1、廣東機電職業技術學院自編教材?產品測繪與逆向設計?實訓指導書林 輝、余蔚荔 主編機械工程學院二零一一年七月目 錄一、實訓目的3二、實訓條件3三、實訓要求及考前須知3四、實訓內容和時間安排4五、實訓步驟5六、考核方式5七、參考文獻5附件17附件226附件336附件447附件574附件680最新 精品 Word 歡送下載 可修改一、實訓目的對于計算機輔助設計專業學生，本實訓的主要目的是使學生能夠對產品進行測繪，對產品的點云進行后處理，最終能夠利用Pro/Engineer軟件進行產品的逆向設計。具體主要涵蓋在以下幾個方面：(一) 了解產品測繪的一般方法與手段，掌握三坐標測量機和三維掃描儀的一般結構和

2、根本工作原理，同時能夠熟練操作其中一款逆向設備。(二) 了解產品逆向設計的概念及逆向設計的開展現狀，掌握產品逆向設計的常用方法與手段。(三) 掌握Imageware V12.0軟件的根本應用，能夠將三坐標測量機或三維掃描儀的點云構建成適合于Pro/Engineer軟件的線圖或曲面圖。(四) 能夠熟練運用Pro/Engineer軟件的跟蹤草繪功能進行產品的逆向設計。(五) 能夠熟練運用Pro/Engineer軟件對Imageware軟件處理過的iges格式的文件進行逆向設計。二、實訓條件(一) 場地條件：計算機房、產品逆向設計實訓車間暫缺(二) 設備條件：數字化測量設備三坐標測量儀或三維掃描儀1

3、臺，數碼照相機1臺，高配置計算機假設干臺(三) 設備要求：計算機要求安裝有Pro/Engineer 3.0軟件、Imageware12.1軟件。(四) 輔助工具：小型家電產品 、 機、熨斗、電飯鍋等、橡皮泥、502膠水、一組塊規、卡尺、內徑千分表、等高塊6塊、磁力表座、精密虎鉗、V型鐵2組、塞尺。三、實訓要求及考前須知(一) 嚴格遵守各項管理制度、機床操作規程、平安規程，樹立嚴謹的操作習慣和高度的平安意識。做到不遲到不早退，嚴格遵守生產實訓勞動紀律。每天每周按要求精心保養機床與計算機。(二) 要求每一個學生都能獨立并熟練地操作數字化測量設備三坐標測量儀、三維掃描儀進行產品測繪。同時能夠將測繪數

4、據進行點云后處理，最終用Pro/Engineer軟件進行產品逆向設計。(三) 要求每一個學生都能夠掌握Imageware軟件的根本應用，能夠對一般復雜程度點云進行構線或構面處理。(四) 要求每一個學生能夠用數碼相機采集產品的三視圖，并運用Pro/Engineer的跟蹤草繪功能進行產品逆向設計。(五) 根據實訓指導書的要求，認真完成實訓指導書提供的有關課題，包括兩種方式的產品逆向設計練習。(六) 每個學生獨立完成實訓報告的撰寫。四、實訓內容和時間安排本次實訓時間為2個星期10天。內容和時間安排如下：序號周序內容時間天備注11（1） 平安教育和布置實訓任務；（2） 介紹產品測繪的一般方法與手段，講

5、解數字化測量設備三坐標測量儀、三維掃描儀的結構與根本原理，產品逆向設計概念及開展現狀講解，產品逆向設計的常用方法與手段。（3） 以實例介紹Pro/Engineer軟件的跟蹤草繪功能。（4） 利用Pro/Engineer軟件跟蹤草繪功能進行產品逆向設計。課題1：花瓶課題2：水壺課題3：玩具跑車3利用數碼相機獲取一個家電產品Front、Top、Right三個方向的圖片。課題13任選2個完成。21Imageware軟件根本功能講解和掃描數據后處理練習。課題1： 反射鏡 課題2： 鞋楦 課題3： 鼠標 課題4： 木桿球頭 課題5： 計算機輔助檢測 課題6： 風扇 課題7： 網絡攝影機 課題8： 行動

6、課題9： 汽車后視鏡 課題10： 汽車葉子板 3根據指導書提供的點云圖進行練習，課題110選做完成3個。3121將經過Imageware軟件處理過的抄數圖進行Pro/Engineer產品逆向設計。課題1：帽子造型課題2：風扇1造型課題3：風扇2造型課題4：法拉利跑車造型課題5：海豚造型課題6：玩具車蓋造型課題7：mickey臉部造型課題8：剃須刀蓋造型4根據指導書提供的點云圖進行練習，課題18，任選3個完成。42實訓總結、寫實訓報告、評定實訓成績。合計10五、實訓步驟1. 講授實訓的目的意義，實訓的紀律，實訓的平安，實訓要求。2. 產品測繪的一般方法與手段，數字化測量設備三坐標測量儀、三維掃描

