等大型零件的測量。

(1)精密型三坐標測量機其單軸最大測量不確定度小于1×10-6L(L為最大量程，單位為mm)，空間最大測量不確定度小于(2~3)×10-6L，一般放在具有恒溫條件的計量室內(nèi)，用于精密測量。2.2.3三坐標測量機的分類(2)中、低精度三坐標測量機低精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度在1×10-4L左右，空間最大測量不確定度為(2~3)×10-4L，中等精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度約為1×10-5L，空間最大測量不確定度為(2~3)×10-5L。2.2.4三坐標測量機的結(jié)構(gòu)形式圖2-6三坐標測量機的結(jié)構(gòu)形式2.2.5三坐標測量機的導軌圖2-7三坐標測量機氣浮導軌的結(jié)構(gòu)2.2.6三坐標測量機的測量系統(tǒng)1.標尺系統(tǒng)

2.測頭系統(tǒng)1.標尺系統(tǒng)標尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標數(shù)值的。目前在三坐標測量機上使用的標尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機械式標尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學式標尺系統(tǒng)（如光學讀數(shù)刻線尺，光學編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對國內(nèi)外生產(chǎn)三坐標測量機所使用的標尺系統(tǒng)的統(tǒng)計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學編碼器。有些高精度三坐標測量機的標尺系統(tǒng)采用的是激光干涉儀。2.測頭系統(tǒng)圖2-8機械接觸式測頭2.測頭系統(tǒng)圖2-9電氣式動態(tài)測頭2.測頭系統(tǒng)三坐標測量機是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。在三坐標測量機上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機械式、光學式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類(見圖21)。[JP]機械接觸式測頭為剛性測頭，其結(jié)構(gòu)形式如圖28所示。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)測量機已不再使用這類測頭。2.測頭系統(tǒng)圖2-10幾種測頭的工作狀況2.測頭系統(tǒng)圖2-11常見的測端形狀2.測頭系統(tǒng)圖2-12星形測頭座結(jié)構(gòu)2.測頭系統(tǒng)圖2-13二維回轉(zhuǎn)測頭2.2.7三坐標測量機的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)是三坐標測量機的關(guān)鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標值，控制測量瞄準系統(tǒng)以對測頭信號進行實時響應(yīng)與處理，控制機械系統(tǒng)以實現(xiàn)測量所必需的運動，實時監(jiān)控坐標測量機的狀態(tài)以保障整個系統(tǒng)的安全性與可靠性等。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.手動型與機動型控制系統(tǒng)

