逆向工程中曲面重构与数控加工

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1、I逆向工程中曲面重构与数控加工摘 要逆向工程技术是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。逆向工程是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，逐渐成为产品开发中不可或缺的一环。逆向工程能够提高设计精度，获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期，具有广阔的应用前景，因此受到各国工业界和学术界的高度重视。本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于汽车后视镜的曲面重构。逆向工程的关键技术包括:数据获取、数据处理、曲面重构以及数控加工。本文简介各种测量方法的基本原理，分析其优缺点，对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。理解曲线曲面的基础理论，讨论曲线曲面光顺以及光

2、顺评价问题。根据汽车后视镜的特点，采用逆向工程方法完成模型重建工作。采用三坐标光学扫描仪高效率、高精度地完成汽车后视镜的数据获取工作。应用Geomagic Studio软件完成后视镜的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以与MASTERCAM软件相结合的方法，充分利用软件的优势，完成汽车后视镜模型的创建与数控仿真加工工作。研究表明，采用逆向工程的方法完成汽车后视镜的模型重构，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法，具有重要的实际意义和较高的应用价值。关键词:逆向工程；Geomagic Studio；MASTERCAM；数据处理；数控加工Surface

3、 Reconstruction and Numerical Control Machining in Reverse EngineeringABSTRACTThe Reverse Engineering technology is an important technology , is a relatively independent areas in the CAD field,under the trend of the digital and quick response manufacturing. Reverse engineering is a pioneering, compr

4、ehensive, practical, strong technology, and gradually become an integral part of product development. Reverse engineering can improve the design accuracy, to obtain a higher quality of the model, shorten design and manufacturing cycle, has broad application prospects, therefore it gets a great atten

5、tion from the national industry and academia. This paper studies the key technology of reverse engineering, and applied to the surface reconstruction of the car rearview mirror.Reverse Engineering of key technologies, including: data acquisition, data processing, surface reconstruction, as well as C

6、NC machining. This article introduces the basic principles of the various measuring methods and analyzes the advantages and disadvantages, studying the method of data processing and the general process of getting data. Understand the basic theory of curves and surfaces, to discuss the issue of the c

7、urve and surface fairing and fairing evaluation.According to the characteristics of vehicle rear-view mirrorusing Reverse Engineering methods to complete the model reconstruction. Using three coordinates optical scanner to complete data acquisition of the car rearview mirror,high efficiency, high-pr

8、ecision. Using Geomagic Studio software to complete the data processing of the rear-view mirror, obtaining complete and accurate data to facilitate follow-up model reconstruction work. Use method of combining with MASTERCAM software, make full use of the software, the complete car rearview mirror mo

9、del creation and NC simulation processing.Research shows that using Reverse Engineering methods to complete the reconstruction of the model of the car rear-view mirror, can obtain a higher quality model, improve efficiency, is an effective method and it has important practical significance and high

10、value.KEY WORDS: Reverse Engineering;Geomagic Studio;MASTERCAM; Data Processing; CNC MachiningIII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 逆向工程的含义及应用11.2 逆向工程的国内外研究现状31.3 课题研究的意义、内容与方案41.4 课题涉及软件简介4第2章 数据获取82.1 接触式测量82.2 非接触式测量92.3 数据获取方法比较132.4 激光扫描机132.5 汽车后视镜的数据获取实现15第3章 点云数据处理技术173.1 点云数据分类173.2 点云数据处理关键技术183

11、.2.1 点云数据点阶段预处理193.2.2 多边形阶段基本处理253.2.3 形状阶段基本处理与曲面拟合263.2.4 后视镜底座曲面重构28第4章 数控仿真加工314.1 三维后视镜罩模型数控加工与刀轨生成方法探讨314.1.1 操作流程314.1.2 刀轨生成方法概述324.2 三维后视镜罩模型仿真加工334.2.1 PRO/E中刀具路径屏幕演示334.2.2 MASTERCAM中仿真加工344.3 后处理与 NC 代码生成37第5章 总结40致 谢42参 考 文 献4343逆向工程中曲面重构与数控加工第1章 绪论1.1 逆向工程的含义及应用随着市场全球化的进展，企业面临着越来越激烈的竞

12、争，各国都在充分利用别国的先进成果并消化、吸收、改进以发展自己的技术水平。逆向工程作为一种新产品开发、消化、吸收的重要手段，在20世纪90年代初受到各国工业界和学术界的高度重视。所谓逆向工程(Reverse Engineering)是以先进产品的实物、软件、影像为研究对象，应用现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学和相关专业知识，对其进行认识、再现及创造性地开发。广义上的逆向工程包括形状反求、工艺反求、材料反求等。目前大多数的逆向工程的研究和应用都集中在重建实物CAD模型和最终产品的制造方面，即“实物逆向工程”方面。这是因为实物是最容易获得的研究对象，而且在某种情况下设计者面对的只有实物样件