7、儀的結構與根本原理。附件13. 產品逆向設計概念及開展現狀講解，產品逆向設計的常用方法與手段。附件14. Pro/Engineer軟件在產品逆向設計中常用的技巧。附件25. Pro/Engineer軟件跟蹤草繪功能及實訓課題練習。附件36. Imageware軟件根本功能學習，利用Imageware軟件對采集的點云進行構線、構面練習。附件47. 利用Pro/Engineer軟件對Imageware軟件處理過的抄數圖進行產品逆向設計。附件58. 實訓總結、寫實訓報告、評定實訓成績。實訓總結要根據時間順序撰寫，寫出自己的體會。成績的評定見考核方式。附件6六、考核方式(一) 考查的依據是：實訓中的表

8、現，出勤情況，對實訓相關知識的掌握程度，利用Pro/Engineer軟件跟蹤草繪功能進行產品逆向設計的熟練程度，對Imageware軟件的根本功能掌握情況，Pro/Engineer軟件對點云的后處理能力，分析問題和解決問題的能力，以及實訓報告的編寫水平等。(二) 依據任務完成質量、實訓表現、實訓報告三局部，各占60、20、20。(三) 成績評定可分為優、良、中、及格、不及格。七、參考文獻1、?Pro/Engineer Wildfire 2.0曲面設計技巧與實例? 楊峰 黃效賀 中國鐵道出版社2、?pro/ENGINEER中文野火版逆向工程專家實例精講? 張國亮 中國青年出版社3、?Pro/EN

9、GINEER Wildfire2.0造型曲面設計? 林清安 電子工業出版社4、?Imageware v11 逆向工程應用技術與范例?簡體中文版 馬路科技參謀股份5、相關網站資料附件1產品測繪與逆向工程概述1.產品測繪的概述1.1產品測繪的一般方法產品測繪是指在產品從設計到加工，再到最后的成品整個流程中，為了獲得工業造型所需要的設計尺寸資料或成品質量檢驗資料，而利用普通量具或數字化測量設備來獲取產品的尺寸參數的一個過程。簡單表述就是測繪技術在產品中的應用。從其概念來看，產品測繪的應用主要有以下幾個方面：在產品設計的最初階段，我們假設采用逆向工程設計方法進行產品設計，就需要獲取樣品的相關尺寸資料，

10、從而必須進行產品測繪；同樣，在產品的加工過程中，也就是在產品的模具設計制造過程，可以利用產品測繪手段進行模具的測繪，從而很輕松獲得設計與現實的誤差；在最后的成品，利用產品測繪手段可以獲取成品的尺寸資料，從而可以進行廢品的檢驗。產品測繪獲得的數據還可以為產品的結構分析、應力分析等CAE操作提供有力的數據支持。產品測繪的一般方法根據其量具的不同可以劃分為兩大類型：（1） 傳統測繪法，也就是采用傳統的產品測繪量具進行產品測繪，這類量具包括卡尺、游標卡尺、千分尺、內徑千分表、組合量規等。（2） 現代測繪法，即采用現代的產品測繪量具，也就是數字化測量設備進行產品測繪，這類量具包括三坐標測量機、三維激光掃

11、描儀也稱三維激光抄數機、影像測量機等。傳統的產品測繪量具一般應用于一些形狀規那么的產品的測繪，隨著社會的不斷開展，人們對于產品外觀的要求越來越高，為了滿足人們的美感要求，產品設計師在設計過程中往往采用很多自由曲面，這些曲面，利用傳統量具將無法進行測量，這也就使得產品逆向設計在很長一段時期內舉步維艱。近代，隨著計算機與電子技術的不斷開展，產品測繪技術也得到飛速的開展，出現了二維、三維數字化測量設備，目前，三維數字化測量設備已經深入應用到產品測繪的很多領域，可以對產品的復雜曲面進行測繪，精度能夠到達0.001mm，讓產品逆向設計獲得飛速開展。然而，由于三維數字化測量設備一般都比擬昂貴，還無法完全取