2.CNC型控制系統(tǒng)1.手動型與機動型控制系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，在車間中應(yīng)用較廣。這兩類坐標測量機的標尺系統(tǒng)通常為光柵，測頭一般采用觸發(fā)式測頭。其工作過程是：每當觸發(fā)式測頭接觸工件時，測頭發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭控制接口向CPU發(fā)出一個中斷信號，CPU則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，實時地讀出計數(shù)接口單元的數(shù)值，計算出相應(yīng)的空間長度，形成采樣坐標值X、Y和Z，并將其送入采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理使用。2.CNC型控制系統(tǒng)CNC型控制系統(tǒng)的測量進給是計算機控制的。它可通過程序?qū)y量機各軸運動進行控制以及對測量機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)自動測量。另外，它也允許通過操縱桿進行手工測量。CNC型控制系統(tǒng)又可分為集中控制系統(tǒng)與分布控制系統(tǒng)兩類。（1）集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)由一個主CPU實現(xiàn)監(jiān)測與坐標值的采樣，完成主計算機命令的接收、解釋與執(zhí)行、狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)的回送與實時顯示、控制命令的鍵盤輸入及安全監(jiān)測等任務(wù)。它的運動控制是由一個獨立模塊完成的，該模塊是一個相對獨立的計算機系統(tǒng)，完成單軸的伺服控制、三軸聯(lián)動以及運動狀態(tài)的監(jiān)測。從功能上看，運動控制CPU既要完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的運算，又要進行插補運算，運算量大，其實時性與測量進給速度取決于CPU的速度。2.CNC型控制系統(tǒng)（2）分布控制系統(tǒng)分布控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中使用多個CPU，每個CPU完成特定的控制，同時這些CPU協(xié)調(diào)工作，共同完成測量任務(wù)，因而速度快，提高了控制系統(tǒng)的實時性。另外，分布式控制的特點是多CPU并行處理，由于它是單元式的，故維修方便、便于擴充。如要增加一個轉(zhuǎn)臺只需在系統(tǒng)中再擴充一個單軸控制單元，并定義它在總線上的地址和增加相應(yīng)的軟件就可以了。測量進給控制手動型以外的坐標測量機是通過操縱桿或CNC程序?qū)λ欧妱訖C進行速度控制，以此來控制測頭和測量工作臺按設(shè)定的軌跡作相對運動，從而實現(xiàn)對工件的測量。三坐標測量機的測量進給與數(shù)控機床的加工進給基本相同，但其對運動精度、運動平穩(wěn)性及響應(yīng)速度的要求更高。三坐標測量機的運動控制包括單軸伺服控制和多軸聯(lián)動控制。單軸伺服控制較為簡單，各軸的運動控制由各自的單軸伺服控制器完成。但當要求測頭在三維空間按預(yù)定的軌跡相對于工件運動時，則需要CPU控制三軸按一定的算法聯(lián)動來實現(xiàn)測頭的空間運動，這樣的控制由上述單軸伺服控制器及插補器共同完成。在三坐標測量機控制系統(tǒng)中，插補器由CPU程序控制來實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)定的軌跡，CPU不斷地向三軸伺服控制系統(tǒng)提供坐標軸的位置命令，單軸伺服控制器則不斷地跟蹤，從而使測頭一步一步地從起始點向終點運動?？刂葡到y(tǒng)的通信控制系統(tǒng)的通信包括內(nèi)通信和外通信。內(nèi)通信是指主計算機與控制系統(tǒng)兩者之間相互傳送命令、參數(shù)、狀態(tài)與數(shù)據(jù)等，這些是通過連接主計算機與控制系統(tǒng)的通信總線實現(xiàn)的。外通信則是指當三坐標測量機作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時，控制系統(tǒng)與其他設(shè)備間的通信。目前用于三坐標測量機通信的主要有串行RS—232標準與并行IEEE—488標準。2.2.8三坐標測量機的軟件系統(tǒng)1.編程軟件