13、。实物逆向工程是将实物转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。逆向工程的关键技术包括:数据获取、数据处理和模型重建。基于逆向工程的产品开发流程如图1-l所示。数据获取是逆向工程中的第一个环节，是产品进行建模、评价、改进和制造的基础。数据获取大致可以分为两大类:接触式数据采集和非接触式数据采集。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方式的不同。要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法。高效率、高精度地实现数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。图1-1 逆向工程流程图数据处理是逆向工程的一项重要的

14、技术环节，它决定了后续的模型重建工作能否方便准确地进行。数据处理的主要工作包括:数据过滤及平滑、多视数据整合对齐、数据精简等。在模型重建前进行数据处理，可以获得完整、准确的数据，方便后续模型重建工作的进行。三维CAD模型的重建是逆向工程中最关键、最复杂和工作量最大的一个环节，是后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析、产品再设计等应用的基础。目前成熟的模型重建方法根据曲面表示方法的不同可分为两大类:第一种是以三角Bezeir曲面为基础的三边域曲面构建方法;第二种是主要以NURBS(非均匀有理B样条)曲线和曲面为基础的四边域曲面构建方法。这两种曲面重构方法各有利弊。NURBS方法应

15、用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面，是曲面拟合方面研究的重点，能够与传统的CAD/CAM系统兼容，已经成为产品外形描述的工业标准。精度和光顺一直是逆向模型重建追求的目标，但是两者在大多数情况下是冲突的。设计人员要明确:对于创建的模型来说，精度和光顺哪个更加重要，是否可以牺牲一方以满足另一方的要求。逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。据相关资料表明，各国有70%以上的技术来自于国外，逆向工程是掌握这些技术的有效途径。逆向工程可以使产品的研制周期缩短40%以上。逆向工程能够改善技术水平、提高生产效率、增强企业竞争力，特别是对于具有复杂形状的物

16、体以及由自由曲面组成的物体效果尤其明显。逆向工程与快速原型制造(RPM)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)相结合并形成产品设计制造的闭环系统，能够有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段。逆向工程逐渐成为产品开发中不可或缺的一环，其应用范围包括以下方面:1)对产品外形的美学有特殊要求的领域，为了方便产品的美学评价，需要根据设计师用油泥等材料制作的模型快速建立三维CAD模型。2)由于学科发展水平的限制，产品设计需要通过试验测试才能定型的工件模型，如汽车、航天等领域需要对缩小实体模型进行各种测试以满足空气动力学的要求。3)在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情

17、况下，对零件原型进行测量完成图纸或CAD模型，复制一个相同的零件。4)在模具行业中，需要反复修改原始设计的模具型面以获得满足要求的模具，借助逆向工程技术，设计者可以将模具型面的改变反应在CAD模型中。5)实物的外形是由复杂的曲面组成，正向设计方法难以满足速度、精度要求。6)艺术品、考古文物的复制。7)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需要建立人体的几何模型。8)在RPM的应用中，通过逆向工程可以方便地对快速原型制造的产品进行快速准确地测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复迭代完善产品的设计。总之，逆向工程是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，具有广阔的应用前景。尤

18、其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业的快速CAD设计与制造水平，增强产品设计与制造中的高新技术含量，提高产品的市场竞争能力，具有重要的实际意义和较高的应用价值。1.2 逆向工程的国内外研究现状 随着计算机技术的发展，逆向工程技术与计算机辅助测量(CAT)、辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)以及计算机辅助工程分析(CAE)的结合日趋紧密。逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等计算机辅助技术集成应用的一个典型例子，是计算机集成制造系统(CIMS)研究的一个重要分支。逆向工程引起各国工业界和学术界的高度重视，有关逆向工程技术的研究与应用一直受到政府、企业和个人的关注。一些重要的

19、国内外学术会议将逆向工程及相关技术作为一个重要的会议专题。国内已经形成了长期从事逆向工程的单位和个人。目前，世界上三坐标测量机的数量己经数以万计，在国际市场上的竞争日益激烈，其中著名的产品提供商有德国zeiss公司、美国Borwn&Shpare公司、英国LK等。国际上著名的非接触式测量设备有德国GOM公司的ATOS、德国steinbiehler公司的eoMET、美国ebyewrare公司的三维激光彩色扫描仪、美国CGI公司的层析断层测量机等。一些CAD/CAM软件也集成了逆向工程模块，如用Pro/Engineering的SCAN一T00LS模块、CAT认的点云处理和曲线曲面拟合功能、e

20、imatrango的ReverseEngineering模块等。专用的逆向工程软件相继出现，具有代表性的有:美国EDs公司的Imageware、英国DelCAM公司的eopyeAD、英国MDVT公司的TRIMandSuafiee Rcocnstruction等。专用逆向工程软件取得了较大的发展，但在实际应用中还存在一定的局限性，提供的曲面造型手段及辅助功能与功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有不小差距。而传统的CAD/CAM软件虽然集成了逆向工程模块，但是对于处理庞大的点云数据仍存在一定的困难。在国内，逆向工程的研究工作也有一定的进展。国内目前已经有中国航空精密机械研究所、青岛前哨柯发测量

