三維測量及反求工程

三維測量與反求工程重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院曹樂2008-12-1211.反求工程概念2.實物反求的一般步驟3.常用反求工程軟件4.實驗安排與注意事項主要內(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在相關(guān)領(lǐng)域、具有相應(yīng)特長、特性的事物或動物來實現(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)計模型。反求工程是對已有設(shè)計的再設(shè)計；反求工程的主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為計算機(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，并非處于最佳狀態(tài)，要工作一段時間，經(jīng)過機(jī)構(gòu)間磨合后，才能達(dá)到比較理想的工作狀態(tài)，這時的幾何尺寸是我們想知道的。但這時的齒輪和設(shè)計原樣已有差別。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，一般來說，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)計模型進(jìn)行比較分析，有助于改進(jìn)原有設(shè)計參數(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，由于沒有設(shè)計資料，我們經(jīng)常需對實物進(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)中的重要作用實物反求的一般流程數(shù)據(jù)采集是反求工程的起點。數(shù)據(jù)采集應(yīng)保證數(shù)據(jù)正確和采集過程高效。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、所走過的路徑盡量短、所化費的時間盡量少。三維測量與數(shù)據(jù)采集實物反求的一般流程三維測量方法反求工程中的測量方法一般分為接觸式和非接觸式兩種。實物反求的一般流程三維測量方法接觸式測量是傳統(tǒng)的測量方式，也是常用的一種方式，其典型代表是三座標(biāo)測量機(jī)。采用三座標(biāo)測量機(jī)可以達(dá)到很高的測量精度(士0.5um)，但是由于采用的是接觸式測量，易于損傷測頭和劃傷被測零件表面。始終還需要人工干預(yù)，不可能實現(xiàn)全自動化測量，測量速度較慢。實物反求的一般流程三維測量方法實物反求的一般流程三維測量方法目前，在實際的生產(chǎn)實踐中，反求工程測量多采用三座標(biāo)測量機(jī)，使用三座標(biāo)測量機(jī)測量時，其誤差主要來源于設(shè)備誤差、裝夾誤差、測量基準(zhǔn)的確定性誤差及測頭半徑的補(bǔ)償誤差。誤差處理的關(guān)鍵在于測頭半徑的補(bǔ)償和修正，因為通過測量而得到的數(shù)據(jù)實際上只是測量時測頭中心的位置座標(biāo)，需要經(jīng)過補(bǔ)償和修正后才能得到曲面的真實座標(biāo)值。實物反求的一般流程三維測量方法近年來，隨著機(jī)器視覺技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，用非接觸式的光電方法對曲面三維形貌、形狀進(jìn)行快速測量已成為大趨勢。非接觸式測量方式特點是:測量過程中，測頭不接觸被測表面，避免了接觸式測量中測頭半徑補(bǔ)償帶來的麻煩和被測表面的劃傷，可以實現(xiàn)對各表面進(jìn)行高速測量。實物反求的一般流程三維測量方法非接觸測量方法主要有:光柵投影、激光三角形、三維視覺、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.實物反求的一般流程常見的測量設(shè)備Pleasereferto：RaindropGeomagic3DScannerReport200250多個廠家100多個型號的產(chǎn)品：3Ddigital,Cyberware,GOM,Immersion,Renishaw,Roland,Steinbichler等三座標(biāo)測量機(jī)22樣機(jī)多運動組合式23手持式24

25照相式26

2728德國GOM公司獨家研制的ATOS流動式光學(xué)掃描儀是目前市場上最為先進(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量工件表面，借助兩個高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)對光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理，可在極短的時間獲得復(fù)雜工件表面的完整點云。其獨特的流動式設(shè)計和不同視角點云的自動拼合技術(shù)，使掃描不需要借助于機(jī)床的驅(qū)動，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實物反求的一般流程對規(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信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃。對非規(guī)則形狀的自由曲面，多采用非接觸式測量方法，因為需要記錄足夠的數(shù)據(jù)點信息。數(shù)據(jù)采集規(guī)劃實物反求的一般流程三維測量方法點云預(yù)處理實物反求的一般流程多視點云的拼合在逆向工程實際的過程中，由于坐標(biāo)測量都有自己的測量范圍，因此無論我們采用什么測量方法，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，而在模型重建的時候又必須將這些不同坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系里，這個數(shù)據(jù)處理過程就是多視數(shù)據(jù)定位對齊(多視點云的拼合)。34點云排列35點云預(yù)處理實物反求的一般流程測量得到的數(shù)據(jù)可能存在噪音點，或者需要補(bǔ)償測頭的半徑，有時還要對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，所有這些內(nèi)容都屬于測量數(shù)據(jù)預(yù)處理的范圍。重構(gòu)曲面前對測量數(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)點通過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)點是原理比較簡單，只要多項式的次數(shù)足夠高就可以得到滿意的曲面，一般用于擬合比較簡單的曲面。曲面片直接：直接對測量數(shù)據(jù)點進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片經(jīng)過過渡、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，也可以處理散亂數(shù)據(jù)點。誤差分析實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，通過著色渲染來觀察曲面/曲率的變化、來評估曲面的質(zhì)量。工作流程測量->點云->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Raindrop公司研發(fā)出品的一種三維檢測軟件和逆向工程軟件，該軟件能很容易地從掃描所得的點云數(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。該軟件主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。CopyCAD軟件用戶界面非常簡單，對于初次學(xué)習(xí)者或使用者來說這點很占優(yōu)勢。使用CopyCAD軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對數(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。實驗安排與注意事項試驗?zāi)康模毫私鈱嵨锓辞蟮幕玖鞒?；了解常見的三維測