2.測量軟件包

3.系統(tǒng)調(diào)試軟件

4.系統(tǒng)工作軟件1.編程軟件為了使三坐標測量機能實現(xiàn)自動測量，需要事前編制好相應(yīng)的測量程序。而這些測量程序的編制有以下幾種方式。（1）圖示及窗口編程方式圖示及窗口編程是最簡單的編程方式，它是通過圖形菜單選擇被測元素，建立坐標系，并通過“窗口”提示選擇操作過程及輸入?yún)?shù)，編制測量程序。該編程方式僅適用于比較簡單的單項幾何元素測量的程序編制。（2）自學習編程方式這種編程方式是在CNC測量機上，由操作者引導測量過程，并鍵入相應(yīng)指令，直到完成測量，而由計算機自動記錄下操作者手動操作的過程及相關(guān)信息，并自動生成相應(yīng)的測量程序，若要重復(fù)測量同種零件，只需調(diào)用該測量程序，便可自動完成以前記錄的全部測量過程。該編程方式適合于批量檢測，也屬于比較簡單的編程方式。1.編程軟件（3）脫機編程方式這種編程方式是采用三坐標測量機生產(chǎn)廠家提供的專用測量機語言在其他通用計算機上預(yù)先編制好測量程序，它與三坐標測量機的開啟無關(guān)。編制好程序后再到測量機上試運行，若發(fā)現(xiàn)錯誤則進行修改。其優(yōu)點是能解決很復(fù)雜的測量工作，缺點是容易出錯。（4）自動編程方式在計算機集成制造系統(tǒng)中，通常由CAD/CAM系統(tǒng)自動生成測量程序。三坐標測量機一方面讀取由CAD系統(tǒng)生成的設(shè)計圖樣數(shù)據(jù)文件，自動構(gòu)造虛擬工件，另一方面接受由CAM加工出的實際工件，并根據(jù)虛擬工件自動生成測量路徑，實現(xiàn)無人自動測量。這一過程中的測量程序是完全由系統(tǒng)自動生成的。2.測量軟件包測量軟件包可含有許多種類的數(shù)據(jù)處理程序，以滿足各種工程需要。一般將三坐標測量機的測量軟件包分為通用測量軟件包和專用測量軟件包。通用測量軟件包主要是指針對點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球等基本幾何元素及其形位誤差、相互關(guān)系進行測量的軟件包。通常三坐標測量機都配置有這類軟件包。專用測量軟件包是指三坐標測量機生產(chǎn)廠家為了提高對一些特定測量對象進行測量的測量效率和測量精度而開發(fā)的各類測量軟件包。如有不少三坐標測量機配備有針對齒輪、凸輪與凸輪軸、螺紋、曲線、曲面等常見零件和表面測量的專用測量軟件包。在有的測量機中，還配備有測量汽車車身、發(fā)動機葉片等零件的專用測量軟件包。3.系統(tǒng)調(diào)試軟件1）自檢及故障分析軟件包：用于檢查系統(tǒng)故障并自動顯示故障類別。2）誤差補償軟件包：用于對三坐標測量機的幾何誤差進行檢測，在三坐標測量機工作時，按檢測結(jié)果對測量機誤差進行修正。3）系統(tǒng)參數(shù)識別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于三坐標測量機控制系統(tǒng)的總調(diào)試，并生成具有優(yōu)化參數(shù)的用戶運行文件。4）精度測試及驗收測量軟件包：用于按驗收標準測量檢具。4.系統(tǒng)工作軟件測量軟件系統(tǒng)必須配置一些屬于協(xié)調(diào)和輔助性質(zhì)的工作軟件，其中有些是必備的，有些用于擴充功能。1）測頭管理軟件。用于測頭校準、測頭旋轉(zhuǎn)控制等。2）數(shù)控運行軟件。用于測頭運動控制。3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件。用于對系統(tǒng)進行監(jiān)控（如監(jiān)控電源、氣源等）。4）編譯系統(tǒng)軟件。用于程序編譯，生成運行目標碼。5）DMIS接口軟件。用于翻譯DMIS格式文件。6）數(shù)據(jù)文件管理軟件。用于各類文件管理。7）聯(lián)網(wǎng)通信軟件。用于與其他計算機實現(xiàn)雙向或單向通信。2.2.9三坐標測量機的發(fā)展趨勢1.高精度化

2.自動化(計算機數(shù)控化)

3.非接觸測量

4.采用新材料，運用新技術(shù)