21、设备有限公司、西安爱德华等10余家主要的三坐标测量机的生产厂家。在非接触式测量方面，国内较著名的有海信技术中心工业设计所和西安交通大学合作研制成功的具有国际领先水平的层析式数字化测量机(CMS系列)、西安交通大学和台湾智泰科技公司合作开发的LHS型激光扫描仪、深圳特得维有限公司的TDV系列三维扫描系统等。在软件方面，浙江大学CAD实验室在CT复员三维模型方面开展了大量的研究并取得较好的成绩，推出了Re-Sotf软件系统;上海交通大学利用BP神经网络重构基于数字化点的曲面。目前，我国逆向工程设备和软件的研究主要在浙江大学、西安交通大学以及个别公司中开展，至今还没有出现具有真正的集开发和产业于一体

22、的经济实体。我国的逆向工程研究仍处于摸索阶段。逆向工程技术经过20多年的研究和发展已经取得了巨大的成就，但这项技术在理论研究和实际应用方面仍存在许多需要解决的问题。逆向工程仍在发展之中，还有很大的发展空间。1.3 课题研究的意义、内容与方案目前国内汽车很多外购产品，美观、新颖的汽车造型能够吸引更多的消费者，增强产品的市场竞争力。传统的车身设计方法存在误差较大、开发周期长、开发成本高等问题。采用逆向工程方法进行汽车后视镜的设计能够提高设计精度，获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期，更美观，使产品快速进入市场。论文研究的内容是基于逆向工程的汽车后视镜模型重建与数控加工。通过三坐标光学扫描仪获取实

23、物的数字化模型，应用Geomagic Studio软件进行数据处理为后续模型重建提供准确的、方便处理的数学模型，再用与MASTERCAM软件相结合的方式进行数控加工及评价。应用Geomagic Studio软件进行数据预处理:去除数据中的坏点，减少噪音，平滑数据;分块数据整合对齐;通过数据插补的方法来补齐数据，最大限度的获得完整的数据;在保证精度和特征的条件下进行数据精简;提取数据特征。数据处理过程主要应用Geomagic Studio中的主要处理模块。曲面片可以直接由数据点拟合获得。当数据点呈有序排列时，也可以将数据点以插值或逼近的方式拟合成曲线，曲线再通过曲面造型方式构建曲面片。应用点-面

24、差别图、曲率图、高光线图等检测方式来调整曲线曲面，直至其满足要求。当后视镜的主要曲线、曲面满足要求后，以igs格式输出。MASTERCAM软件接收igs格式的曲线和曲面，通过它完成后视镜的三维CAD模型仿真数控加工。1.4 课题涉及软件简介（1）Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之

25、一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。图1-2 Pro/E软件图Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 1 参数化设计，相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征

26、，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2 基于特征建模，Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（2）Geomagic Studio是由美国Raindro公司开发的，Geomagic Studio可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动

27、重造。只有 Geomagic Studio 具有下述所有特点：确保完美无缺的多边形和 NURBS 模型处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD 软件提高十倍，自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务，可与所有主要的三维扫描设备和 CAD/CAM 软件进行集成，能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对 CAD 软件的补充。图1-3 Geomagic Studio软件图（3）MASTERCAM是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程

28、、刀具路径摸拟及真实感摸拟等到功能于一身。它具有方便直观的几何造型 MASTERCAM提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。MASTERCAM9.0以上版本还有支持中文环境，而且价位适中，对广大的中小企业来说是理想的选择，是经济有效的全方位的软件系统，是工业界及学校广泛采用的CAD/CAM系统。MASTERCAM具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。 MASTERCAM提供了多种先进的粗加工技术，以提高零件加工的效率和质量。MASTERCAM还具有丰富的曲面精加工功能，可以从中选择最好的方法，加工最复杂的零件。MASTERCAM的多轴加工功能

29、，为零件的加工提供了更多的灵活性。可靠的刀具路径校验功能 MASTERCAM可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。MASTERCAM提供400种以上的后置处理文件以适用于各种类型的数控系统，比如常用的FANUC系统，根据机床的实际结构，编制专门的后置处理文件，编译NCI文件经后置处理后便可生成加工程序。图1-4 MASTERCAM软件图第2章 数据获取逆向工程中数据获取是逆向工程中的第一个环节，是具有复杂曲面的产品进行建模、评价、改进和制造的基础。数据获取是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。高效率、高

30、精度地实现零件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。随着新原理和新技术的不断发展，测量设备正在向着高速度、高精度、系统化、集成化、智能化的方向发展，但是各种测量方法仍存在自身的优点和缺点。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方式的不同。因此，要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法。根据测量探头是否与零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据获取大致可以分为两大类:接触式数据采集和非接触式数据采集。各种测量方法的具体分类如图2-1所示。图2-1 表面测量方法分类2.1 接触式测量接触式数据采集包括基于力一变形原理的触发