12、代傳統量具，在產品測繪的現階段，這兩類測繪方法都還將長期并存。1.2三維數字化測量設備概述逆向工程，大多以點集合數據為建構參考數據，在這個領域的數字化測量設備主要包括三坐標測量儀Coordinate Measuring Machine 縮寫CMM、三維激光掃描儀也稱三維激光抄數機、影像測量儀二次元測量儀。數字化測量設備按照測量方式可以劃分為接觸式、非接觸式兩種，按照結構形式劃分為垂直懸臂型、水平懸臂型和便攜式三種，如圖1所示。接觸式的測量設備，精確度較高，但是細節局部無法測量清楚，而被測物件強度、硬度不能太低，以防測量時被測頭擠壓變形。因此藉由光學儀器的進步，非接觸式的測量設備開展越來越多。非

13、接觸的設備，不會影響被測對象的外觀外表、形狀，測量速度快、細節角落清楚、測量數據量大等優點，由于大量的點數據輸入可以直接描述對象，因此測量后的對象點數據，可直接以快速原型機建構成品。非接觸式測量還可以做到接觸式測量無法應用的范圍，例如人體外型的掃瞄。目前國內幾所院校，為人機工程的開發而購入中科院光電所開發的人體掃瞄設備，所測量到的人體形狀，輸入數據庫后，便可以開發更多符合人體工學的產品。因此逆向工程的應用者通常都選擇非接觸測量設備，或搭配接觸式設備使用。測量數據的質量，關系著后續的曲面建構，因此假設能獲得良好的測量數據那么能大大提高曲面建構的速度與質量。以逆向工程而言，點數據愈完整愈有助于后續

14、的操作。三維激光掃描儀目前采用的是便攜式的結構；三坐標測量儀的結構形式有垂直懸臂型、水平懸臂型和便攜式三種。數字化測量設備測量方式分類接觸式非接觸式數字化測量設備結構形式分類垂直懸臂式水平懸臂式懸梁型橋架型機柱型跨架型臂移動型臺面移動型單機柱型雙機柱型床型臺型便攜式圖1 數字化測量設備分類三維數字化測量設備的開展三維數字化測量設備從出現到現在，主要經歷以下三個開展階段：第一代：點測量代表系統有：三坐標測量儀；點激光測量儀；關節臂掃描儀精度不高通過每一次的測量點反映物體外表特征，優點是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在測量較規那么物體上有優勢。應用范圍：適合做物體外表誤差檢測用。第二代：

15、線測量代表系統有：三維臺式激光掃描儀，三維手持式激光掃描儀，關節臂激光掃描頭。通過一段一般為幾公分，激光線過長會發散有效的激光線照射物體外表，再通過傳感器得到物體外表數據信息。應用范圍：適合掃描中小件物體，掃描景深小一般只有50mm，精度較低，此代系統是過渡性產品。第三代：面掃描代表系統：三維掃描儀結構光、光柵式掃描儀，三維攝影測量系統等。通過一組一面光光柵的位移，再同時經過傳感器而采集到物體外表的數據信息。使用范圍：適合大中小物體的掃描，精度較，掃描速度極快華朗三維掃描儀單面400×300mm 面積，時間5秒，測量景深很大，一般為300-500mm，甚至更大。目前，這三種類型的設備

16、在我國都已經得到廣泛的應用，根據不同的行業，可以選擇不同的類型，考慮到公司規模與需要，一般做產品逆向設計一般采用線掃描或面掃描的激光掃描儀和三坐標測量儀。三維數字化測量設備的結構與根本原理1.結構三維數字化測量設備主要由主機機械系統X、Y、Z三軸或其它、測頭系統、 電氣控制硬件系統、數據處理軟件系統測量軟件四大局部組成。然而，根據三維數字化測量設備的接觸式與非接觸式兩種不同的測量方式，其結構也略有差異。CMM具體結構如圖2所示。對于接觸式三坐標測量儀，其結構根本與如圖2所示設備一致，這類測量儀的探頭主要采用的是機械式探針probe，探針在長期使用過程中會出現磨損現象，為了保持測量結果

17、的正確性，必須定期更換探針，因此，探針屬于接觸式三坐標測量儀的一種耗材。對于非接觸式數字化測量設備，其結構根本與接觸式結構一樣，非接觸式測量方法主要利用光、電磁場、放射性、超聲波這幾個方面的技術來實現產品的測繪。目前，最常用的是基于光學原理的測量設備，該類型在結構上與接觸式不一樣的地方主要是其包含有激光發生裝置、CCD攝影機。，是英文Charge Coupled Device 即電荷耦合器件的縮寫，它是一種特殊半導體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個感光元件叫一個像素。在攝像機里是一個極其重要的部件，它起到將光線轉換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。同