5.測量機軟件

6.使用現(xiàn)場化

7.成為制造系統(tǒng)的組成部分1.高精度化三坐標測量機自開發(fā)以來，一直要求具有高精度，當前隨著加工精度的顯著提高，這種要求更趨強烈。要提高精度有許多問題需要解決，其中最重要的是機械主體的基本結(jié)構(gòu)問題。當前三坐標測量機仍是由三相正交的三軸組成笛卡兒坐標系的模式。與多軸自動化機床相似，正確地選擇測量機工體的形式(立式或臥式)是十分重要的。一般來說，在測量小型工件時，采用高柔性臥式主軸最為有利。為實現(xiàn)更高精度的測量精度，在中等規(guī)格尺寸測量機領(lǐng)域中，國外最新的三坐標測量機均采用了單一的橋式構(gòu)造。但橋式構(gòu)造的競爭焦點在橋固定式和橋移動式之間。2.自動化(計算機數(shù)控化)從最近國外推出的產(chǎn)品來看，測量機數(shù)控系統(tǒng)有明顯的兩極發(fā)展趨勢：高檔型和廉價型。高檔型測量機數(shù)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)知名的測量機廠商的產(chǎn)品，他們以價格較高的機型供給大型企業(yè)，這些企業(yè)具有較高的計算機應(yīng)用水平，廉價型系統(tǒng)是日本和英國某些公司的產(chǎn)品，大都采用DCC(DirectlyComputerControl)技術(shù)，以求降低成本，同時滿足使用要求。另外，計算機數(shù)控化的目的并不單純是為了利用外圍設(shè)備和軟件來節(jié)約人力，而是要通過使用仿形測頭的連續(xù)仿形測量，應(yīng)用于評定曲面形狀、排除人員誤差的高精度測量。3.非接觸測量探測技術(shù)在三坐標測量機中占有重要位置。從原理上說只要測頭能探及，三坐標測量機就能測量。三坐標測量機的測量效率也首先取決于探測速度。三坐標測量機除了機械本體外，測頭是測量機達到高精度的關(guān)鍵，也是三坐標測量機的核心，與其他各項技術(shù)指標相比，提高測頭的性能指標難度最大。如由OPTON和LETTZ公司開發(fā)的實用高精度測頭——三維電感測頭取得專利已有近20年歷史，但至今改進不大。由于非接觸測頭具有許多優(yōu)點，探測技術(shù)發(fā)展的第一個重要趨勢是，非接觸測頭將得到廣泛的應(yīng)用。十分重要的是，在微電子工業(yè)中有許多二維圖案，如大規(guī)模集成電路掩模，它們是用接觸測頭無法測量的。近年來國外光學三坐標測量機發(fā)展十分迅速，光學三坐標測量機的核心就是非接觸測量。4.采用新材料，運用新技術(shù)近年來，鋁合金、陶瓷材料以及各種合金材料在三坐標測量機中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。鋁合金特別適合于制作高速運行的三坐標測量機。鋁合金導熱好，不易產(chǎn)生變形。盡管它的膨脹系數(shù)較大，但簡單熱變形比較容易補償。它耐磨性差，可在其表面涂覆一層耐磨的陶瓷材料。為了克服陶瓷導熱性能差、難以加工的缺點，各種人工合成陶瓷正處在開發(fā)過程中，人工合成陶瓷可以按需要做成各種所需形狀，還可以通過適當?shù)牟牧显O(shè)計，使它具有所需的性能。一些材料將在制作一些有特殊要求的測量機部件中得到應(yīng)用，例如，高精度的三坐標測量機中，采用零膨脹系數(shù)的微晶玻璃制作一些關(guān)鍵部件，利用膨脹系數(shù)小、具有高的彈性模量與密度小的碳化纖維制作探針與接長桿等。其他一些新技術(shù)，例如磁懸浮技術(shù)也在測量機及其測頭中獲得應(yīng)用。5.測量機軟件1）能進行自動編程。2）按測量任務(wù)對測量機進行優(yōu)化。3）在測量前對測量不確定度作出評定，并按此確定采樣策略與測量速度。4）故障自動診斷。5）CAD文件特征識別。6.使用現(xiàn)場化迄今為止，三坐標測量機只是在某種特定的環(huán)境條件下使用，但是隨著其有效性廣泛為人們所認識，將會越來越多地被要求在加工現(xiàn)場使用，或作為在線測量設(shè)備使用。這里還存在不少需待解決的問題，例如直接與精度有關(guān)的溫度和振動等問題，對粉塵或切削油的處置方法，自動生產(chǎn)線節(jié)拍的高速化等。目前各生產(chǎn)廠家正在投入力量進行研制，已有帶防塵結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進入市場。7.成為制造系統(tǒng)的組成部分從發(fā)展趨勢來看，三坐標測量機正逐漸成為機械制造業(yè)的主導檢測設(shè)備，將越來越多地用于生產(chǎn)線，成為制造系統(tǒng)的一個組成部分。沒有其他任何測量儀器，具有三坐標測量機這樣的柔性、萬能性。三坐標測量機能在計算機控制下完成各種復(fù)雜測量，能與加工機床交換信息，完成保證質(zhì)量、控制加工的任務(wù)；還能根據(jù)測試結(jié)果，構(gòu)成CAD、CAM軟件，實現(xiàn)逆向工程。2.3斷層數(shù)據(jù)測量1.CT測量法