31、式和连续扫描式。触发式测头的探针在数据采集过程中必须偏移一定的数值才会触发开关，并且一旦触发到实物样件表面后探针需反向退回以免移动过量而折断。因此触发式数据采集主要适用于只需采集少量数据的场合。连续扫描式数据采集采用模拟式测头，不仅可以得到测头在空间的精确位置，而且可以实现与实物表面相接触的连续测量。它的原理是利用悬挂的三维弹簧系统中的探针位置偏移所产生的电感或电容变化进行机电模拟量的转换，当探针沿实物表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标偏移量的电流或电压信号。模拟式测量为连续测量，无绝对坐标，不能中途离开工作表面。接触式测量具有如下特点:优点:1)接触式测量经过几十年的发展已经相当成熟

32、，有较高的准确性和可靠性。2)接触式测量的探头直接作用于工作表面，工件表面的反射特性、颜色对测量结果的影响不明显。3)可以快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、球面等。4)可以人工对实物进行测量规划来减少数据处理的难度和工作量。缺点:1）需逐点测量，数据采集速度较慢。2)测量后需要做半径补偿，计算量大，不适合测量具有复杂几何外形的模型。3)测量力大小会影响会测量值，不适合测量软质表面。4)接触力会造成实物及探头表面的磨损，影响光滑度。5)检验内部元件有限制，如测量内.圆直径时触发探头的直径必定要小于被测内圆直径。6)为确定测量基准点而使用特殊夹具，导致较高的测量费用。在接触

33、式测量方法中，三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)是广泛应用的一种测量设备。三坐标测量机是一种大型精密的坐标测量仪器，将样件置于坐标测量机的测量空间即可获得被测工件上各个测点的坐标位置，根据测点的空间坐标，经计算可求出被测样件的几何尺寸、形状和位置。三坐标测量机可以获得较高的精度(达到0.5微米)，测量过程需要人工干预进行测量布点和路径规划，效率较低，获得的数据比较精简，不需要专业的逆向软件进行模型重建，但是不适合测量需要采集大量数据的复杂曲面。利用三坐标测量机测量时，进行适当的路径规划和巧妙的测点分布，既可以减少测点数量又可以提高测量准确度。2.2

34、 非接触式测量非接触式测量是利用某种与实物表面发生相互作用的物理现象来获取实物表面的三维坐标信息。非接触式测量方法可分为基于光学、声学和磁学原理的测量方法。非接触式测量方法主要有以下几种:l)激光三角法:激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原理是:利用具有规则几何形状的激光，投影到被测工件表面上，形成的漫反射光点(光带)的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸收，根据光点(光带)在物体成像的偏移，通过被测量体基本面、像点、像距等之间的关系，按照三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。激光三角法根据入射光不同，以三角法为原理

35、的测量方法可分为点测量、线测量和面测量三种。点式激光三角测量法常采用直射式和斜射式两种。直射式三角测量法的原理如图2-2所示。当光点在成像面上的位移为x时，可计算出被测面的位移x: X=ax'bsin-x'sin （2-1）式中： a激光束光轴与接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b接收透镜后主面到成像面中心点的距离;激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。图2-2直射式三角测量法的原理斜射式是激光器发出的光和被测面的法线成一定的角度入射到被测面上，其原理如图2一3所示。当光点在成像面上的位移为x时，可计算出被测面的位移x: X=ax'cos1bsin1+2-x

36、9;cos(1+2) （2-1）式中： 1为激光束光轴与被测面法线的夹角;2为成像透镜光轴和被测面法线的夹角。图2-3单点斜射式激光原理图 2)结构光法:结构光法的基本原理是把一定模式的光源投影到被测件表面，受到被测件表面高度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过解调变形光栅影线就可以得到被测表面的三维坐标。这种方法中最著名的是投影光栅法。其原理如图2-4所示。测量时，入射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到被测物体上的D点，从图示观察A点就移动到C点，距离AC就包含了高度信息:z=h (x,y)，即高度受到了表面形状的调制。图2-4 结构光法基本原理

37、3)激光测距法:将光束的飞行时间转化为被测点与参考面间的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。考虑到精度问题，实践中多采用单一频率调制的激光束，比较发射光束和接收光束之间的相位计算距离。4)干涉法:由一个光源射出的一束光经过分光后产生的两束光分别射向参考平面和目标平面，反射后的两束光产生干涉图样，通过分析指定的入射光的波长与干涉图样之间的关系测得目标平面与参考平面的距离。5)图像分析法:与结构光法的区别在于它不采用投影模板，而是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，得到点的空间坐标。6)CT测量法:计算机断层扫描(CT)的主要结构包括两大部分:X线体层扫描装置和计算