18、時，CCD的性能也就直接影響了非接觸式數字化測量設備的精度。 圖2 數字化測量設備結構圖2.三維數字化測量設備的根本原理鑒于數字化測量設備的兩種不同的測量方式，下面分別對這兩種方式的測量根本原理進行闡述。1接觸式的根本工作原理接觸式的數字化測量設備首先要標定工件坐標系，然后根據探頭接觸到被測量物體，獲得該觸點的坐標，最終獲得所有的點坐標數據。2非接觸式的根本工作原理非接觸式的數字化測量設備主要利用光學測距原理進行測量，在此將以ATOS XLATOSTRITOP測量系統為例來詳細介紹三維非接觸式數字化測量設備的工作原理。ATOS XL測量系統是采用參考點結合的方式獲得高質量的點云，細分為以下兩種

19、方法：1.對于小的零件可以采用 ATOS 參考點 互相參考結合的方法2.采用數字相機拍照獲得整體參考點 (用于大型工件)ATOS XL照相測量系統如圖3所示，ATOS 采用左右兩個相機+光柵投影進行測量的優點：1. 有最正確的參考點結合精度。2. 使用兩個 CCD 可以實時檢查系統的測量精度，位移量、光線變化。3. 方便調整和校正系統.一個掃描頭可以根據需要調節到不同的測量范圍。4. 精度高、低噪聲點，硬件性能穩定。5. 極高的分辨率:每個 CCD 分別產生測量數據,另外支持高分辨率的 CCD。6. 功能強大的操作系統和軟件，操作簡單.。圖3 ATOS XL照相測量系統1ATOS全新的理論根底

20、：舍棄單眼 CCD 而使用雙眼 CCD 來定位投影出來的光柵。計算 3D 點群時，是使用左右 CCD 所取得的兩張高解析影像來作計算，而并非只使用投影出來的光柵及相位。對于大型對象的測量，ATOS 可將測量所得的點群，自動整合為一筆完整的點群。2ATOS 的測量原理：三角法測量原理是目前光學測量應用最廣泛，技術最成熟的方法之一。首先光源發生器發出測量學源泉(一般為激光點光源或激光線光源)探測到被測工件的待測外表，通過光學系統投影到線陣CCD或面陣CCD上位置，而作為基準面的用來標定系統的點，其投影位置為點，所以通過它三角關系，CCD上的長度即可計算得到工件的高度尺寸。通過測量系統的測量運動(即

21、掃描運動)就能將工件的全部外形尺寸得到。三維激光掃描光源采用半導體激光器，它具有壽命長、功耗小且光刀窄等一系列優點。成像系統采用進口分辨率，高精度面陣CCD攝像機。測量系統的掃描測試平臺，采用三直角坐標直線運動和一維旋轉運動的四坐標方案，實現對物體3600 范圍的三維形貌掃描測量。ATOS 具有單個光柵投影設備及兩個 CCD camera，左右雙 CCD 可以讓測距精度增加。整個影像的數字編碼工作是由 8 張 Gray code 投影和 4張 Phase-shift 投影所完成。在影像上具有相同編碼的像素，即是落在物體上相同的點。此時兩個 CCD camera 的距離為己知，且 CCD 至物體

22、外表目標點的角度又可經由攝得的高解析影像求得。三角形中，己知一邊長度及兩角度，那么可由正弦定理求得另兩邊的長度，也就是說物體外表的點數據己被測量出來，同時測頭的坐標系統也被計算出來。此即為三角測距法。而在保證精度 0.05mm 內依設備等級，最高精度可達 0.01mm 以內可從影像當中擷取出 439，296 點。圖4 ATOS 光柵運作原理3TRITOP 數字相機的功能：TRITOP 數字系統是一部影像測量器(數字照像機) 另外有配合此部數字，如圖5所示。照像機的標簽點及 Scale Bar標準標尺。被測對象的周圍或外表先黏貼一些編碼的參考點。在未使用 Atos 測量點數據之前，先利用數字像機

23、將所有編碼及無編碼的參考點測量進來，并計算出參考點坐標系。之后，每當 Atos 測量完一筆點群(至少要有三個參考點)，系統便會在參考點坐標系中自動尋找相符合的參考點，并自動將點群的測頭坐標系轉換為參考點坐標系。當完成所有對象外表的測量工作時，此時在參考點坐標系上便會形成對象的完整點群。由數字相機定位卷標點群后，ATOS 掃瞄對象外表就可以快速的定位到3D 的空間坐標上。圖5 TRITOP設備3.數字化測量設備的誤差及補償從數字化測量設備的結構及其測量根本原理，可以分析得到其誤差主要包括以下幾個方面：1測量軟件編寫算法引起的誤差；2測量硬件本身及安裝調試引起的誤差；例如：三坐標測量儀的機械組成局