2.MRI測量法

3.超聲波測量法

4.層去掃描法1.CT測量法計算機斷層掃描（CT）技術(shù)最具代表的產(chǎn)品是基于X射線的CT掃描機，它以測量物體對X射線的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，用數(shù)學方法經(jīng)過電子計算機處理而重建斷層圖像。這種方法最早用于醫(yī)學上，目前開始用于工業(yè)領(lǐng)域，形成工業(yè)CT（ICT）掃描機，特別是針對中空物體的無損檢測。這種方法是目前最先進的非接觸測量方法，它可對物體的內(nèi)部形狀，壁厚，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行測量。但是它的空間分辨率較低，獲得數(shù)據(jù)需要較長的積分時間，重建圖像計算量大，造價高。CT掃描機的主要結(jié)構(gòu)包括兩大部分：X射線體層掃描裝置和計算機系統(tǒng)。前者主要由產(chǎn)生X射線束的發(fā)生器和球管，以及接收和檢測X射線的探測器組成；后者主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)、磁帶機、操作臺等。此外，CT掃描機還應(yīng)包括圖像顯示器、多幅照相機等輔助設(shè)備。電子計算機斷層掃描，它是利用精確準直的X線束與靈敏度極高的探測器一同圍繞人體的某一部位作一個接一個的斷面掃描，每次掃描過程中由探測器接收穿過人體后的衰減X線信息，再由快速模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后輸入電子計算機，經(jīng)電子計算機高速計算，得出該層面各點的X線吸收系數(shù)值，用這些數(shù)據(jù)組成圖像的矩陣。再經(jīng)圖像顯示器將不同的數(shù)據(jù)用不同的灰度等級顯示出來，這樣該斷面的解剖結(jié)構(gòu)就可以清晰的顯示在監(jiān)視器上，也可利用多幅相機或激光相機把圖像記錄在照片上自從X射線發(fā)現(xiàn)后，醫(yī)學上就開始用它來探測人體疾病。1963年，美國物理學家科馬克發(fā)現(xiàn)人體不同的組織對X線的透過率有所不同，在研究中還得出了一些有關(guān)的計算公式，這些公式為后來CT的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)1967年，英國電子工程師亨斯菲爾德(Hounsfield)在并不知道科馬克研究成果的情況下，也開始了研制一種新技術(shù)的工作。首先研究了模式的識別，然后制作了一臺能加強X射線放射源的簡單的掃描裝置，即后來的CT，用于對人的頭部進行實驗性掃描測量。后來，他又用這種裝置去測量全身，獲得了同樣的效果1972年4月，亨斯菲爾德在英國放射學年會上首次公布了這一結(jié)果，正式宣告了CT的誕生。這一消息引起科技界的極大震動，CT的研制成功被譽為自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以后，放射診斷學上最重要的成就。因此，亨斯菲爾德和科馬克共同獲取1979年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