38、机系统。CT测量法是目前最先进的非接触式测量方法，它可以在不破坏样件的情况下测量样件的内部形状、壁厚，尤其是内部结构。但是它的空间分辨率低，获取数据需要较长的积分时间，重建图像计算量大，造价高。7)MRI测量法:磁共振成像术(MRD也称为核磁共振，其基本原理是用磁场来标定人体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动恢复到静态场的平衡时，把吸收的能量发射出来。然后利用线圈来检测这种信号，信号输入计算机，经过数据转换在屏幕上显示图像。MRI测量法能深入物体内部而不破坏物体，对生物没有损害，在医疗上具有广泛的应用。但是这种方法造价高，空间分辨率不及CT，且对非生物材料不

39、适用。8)超声波测量法:超声波测量法的原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质变界面会发生回波发射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，即可计算出各面到零点的距离。这种方法相对于CT和MRI来说，设备简单，成本低，但是测量速度较低且精度不高。目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。9)层去扫描法:层去扫描法是一种直接从样件到模型的实用、可靠的方法，它可以对任意复杂形状的样件进行快速测量。这种测量方法可以对具有孔或者内腔的物体进行测量，测量精度高，得到的数据完整，但是这种测量方法是破坏性的。与接触式测量方法相比较，非接触式测量方法具有以下特点：优点:测量速度快，曲面数据获取容易。2)不

40、需要进行测量半径补偿。3)无接触力，不会损伤精确表面，可以直接测量软工件、薄工件、不可接触的工件。缺点:1)测量精度较低，无法判定特定的几何特征，价格较高。2)易受工件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等。3)工件表面的粗糙度和明暗度会影响测量结果。4)易受环境光线以及杂乱光线的影响产生噪声，数据处理比较麻烦。5)对边线、孔以及不连续形状的处理比较困难。非接触式测量方法在高速采集数据方面具有显著的优势而且数据采集和数据处理能够进行并行处理，因此越来越受到重视。其中，光学原理的测量方法在非接触式测量方法中应用最为广泛，基于光学原理的测量设备在逆向工程中的应用最为广泛。2.3 数据获取方法比较实物

41、的数据测量方法很多，但各有优点与缺陷。从目前使用情况看，一般采用三坐标测量机、投影光栅法和激光三角形法等对实物原型的外部形状进行测量；对于物体内部轮廓的测量则常用工业CT和逐层切削照相测量，可完成复杂内部结构实物的测量。通过对上述两种测量方法原理的分析，对其优缺点比较如表2-1所示：表2-1 测量方法的比较优点缺点接触式测量方法1. 因为机电技术的成熟，有较高的准确性和可靠性；2. 与工件表面反射特性无关，与曲率关系不大；3. 适合基本几何形状的测量；4. 测量精度高。1. 需要特殊夹具，使测量成本增加；2. 需要经常校正测头；3. 操作不当容易损伤零件表面精度和测头；4. 需要对测头进行半径

42、补偿，会导致修正误差的问题。非接触式测量方法1. 不必作测头半径补偿；2. 测量速度快；3. 软、薄、不可接触的工件可直接测量。1. 测量精度较低；2. 易受工件表面反射特性的影响，如颜色、斜率等；3. 噪声较高。2.4 激光扫描机 本课题采用的数字化设备是Laser-RE600III复合型激光扫描机，如图2-5所示。它的应用领域主要有：复杂曲面抄数、文物数字化产品仿真、反求工程设计、零件质量检测及快速成型应用等。它的主要特征如下：（1）快速准确地采集完整的三维几何点云数据；（2）独特的滤光设计，可使CCD基本不受环境光影响；两组测头从两侧不同方位测量，几乎没有测量死角；（3）整个系统的扫描驱

43、动、位移值获取、图像信号采集、信号处理、系统定标全部采用电脑控制；（4）被测工件可以任意摆放，采用四轴全自动扫描，旋转轴中心自动定位实现全自动化扫描，并可实现多角度扫描，所测数据自动拼接；（5）通过高精度光学放大测头，将被测微小尺寸予以放大，利用先进的图像信息处理技术，可编程控制光学照明技术实现对微小或易变形的零部件的非接触测量，轻松实现2D轮廓测量，弥补了单纯三维激光扫描不能确定产品准确边界条件的不足。图2-5 Laser-RE600III复合型激光扫描机其规格参数及技术指标如下表2-2：表2-2 激光扫描仪的规格参数及技术指标基本参数Laser-RE600III行程(mm) (X，Y，Z)

44、500*600*400旋转台360°重复精度(mm)0.005定位精度(mm)0.003外形尺寸(mm)1000*1300*1600重量(kg)650图像采集系统Euresys高速图像采集卡+精工镜头+低照度高分辨率CCD环境条件标准办公室环境，无强光或阳光激光扫描参数精度(mm)0.05激光650nm,20mW扫描速度1000-15000points/sec扫描软件Rescantm扫描宽度(mm)50扫描景深(mm)1502D投影参数精度(mm)0.02放大倍数20光学解析度(mm)0.001数据格式ASCII, IGS, STL, DXF, IMW2.5 汽车后视镜的数据获取实现