24、部在傳動等情況下存在誤差；3工件本身形狀、裝夾不當引起的誤差；4環境溫度變化引起的誤差；5人為在測量過程中引起的誤差。由于以上某些軟硬件的誤差是人為無法補償的，因此，針對3、4、5三種誤差采取以下補償措施：1在工件裝夾的過程中要注意裝夾牢固、定位準確；如果采用502粘在工作臺的方法，要注意被測量工件的熱膨脹系數，測量時間一般不能超過1小時，如果超過額定時間，測量結果必然出現很大誤差。2最正確的測量環境溫度是20±1°，濕度是65以下。應在檢測區加隔熱裝置或對在線應用的坐標測量機建隔熱罩。坐標測量機周邊的空氣溫度應當用熱交換裝置或空調系統加以控制。保持在周圍區域的適宜溫度，坐

25、標測量機和被測零件溫度的不同會造成測量誤差。假設把零件放在測量機工作臺后馬上測量，在測量期間零件溫度的變化會造成明顯的誤差，因此工件應當放置在檢測溫度的環境中直到到達滿意的溫度平衡為止。在測量過程中，盡量防止在測量時翻開或關閉外部的門窗，在測量時防止翻開暖氣，把測量從熱源屏蔽，同時測量機不要直接受太陽光照射。3在測量的過程中，如采用接觸式的測量設備，要進行探頭半徑不正，要注意補正方向。圖3是探頭補正之誤差，圖4是探頭補正方向不當所造成的嵌合曲面誤差。圖3 探頭補正之誤差 圖4 探頭補正方向不當所造成的嵌合曲面誤差數字化測量設備的操作步驟1.三坐標測量儀的操作由于三坐標測量儀由不同生產廠家生產，

26、同一生產廠家又有不同的型號，所以三坐標測量儀的操作方法并不是完全一樣的，但是，一般都是遵循以下幾個步驟：（1） 在工件上選取被測的特征。要求用最少的裝夾次數；對于關鍵的尺寸，假設有可能僅用測量機一個軸；選用最適當的機器。（2） 在坐標系統內定義工件基準。要求盡可能應用圖紙所規定的基準；改變基準要十分小心；防止用小區域的特征來建坐標系。（3） 選擇工件方向。一當決定好測量和基準特征，下一步要在測量機量程內來決定工件的放置方向，主要考慮的問題是待測特征和外表的可觸及性能，最好在一次裝夾中全部測完。（4） 選擇工件固定方法。可以選擇夾具，盡量防止使用粘膠。要求零件不要過定位；裝夾不要導致零件變形和損

27、傷；要清楚了解熱膨脹問題；假設可能要防止用膠。（5） 標定測頭。對于在檢測特定零件的每一個探針和測頭的組合都要進行測頭標定，針頭應當用標準球或其他被認可的有證標準器來標定。探針針頭的直徑盡可能大，用較大的球徑時，外表粗糙度的影響會減小，而且由于球和針桿的尺寸差異較大，因而應用更靈活，所用最大的針頭直徑由所測的最小孔徑決定 (零件有孔)，每根探針有它的有效工作長度(EWL)這個長度是根據針桿與零件相碰的條件給出的，一般來說針頭直徑越大有效工作長度越長。要求定期標定測頭；用的標準件作附加的檢查；注意選擇探針；考慮用變通的方法。（6） 定出探測策略。注意選擇探測點數量及探測位置；測點太少可能引起錯誤

28、；測點太多-測量時間太長，而且由于條件漂移造成誤差；注意由于局部特征造成的問題。（7） 坐標測量機編程。給坐標測量機編程包括了操縱桿的應用，去指示機器按探測路徑以繞工件運動，定義在每個被測外表的測點數及測點分布，定義對被測結果的計算方法；不要低估它的重要性，因為即使程序只有一個錯誤亦會影響成百個零件的結果。在編程以前提出“用戶要求或“功能性標準可以減少錯誤。（8） 記錄評價信息。保存此特性的記錄將給用戶提供歷史記錄。因而用戶重現某一測量情節，更重要的是建立一個知識庫，它包含了坐標測量機檢測的經驗可以用以開展將來的檢測策略。接觸式三坐標測量儀工作過程如圖5所示，如圖6所示的測量機是T-Probe