發(fā)明史早期的工業(yè)檢測，曾直接利用醫(yī)用CT設(shè)備進行，但實踐證明醫(yī)用CT設(shè)備不適用于檢測大尺寸高密度物體。20世紀80年代，美國軍方首先進行專門研究制造檢測大型火箭發(fā)動機的CT設(shè)備，目前工業(yè)CT研究已成為研究熱點。目前，工業(yè)CT設(shè)備已在航空航天、軍事工業(yè)、核能、電子、考古等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我國也從20世紀80年代開始研究CT技術(shù)，清華大學、中科院高能所已研制出γ射線源工業(yè)CT設(shè)備工業(yè)CT設(shè)備和醫(yī)用CT設(shè)備的主要差別功能：工業(yè)CT設(shè)備用于檢測高密度和大尺寸物體，應(yīng)用高能量射線源，需要更高的系統(tǒng)分辨力等。結(jié)構(gòu)：醫(yī)用CT設(shè)備都是保持病人靜止，因而都有相當龐大的裝有復(fù)雜機電設(shè)備的運動部件。工業(yè)CT設(shè)備都是使射線源及探測系統(tǒng)保持靜止或少量運動，由被測工件作必要的掃描運動，但由于工業(yè)檢測往往精度要求高，樣品掃描工作臺仍是十分精密的關(guān)鍵部件。CT優(yōu)點首先，計算機斷層掃描為我們提供被測物品的完整三維信息；第二，由于電腦斷層的高分辨率，不同物體對射線的吸收和透過率不同，即使是小于1%的密度差異也可以區(qū)分出來；第三，由于斷層成像技術(shù)提供三維圖像，依需要不同，可以看到軸切面，冠狀面，矢切面的影像。除此之外，任意切面的圖像均可通過插值技術(shù)產(chǎn)生。這給醫(yī)學診斷、工業(yè)檢測和科研帶來了極大的便利CT主要的危害來自于射線源，高能射線源能對人體組織及環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，即使是醫(yī)用的X射線CT，多次的累積使用，X射線依然會對患者被照組織產(chǎn)生一定的影響

CT的主要用途1.醫(yī)學檢測：自從CT被發(fā)明后，CT已經(jīng)變成一個醫(yī)學影像重要的工具，雖然價格昂貴，醫(yī)用X-CT至今依然是診斷多種疾病的黃金準則2.工業(yè)檢測：CT在無損檢測和逆向工程中發(fā)揮重大的作用3.安保檢測4.航空運輸、運輸港灣，大型貨物集裝箱案件裝置