45、各种数据采集方法都存在一定的局限性，要根据逆向工程中测量样件的具体要求选择相应的测量方式，也可以采用不同测量的方式相互补充，以便高效率、高精度地实现样件表面的数据采集。本课题采用的数字化设备是Laser-RE600III复合型激光扫描机，它的应用领域主要有：复杂曲面抄数、文物数字化产品仿真、反求工程设计、零件质量检测及快速成型应用等。要扫描的工件如图2-6所示。图2-6 后视镜罩与底座扫描原件在进行实际测量前观察样件的形状复杂度、表面明暗度、测量环境等。如果表面反光应喷洒表面喷剂，以便得到较好的测量效果。在测量过程中要尽量保证工作环境的温度和光线的稳定性，以免影响测量精度和速度。在样件装配完整

46、的情况下，为了采集完整的数据需要在不破坏样件的基础上对测量样件进行分解。在进行样件分解时，要明确它的装配工艺避免样件在外力作用下发生变形影响最后的测量精度。由于该后视镜的面比较多，需要进行多次测量。在保证能够获得完整测量数据的情况下，尽量减少分块数据的数量并且保证每个数据具有明显的形状特征，这样可以减少数据拼接时的误差，使获得的后视镜的数据具有较高的精度。为了保证后视镜与车架的装配关系，需要测量出它们之间的装配基准。经扫描得到的点云数据如图2-7所示，图2-7 后视镜罩和后视镜底座扫描点晕数据着色图第3章 点云数据处理技术3.1 点云数据分类测量数据按反映特征和组织结构大致可分为二类:有序点和

47、无序点。无论采用何种测量设备，如果使用了多次测量的方法，导致数据在分布上不遵循一定的规律，无明显的几何关系则称为散乱点，在测量整个零件的外曲面时常出现。散乱点数据除要进行数据预处理、数据分块外，还要进行数据优化及散乱点数据的拓朴关系。根据点云中的点的分布特征，点云可分为散乱点云、网格点云、等值线点云、扫描线点云。(1)散乱点云测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态。随机扫描方式下的CMM、激光扫描测量、结构光测量等系统的点云呈现散乱状态。对这种点云进行数据处理时，首先要建立其拓扑关系，可以通过三角划分建立三角网格拓扑结构，以便于后续的数据处理。图3-1 散乱点云(2)网格点云点云中所有点

48、都与参数域中的一个均匀网格的顶点对应。将CMM、激光扫描系统、投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过网格化插值后得到的“点云”即为网格化点云。图3-2 网格点云(3)等值线点云测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接可形成一组有嵌套的平面多边形。莫尔等高线测量、工业CT、层切法等系统的测量点云呈现多边形特征。图3-3 等值线点云(4)扫描线点云点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点都位于扫描平面内。CMM自动跟踪测量、CMM、激光测量系统沿自线扫描的测量数据和线结构光扫描数据呈现扫描线特征。此外，对海量散乱点沿某一方向进行横截面法得到的也是扫描线点云。

49、图3-4 扫描线点云3.2 点云数据处理关键技术测量数据的处理在反求工程中占有极为重要的地位，是反求工程的关键技术之一。由于系统误差和随机误差的存在，测量数据中难免存在误差较大的数据点，也会出现测量遗漏和数据重复现象。通过造型软件提供的各种视图和编辑工具可以从多个角度观察原始型面数据，找出上述缺陷。对于上述误差明显偏大的数据点需要将其剔除，以免影响造型精度。另一方面是，一般测量的数据点的数据太大，即使很小一个模型也要上万个点。因此数据精简是必要的。数据预处理的任务是针对不同曲线曲面构建方法，对测量数据进行相对应的处理，以满足其对数据质量及拓扑结构的不同要求。预处理过程包括多视点云的拼合、误差点

50、的识别和去除、点云的光顺和平滑、精简点云数据、特征提取、点云数据修补、点云数据分块等多个方面。其工作流程图如图3-5所示。图3-5 点云数据处理流程图3.2.1 点云数据点阶段预处理1）点云数据注册及拼合多坐标多视点云数据的拼合是逆向工程中测量数据处理的一个基本问题，目前处理该问题常用的方法是 ICP(Iterative Closet Point Algorithm)算法，该算法首先由点云数据构造出局部几何特征，然后进行点云数据的重定位。其基本思想是：给定两个点集 Q和 P， Q 为参考点集，P 为目标点集，为了使 P 和 Q 最终能够拼接在一起，首先对点集 P 中的每一个点在 Q 中找一个与

51、它距离最近的点，建立点对应的映射关系，然后通过最小二乘法计算一个最优的坐标变换，即旋转矩阵 R 和平移矢量 T，并令 P=RP+T，再进行迭代求解直到满足精度为止，可以求出最终的旋转矩阵和平移矢量。传统的 ICP(Iterative Closet Point Algorithm)算法的缺点只适用于存在明确对应关系的点集之间，而且由于每次迭代都需计算目标点集的定位，因此计算速度慢，不能很好的解决多视点云的定位问题。本文采用的是基于三个基准点的对齐方法。由于三点可以建立一个坐标关系，在不同视图中建立用于对齐的三个基准点，通过基准点对齐拼合实现三维测量数据的多视统一，基于三个基准点的方法能够很好的解