29、，被稱為“Walk Around CMM，是世界上最輕便的測量機，重量僅有670 克，測量范圍卻可達30米。而且在8.5 米范圍內，空間長度測量誤差不超過60m。T-Probe 采用加長探針，用戶可以根據自己測量需要組合探針和加長桿。探針自動識別等智能化功能，也方便了使用。適用于各種復雜部件和工裝的測量。 圖5 接觸式三坐標測量儀測量過程圖2.三維激光掃描儀的操作下面以ATOS測量系統來介紹三維激光掃描儀的測量方式，其他類型的三維激光掃描儀的工作原理與其根本相似。對于大且復雜的對象，由于對象的外表無法經由一次的測量而得到所有的外表點數據，故得藉由一些輔助參考點并將 ATOS 繞著對象作屢次測量

30、每筆測量時間約 10 秒，來得到整個對象的外表點群數據。其操作步驟如下：圖6 非接觸便攜式三坐標測量儀測量過程圖圖7 三維激光掃描儀測量過程圖1. 將參考點卷標均布黏貼于對象外表。2. 決定參考點坐標系。3. 以 ATOS 測量對象外表的點數據。(此時點數據還是測頭坐標系)4. 將點數據的測頭坐標系轉換為參考點坐標系。5. 重復 3 4 的步驟，直到所有的外表都己測量完畢。如圖7所示的是T-Scan 被稱為“Walk Around Scanner，是一個輕型非接觸式手持激光掃描儀測量范圍可達30米。T-Scan 具有70000 點/秒的數據采集能力，而且在8.5 米范圍內，空間長度測量誤差不超

31、過50m。TScan可以根據被測物體外表狀況自行調節激光束密度，外表不需要涂層等處置措施。T-Scan 是曲面測量、模具制造和逆向工程等方面應用的有力工具。 逆向工程中常用的數字化設備實例1. ONE 系列車間專用坐標測量機如圖7所示，是由美國Brown & Sharpe 精密制造的高精度測量設備，先進的材料工藝和設計理念，使得ONE 測量機成為車間測量和檢測應用的唯一真正選擇。圖 7 ONE系列坐標測量機2. LASER-RE系列復合式激光掃描機如圖8所示，這是思瑞測量技術(深圳)生產的型號Laser-RE600激光掃描機，該掃描機可以產生非常密集的點云數據，可以將被掃描的物體的各個

32、特征完全掃描出來輸入到計算機中，由CAD軟件進行處理。應用LASER-RE系列復合式激光掃描機進行三維激光掃描時具有以下特點： 1高速高精度得出點云數據，例如：進行一個GOLF球頭的掃描，在進行掃描路徑設定后，10分鐘左右就能得出GOLF球頭全部的密集點云數據。 2獨特的濾光設計，可使CCD根本上不受環境光影響。 3整個系統的掃描驅動，位移值獲取，圖像信號采集，信號處理，系統定標全部采用電腦控制。 4被測工件可以任意擺放，采用四軸全自動測量，旋轉軸中心自動定位實現全自動化測量，并且可以實現多角度測量，所測數據自動拼接。 5兩組CCD鏡頭從兩側不同方位測量，幾乎沒有測量死角，配合四軸全方位掃描，

33、以及長達150mm的測量景深，可以一次性的將整個工件數據完整而準確的獲得。 6XYZ三軸導軌均采用雙零級花崗巖，因而三軸具有相同的溫度特性，鋼性及穩定穩定性更高，良好的抗時效變形能力，使集合精度長期保持穩定。 7先進的高精密的滾珠絲杠傳動，使測量機運行時幾乎無噪音，壽命長，平穩且定位精確。 8工作臺具備開敞的工作空間，裝卡工件及測量觀察都異常方便，3D激光頭及2D投影頭可以運動到工作空間的任意位置，極大的方便了測量。 9激光發生器，CCD，圖像采集卡，運動控制卡等關鍵零部件全部進口。圖7 LASER-RE系列復合式激光掃描機3. MicroScribe三維數字化儀三維數字化儀(MicroScr

34、ibe)是美國Immersion公司研發生產的抄數設備。用于建立精確細致的三維電腦模型。MicroScribe是由三段碳纖維臂構成，體積小，方便攜帶，臂與臂之間由球形連接器相連，內置高精度位置和方向傳感器，以感知探頭所處位置，是產品設計工程師、機械工程師、動畫制作設計人員、游戲開發人員和科研工作者理想的三維數字化儀。適用于模具設計，鞋樣設計，產品開發，汽車制造，三維動畫，影視制作，陶瓷工業，醫學整形，考古技術，藝術重現，包裝建筑，游戲開發即可應用專業的數字化軟件，也可以使用眾多連接威力手到現有的三維圖形應用的軟件驅動程序。其中的任何一種都可通過點、線、邊形、多義線、NURBS 以及其他標準幾何