工業(yè)CT設(shè)備原理圖工業(yè)CT設(shè)備測量實例—不同葉片的3D-CT層析斷層

自主研發(fā)的高解析度3D-CT實驗系統(tǒng)不同葉片的3D-CT層析斷層

測量實例—基于雙目視覺的三維數(shù)據(jù)獲取自主研發(fā)的實驗掃描系統(tǒng)蒙皮模具（長5m）共采集數(shù)據(jù)點341212個

成型面點云圖應(yīng)用CT掃描技術(shù)可以測量物體表面、內(nèi)部和隱藏的結(jié)構(gòu)特征。掃描儀器可以作為三維數(shù)字化儀器應(yīng)用于逆向工程，為一次性獲得物理實體的內(nèi)外部幾何特征信息提供自動化和快速的解決方案。2.MRI測量法磁共振成像術(shù)（MRI）也稱為核磁共振，英文縮寫為MRI，該技術(shù)是20世紀70年代末以后發(fā)展的十種新式醫(yī)療診斷影像技術(shù)之一，其理論基礎(chǔ)是核物理學的磁共振理論。和X-CT掃描一樣，MRI可以提供人體的斷層的影像，其基本原理是用磁場來標定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當被激發(fā)的核在動態(tài)過程中自動恢復(fù)到靜態(tài)場的平衡時，把吸收的能量發(fā)射出來，然后利用線圈來檢測這種信號。信號輸入計算機，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。MRI提供的信息量不但大于醫(yī)學影像學中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，它能深入物體內(nèi)部且不破壞物體，對生物沒有損害，在醫(yī)療上具有廣泛應(yīng)用。但這種方法造價高，空間分辨率不及CT，且目前對非生物材料不適用。磁共振成像自20世紀80年代初臨床應(yīng)用以來，發(fā)展迅速，這種技術(shù)目前正在蓬勃發(fā)展中。和X-CT一樣，MRI提供的影像中的像素是用計算機產(chǎn)生的。兩者區(qū)別：在X-CT掃描中，每個像素的數(shù)值反映人體組織中對應(yīng)體積元的X射線衰減值。在MRI掃描中，提供的影像中的每個像素的數(shù)值反映人體組織中對應(yīng)體積元中產(chǎn)生的核磁共振信號的強度。醫(yī)用MRI設(shè)備3.超聲波測量法超聲波測量法的原理：當超聲波脈沖到達被測物體時，在被測物體的兩種介質(zhì)變界表面會發(fā)生回波反射，通過測量回波與零點脈沖的時間間隔，即可計算出各面到零點的距離。這種方法相對CT和MRI而言，設(shè)備簡單，成本較低，但測量速度較慢，且測量精度不穩(wěn)定。目前主要用于物體的無損檢測和壁厚測量。4.層去掃描法以上三種方法為非破壞性測量方法，但這些測量方法設(shè)備造價昂貴，近來發(fā)展了層去掃描法用于測量物體截面輪廓的幾何尺寸。其工作過程為：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，把它裝夾到銑床上，進行微進給量平面銑削，結(jié)果得到包含有零件與樹脂材料的截面，然后由數(shù)控銑床控制工作臺移動到CCD攝像機下，位置傳感器向計算機發(fā)出信號，計算機收到信號后，觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動CCD攝像機對當前截面進行采樣、量化，從而得到三維離散數(shù)字圖像。由于封裝材料與零件截面存在明顯邊界，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)進行邊界輪廓提取，就能得到邊界輪廓圖像。4.層去掃描法通過物像坐標關(guān)系的標定，并對此輪廓圖像進行邊界跟蹤，便可獲得物體該截面上各輪廓點的坐標值。每次圖像攝取與處理完成后，再使用數(shù)控銑床把待測物銑去很薄的一層(如0.1mm)，又得到一個新的橫截面，并完成前述的操作過程，就可以得到物體上相鄰很小距離的每一截面輪廓的位置坐標。層去掃描法可對有孔及內(nèi)腔的物體進行測量，測量精度高，并可得到完整的數(shù)據(jù)，不足之處是這種測量是破壞性的。在國外，美國CGI公司已生產(chǎn)出了層去掃描測量機，在國內(nèi)，海信技術(shù)中心工業(yè)設(shè)計所和西安交通大學合作，研制成功了具有國際領(lǐng)先水平的層析式三維數(shù)字化測量機(CMS系列)。2.4測量數(shù)據(jù)處理流程2.4.1概述數(shù)據(jù)測量存在問題：1)由于測量系統(tǒng)的多樣性，其輸出的數(shù)據(jù)格式不一致，需要進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化處理。

2)幾乎所有的測量方式、測量系統(tǒng)在測量過程中都不可避免地存在誤差，使測量數(shù)據(jù)失真。

3)多視測量數(shù)據(jù)的定位問題。

4)對接觸式的三坐標測量機，測量得到的數(shù)據(jù)是測頭球頭軌跡的數(shù)據(jù)，需要進行測頭半徑的補償。

5)對激光掃描測量數(shù)據(jù)，得到的是海量的數(shù)據(jù)“點云”，需要進行數(shù)據(jù)的簡化。

6)數(shù)據(jù)分割。因此在模型重建之前，需對測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，目的是獲得完整、正確的測量數(shù)據(jù)方便后續(xù)的造型工作。2.4.2測量數(shù)據(jù)預(yù)處理測量數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要工作：1.格式轉(zhuǎn)化