52、决两块点云之间的多视定位问题。当两块点云中的公共特征点查找结束以后，可以利用三个特征点对齐的方法，对多视点云数据进行对齐坐标变换，统一到一个坐标系下，完成数据的粗对齐。然后利用 ICP算法对点云进行精确的定位，融合数据，达到最佳的匹配。对于两次测量得到的后视镜罩点云数据是具有不同坐标系的多视点云，需通过数据拼合将三帧点云图像统一到一个坐标系下，应用以上多视点云数据对齐的理论，以 Geomagic Studio软件为数据处理平台，探讨多视点云数据的拼合。后视镜罩测量得的三帧图像，选取三个基准参考点来拼合，基准点位置选取不同将会影响数据的对齐精度。所选取的三个基准点构成的三角形面积越大，模型误差越

53、小，即三个基准参考点间的距离越远，数据对齐越精确。在误差正态分布的情况下，选取两件组成的三角形越接近等边三角形，数据对齐精度越高。将igs格式的点云数据导入Geomagic Studio软件中，对两次测量得到的点云数据进行手动注册，以达到对齐一个对象的多个搭接的扫描数据的目标，手动注册前点云数据位置如图3-6所示。图3-6 手动注册前点云数据位置在两次扫描数据都有的点晕区域中选取三个基准参考点，软件将自动尽量拟合两个扫描数据在一起，如果模型的方位相似，选择的对应基准参考点越接近，底部的窗口将更新显示对齐了的扫描数据，如图3-7所示。图3-7 对齐的扫描数据完成注册操作后，现在所有的扫描数据被大

54、致对齐，参数显示以及平均距离和标准偏差如图3-8所示。图3-8 点云数据拼合统计进行了初步的点云数据拼合之后，使用全局注册命令来接受大致对齐的扫描数据和重定义对齐来减少扫描数据间的偏差。通过进行全局注册，几个对齐的运算反复执行，以便更接近地对齐数据，所得到的数据显示情况与扫描数据的报告统计如图3-9所示。图3-9 全局注册扫描数据报告统计为了检查扫描数据，看到是如何互相关联在一起的，使用全局注册中的分析，计算完成后视图将显示每个扫描数据是如何与它的邻居关联的，如图3-10所示。图3-10 全局注册分析色谱经过浏览基本确定所有的扫描数据已经接近地对齐了，接着就要将它们合并在一起，合并功能模块的执

55、行，除了减少每个扫描数据的噪音，合并扫描数据到一个网格，它还排除了多余的重叠的数据，效果如图3-11所示。图3-11 合并结束效果图2）点云数据优化处理及封装在点阶段进行去除体外孤点、减少噪音、采样、封装等处理环节，可以快速和方便地改进点云数据，噪音数据可以被优化，智能的取样操作能被用来减少点云数量，如此便可将不必要的或错误的扫描数据淘汰，处理后的点云数据能够更快地得到质量更高的三角网格面。删除体外孤点即是手动删除远离主点云的体外孤点，删除非连接项则是通过软件来自动探测所有孤立点并删除它们。事实上，要求软件选择的点数量相对于主点云来说是相当少的，应该是点云总数量的5%或更少，并低分离主点云的点

56、束，如图3-12所示。图3-12 删除体外孤点和非连接项在扫描或数字化过程中，噪音点经常地被引入导数据中。在曲面模型上粗糙的、非均匀的外表被看成是“噪音数据”，原因可能是扫描设备的轻微震动、扫描仪测量直径误差或较差的实体表面。减少噪音模块命令有助于减少在扫描中的噪音点到最少，因而更好地表现真实的物体形状，噪声级别统计信息与点云情况如图3-13所示。图3-13 减少噪音可以通过色谱图显示，来可视化噪音点数据的移动距离，如图3-14所示。图3-14 减少噪音显示偏差色谱图当点对象已经被处理的足够好，封装能被用于转换点对象到多边形对象，封装提供了两种转换点对象到多边形对象的方法。曲面封装用于数据均匀

57、和清晰定义了的完整曲面的点数据，这种方法通常很快，但在点数据不完整的地方产生孔。体积封装用于数据不均匀或不完整的点数据，系统创建了比平均数更多的多边形来复制形状，这种方法通过数据中每个点创建了一个多边形网格。计算封装如图3-15所示，图3-15 计算封装与效果图3.2.2 多边形阶段基本处理当曲面封装完成后，对象作为多边形对象存在对变形阶段中，当对象进入多边形阶段后，有许多命令用来调整三角形面。这些命令包括三角形删除、平滑曲面的多种方法、孔填充、和边修补的技术。“简化”是在保持主要曲面结构的基础上，减少多边形数量的方法。为了改进曲面，松弛、重定义、填充孔、锐化、平面截面、偏移曲面、抽壳曲面、加