35、實體來創立復雜的三維模型。采集的數據可保存為 dxf、IGES、obj、txt、3ds 以及用戶使用軟件所支持輸出的任何格式。4.  LPX-600非接觸式激光掃描儀羅蘭非接觸式激光掃描儀是封閉式工作環境。自帶網面自動重建軟件LPX EZ studio，簡便的使用者接口，與平面掃描儀相同的使用方法，先按預覽，后按掃描，網面便能自動產生自動去除多余的網面、自動合面、自動補洞。LPX-600 實現了更大尺寸，更高品質的三維掃描 (直徑254x406.4毫米)。全新操作概念，突破逆向工程之操作瓶頸，任何操作者都能產生相同的結果。輸出文件格式：STL, 3dm, GSF；輸出時同時儲存羅蘭之

36、PIX格式。最高能支持一次20面掃描，更多的倒勾，內扣也能被掃描出來，自動優化掃描數據之大小，提高模型之被修改能力。是一款真正的自動化掃描設備。EZ Studio 所產生之網面數據，可輸入到逆向工程軟件，如 Pixform Pro，來產生曲面數據使用者亦可透過機器所自帶的Dr.Picza3軟件作一般掃描，再輸入到逆向工程軟件，如Pixform Pro，來產生網面以及曲面數據。5. 3D family激光抄數機這是一款傳統的工業設計所用到的激光抄數機，零級精度200mm厚花崗石平臺作機身,穩定不變形,精度持久保持。單獨控制柜集成設計，全閉環式運動控制,提高抄數機的定位精度，雙CCD取點,消除掃描

37、死角，采用線激光掃描,速度快，四軸CNC全自動掃描。有效行程mm 400*300*300*360°；外形尺寸mm 850*950*1400；掃描測量精度(mm) 0.05/0.01；機臺定位精度(mm) 0.005；文件輸出格式 STL,OBJ,IGES,DXF,VRML。應用于逆向工程設計，復雜曲面抄數，工件三維測量。針對現有三維實物在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓幾何數據，并加以建構、編輯、修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型，再送入通用CAD/CAM軟件系統中，作進一步的處理，從而生成NC加工路徑或RP所需的模型截面輪廓數據，最后繪制出實體模型。6. 北京天遠三維科

38、技OKIO-II三維激光掃描儀OKIO-II如圖8所示，這是天遠推出的高端三維掃描儀，采用進口高精密工業144萬像素CCD傳感器，UHP冷光源，具有以下特點：GREC 全局誤差控制模塊，速度快、精度高，標志點全自動拼接功能，便攜式設計、結構輕巧穩固，型號可調、一機多用。圖8 北京天遠OKIO-II三維掃描儀1.3三維數字化測量設備必備的輔助器件三坐標測量儀器在工作過程中，一般要準備以下的輔助器件：橡皮泥、502膠水、一組塊規、卡尺、內徑千分表、等高塊6塊、磁力表座、精密虎鉗、V型鐵2組、塞尺。2.逆向工程概述2.1逆向工程概念與開展逆向工程Reverse Engineering,RE

39、是一項新的先進制造技術被提出是在上世紀八十年代末至九十年代初。是對產品設計過程的一種描述，在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后通過繪制圖紙建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入到制造流程中，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計過程。逆向工程產品設計可以認為是一個“從有到無的過程。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品設計數據包括設計圖紙或數字模型的過程。從這個意義上說，逆向工程在工業設計中的應用已經很久了。早期的船舶工業中常用的船體放樣設計就

40、是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數字化測量技術的迅猛開展，基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數字化測量設備如坐標測量機、激光測量設備等獲取的物體外表的空間數據，需要利用逆向工程技術建立產品的三維模型，進而利用CAM系統完成產品的制造。因此，逆向工程技術可以認為是將產品樣件轉化為三維模型的相關數字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協同過程。從圖1中我們可以看出，逆向工程的整個實施過程包括了從測量數據采集、處理到常規CAD/CAM系統，最終與產品數據管理系統融合的過程。工程的實施需要人員和技術的高度協同、融合