2.數(shù)據(jù)過濾及平滑

3.多視數(shù)據(jù)對齊定位

4.球頭半徑補償

5.數(shù)據(jù)精簡

6.數(shù)據(jù)分割1.格式轉(zhuǎn)化每一個CAD系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件格式與每個CAD系統(tǒng)自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)模式密切相關(guān)。目前市場上流行的CAD/CAM系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，這極大地影響了設(shè)計和制造各部門之間或企業(yè)與企業(yè)之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接的自動化，同樣也給三坐標測量機和CAD/CAM系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信帶來困難，因此迫切需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換文件格式的標準化。目前已制定了幾個主要數(shù)據(jù)交換標準，如IGES格式、STEP格式等，還有一種格式盡管不是標準，但由于CAD系統(tǒng)的使用者眾多，形成了事實上的企業(yè)標準，最為典型的是AutoCAD的DXF圖形數(shù)據(jù)交換文件。除此之外，為方便不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，一些商品化的CAD/CAM系統(tǒng)都備有多個數(shù)據(jù)交換接口，如UGII系統(tǒng)就具有IGES、STEP、DXF、SET等多種輸入、輸出轉(zhuǎn)換格式。1.格式轉(zhuǎn)化由于三坐標測量機得到的數(shù)據(jù)主要是物體表面的坐標點，數(shù)據(jù)簡單，一般存放為VTK、STL等格式。在三坐標測量機與CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，通常將其轉(zhuǎn)化為IGES格式。因為IGES格式較簡單，且?guī)缀跛袊H上知名的CAD系統(tǒng)都配置了IGES接口，是CAD/CAM系統(tǒng)之間圖形信息交換的一種規(guī)范。因此，在三坐標測量機和CAD/CAM系統(tǒng)之間以IGES格式傳輸數(shù)據(jù)成為了標準的選擇和配置。2.數(shù)據(jù)過濾及平滑由于在實際測量過程中受到各種人為或隨機因素的影響，使得測量結(jié)果包含噪聲。為了降低或消除噪聲對后序建模質(zhì)量的影響，以得到精確的模型和好的特征提取效果，有必要對測量點云進行濾波和平滑。濾波通常采用標準Gaussian濾波算法、平均濾波算法或中值濾波算法。實際使用時，可根據(jù)“點云”質(zhì)量和后序建模要求靈活選擇濾波算法。也可以采取直接刪除法，即在不同的視角觀察測量數(shù)據(jù)，選擇點，直接刪除。采用平滑法處理方法，應(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。數(shù)據(jù)平滑處理方法有：平均法、五點三次平滑法和樣條函數(shù)法。要求處理后的數(shù)據(jù)要較前平滑，同時要求前后兩組數(shù)據(jù)的“偏離”也不能過大。3.多視數(shù)據(jù)對齊定位在逆向工程的實際過程中，對實物樣件實行數(shù)字化測量時，往往不能在同一坐標系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測出，其原因一是產(chǎn)品的尺寸超出測量機的行程，二是測頭受被測實物幾何形狀的干涉阻礙以及不能觸及產(chǎn)品的反面，這時就需要在不同的定位狀態(tài)下測量產(chǎn)品的各個部分。通常為處理方便，將不同情況下測量的數(shù)據(jù)稱為多視數(shù)據(jù)或點云。由于在幾何模型構(gòu)建時必須將這些不同坐標系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個坐標系中，這個數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對齊，或數(shù)據(jù)拼合，重定位。4.球頭半徑補償圖2-14測頭和曲面的接觸情形采用接觸式測頭測量時，所得到的數(shù)據(jù)并不是實體表面的坐標，而是測頭球心的坐標，通常側(cè)頭的半徑在0.25-1.5mm之間，如果忽略測頭半徑，就會帶來數(shù)據(jù)補償誤差。分為實時自動補償和事后數(shù)據(jù)處理補償。5.數(shù)據(jù)精簡對于高密度“點云”，由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，有時需要按照一定要求減少測量點的數(shù)量。不同類型的“點云”可采用不同的精簡方式。散亂“點云”可通過隨機采樣的方法來精簡；對于掃描線“點云”和多邊形“點云”可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；網(wǎng)格化“點云”可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域進行數(shù)據(jù)縮減。數(shù)據(jù)精簡操作只是簡單地對原始“點云”中的點進行了刪減，不產(chǎn)生新點。測量數(shù)據(jù)（24500個）處理后的數(shù)據(jù)（4607個）測量數(shù)據(jù)預(yù)處理—數(shù)據(jù)精簡實例

精簡原則：精簡距離為2mm，精簡后的點云在空間分布均勻，適合數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。6.數(shù)據(jù)分割在造型之前要進行的一個重要工作是數(shù)據(jù)分割。數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實物外形曲面的子曲面類型，將屬于同