58、厚曲面和松弛/拟合边界工具能改变点集的坐标系和可能增加一些点。多边形阶段的命令是非常重要的，因为对象必须具有最好的质量，才能进入下一个形状阶段，为NURBS曲面做准备。那么，为了创建一个精确的NURBS曲面，多边形模型应该是完整的并且高质量的。数据采集和点预处理时会造成数据缺失产生破孔，可以用填充孔命令对破洞进行填充。填充时有多种选择，或基于曲率或基于平面，或填充完整孔或选择两点及其之间的轮廓线。对于后视镜罩表面变化不大，曲率变化不大，填充方式就显得相对简单。填充孔效果如图3-16所示，图3-16 填充孔效果图对物体的轮廓线进行编辑，由于在数据采集时由于边界上曲率变化明显，对数据采集造成一定的

59、误差，使物体边界出现一些锯齿形状的边界线，对此我们对其进行边界编辑，效果如图3-17所示。图3-17 编辑边界效果图3.2.3 形状阶段基本处理与曲面拟合在此阶段，一个形状对象能成为一个开放的或封闭的NURBS曲面对象。用一种布局相似的方法来布局四边曲面片来表现一个形状。一种多个分辨率网格的结构被放在每个曲面片上，并且NURBS曲面拟合每个曲面片。在创建一个满意的NURBS对象中最重要的是得到一个好的曲面片结构。理想的结构是：规则的：每个曲面片近似是带四个角的矩形。合适的形状：在一个曲面片内部没有特别明显的或多处曲率变化（肿块）。有效的：模型包含了与前两个要求一致的最少量的曲面片。形状对象的自

60、动化构建的目的在于取得这些目标。此外，手动和半自动编辑工具被提供来修改曲面片边界的结构和位置，为了改善曲面片的布局，曲面片移动操作能被用来局部地修改曲面片结构，用每次修改来保证一个正确的曲面片布局，移动个别顶点可修改曲面片边界。一个对象的轮廓线是最终将成为产生NURBS曲面结构的线。轮廓线往往是由在对象上的高曲率变化决定的，然后将对象分成低曲率变化的区域，并能用一组光滑的曲面片轻易地呈现出来，探测轮廓线效果如图3-18所示。图3-18 探测轮廓线如果零件表面曲率变化不大，可以使用智能NURBS构面，由软件自动优化提取后的特征线生成NURBS曲面。车后视镜表面的曲率变化不大，采用自动化提取特征线

61、生成NURBS曲面。除此之外，还可以通过分布自动生成的方法获得耳膜的NURBS曲面。使用Detect Curvature功能，采用Auto estimate的方式，Curvature Level为0.3，点选Simplify Contour Lines，点确定后自动探测曲率。使用Construct Patches功能，采用Auto estimate方式，计算机会自动根据耳膜特征分布情况构建耳膜曲面片布局图。构建出的曲面片在需要比较精细的地方有比较多且小的嵌片，在比较平坦的地方有比较少且大的嵌片。自动构建好的曲面片需进一步调整，使用Relax Contour Lines功能可使轮廓线变得挺直。使

62、用Geomagic Studio软件的Relax Boundaries Lines功能可使边界线平均分布，且可以预防边界线有互相交叉的情况。编辑后的曲面片如图3-19所示。图3-19 构造曲面片编辑后效果图调整好曲面片布局图后,使用Construct Grids功能,将会在每个嵌片内分布U-V网格线, NURBS曲面的控制点将会依据这些网格而产生,定义Resolution值为20(分辨率越高,曲面越精细,分辨率越低,曲面越平顺,取2050较理想),选择修复相交区域,选择检查几何图形。构造好的耳膜格栅如图3-20所示。而栅格在构造好之后也许会出现交叉等错误，通过经过一定的调整，使得出现问题的部分

63、（有问题的栅格为红色，正常是为蓝色）栅格为同一种颜色。图3-20 构建栅格结果构造格栅后,用Fit surfaces功能拟合NURBS曲面,我们要的曲面是要比较精细的,设定ControlPoints为20,Tension为0.1,同样可生成如图3-21所示的NURBS曲面模型。图3-21 拟合NURBS曲面效果图3.2.4 后视镜底座曲面重构后视镜底座点阶段数据处理，注册拼接效果如图3-22所示。图3-22 点云数据注册拼接后视镜底座数据处理，合并与封装后效果如图3-23所示。图3-23 封装后效果图后视镜底座数据经过多边形阶段处理后，曲面效果如图3-24所示。图3-24 多边形阶段处理曲面后视镜底座数据，曲面制作并拟合曲面效果如图3-25所示。图3-25 后视镜底座的拟合曲面第4章 数控仿真加工4.1 三维后视镜罩模型数控加工与刀轨生成方法探讨4.1.1 操作流程基于 ProENGINEER或MASTERCAM 软件平台的NC生成数控程序的过程与实际产品加工的流程相似。具体的流程，如图 4-1所示。设计制造模型由两部分组成，参考模型（三维后视镜罩模型）和工件（创建的毛坯）。将两部分装配在一起形成制造模