41、。 逆向工程在CAD/CAM系統中的作用逆向工程技術不是一個孤立的技術，它和測量技術及現有CAD/CAM系統有著千絲萬縷的聯系。但是在實際應用過程中，由于大多數工程技術人員對逆向工程技術不夠了解，將逆向工程技術與現有CAD/CAM技術等同起來，用現有CAD/CAM系統的技術水平要求逆向工程技術，往往造成人們對逆向工程技術的不信任和誤解。從理論角度分析，逆向工程技術能夠按照產品的測量數據重建出與現有CAD/CAM系統完全兼容的三維模型，這是逆向工程技術的最終實現目標。但是我們應該看到，目前人們所掌握的技術，包括工程上的和純理論上的如曲面建模理論，都還無法滿足這種要求。特別是針對目前比擬流行的大規

42、模“點云數據建模，更是遠未到達可以直接在CAD系統中應用的程度。因此我們認為，目前逆向工程CAD技術與現有CAD/CAM系統的關系只能是一種相輔相成的關系。現有CAD/CAM系統經過幾十年的開展，無論從理論還是實際應用上都已經十分成熟，在這種狀況下，現有CAD/CAM系統不會也不可能為了滿足逆向工程建模的特殊要求變更系統底層。另一方面，逆向工程技術中用到的大量建模方法完全可以借鑒現有CAD/CAM系統，不需要另外搭建新平臺。基于這種分析，我們認為逆向工程技術在整個制造體系鏈中處于附屬、輔助建模的地位，逆向工程技術可以利用現有CAD/CAM系統，幫助其實現自身無法完成的工作。有了這種認識，我們就

43、可以明白為什么逆向工程技術包括相應的軟件始終不是市場上的主流，而大多數CAD/CAM系統又均包含逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種情況。逆向工程已經漸漸成為現今產品開發的主流工具，基于以下因素我們深信，逆向工程仍然是往后新產品開發所必備的一項工具。實物或手工模型測量數據采集曲線、曲面構建STL處理RP處理草圖或2D工程圖CAD/CAM結構及模具設計模具與成品模具與成品檢測成品點云數據測量點云數據與CAD資料定位點云數據與CAD資料誤差比照輸出比照結果逆向工程圖1 逆向工程流程圖1產品設計方式的差異以往設計師可能只做 2D 的平面設計，再經由 CAD 軟件將數據轉換成3D；但現今設計師往往會先以

44、手工制作一3D 模型，如此需要逆向工程的工具將此手工模型轉換成 3D 曲面模型，以利后續的工作。2產品設計走向自由曲面造型目前消費者對產品的需求，不單單只考慮功能性，產品的外觀造型也成為消費者考慮的重要因素。但由于設計師所創造出來的外觀造型，假設利用傳統的制造方式有可能無法完全的將設計師的理念完整的表達出來，因此需要運用逆向工程的工具來到達設計師的要求。3正向設計數據取得不易基于商業機密，原廠一般不會把原始 CAD 數據提供應下游廠商，只會提供一個樣品給廠商，如此就需要經由逆向工程的工具將原始 CAD 資料復原出來，因此一家廠商逆向工程的能力無形之中也是獲得訂單的一項利器。4檢驗正向設計結果逆

45、向工程的另一項重要的功能即是對成品的檢測，我們稱之為計算機輔助檢測(Computer Aided Inspection)。一般質量檢測只就成品的局部做檢測，透過逆向工程的工具可對成品做一全面性的質量檢測，大大提升了質量的穩定度。當然逆向工程并非萬能的，由于現今測量設備與逆向工程專用軟件的開展限制，也使得逆向工程在其運用上仍有一定的限制。要克服這些困難那么須與傳統的開發流程做一整合，截長補短必能使產品獲得良好的質量同時也能節省時間與本錢，這才是我們所追求的。逆向工程所面臨的限制，主要是在于測量上與軟件功能上之限制。2.2 “抄數的概念“抄數比擬正規點的名稱是“逆向工程，即以產品的實物或模型為根底

46、，通過逆向設備采集模型的坐標數據并輸入電腦，然后在電腦里重建精確的3D模型。通常數據采集的工作由逆向設備如激光抄數機、坐標測量機等及設備自帶的軟件來完成，這局部工作的精度在很大程度上取決于設備的品質，對操作的要求不是很高；逆向工程的難點在于數據的后處理工作和建模工作，對設計師有比擬高的要求。這局部常用的軟件有Surfacer、Imageware、Pro/ENGINEER等，南方比擬普遍的做法是用Surfacer軟件處理點云數據，獲得線框模型后再通過IGES等格式導入到Pro/E里建模，以充分利用Pro/E在曲面建模方面的優勢，曲面建模的很多根本原理和方法仍完全適用。因此可以這樣認為：逆向工程其

47、實沒有什么特別的，曲面建模能力、正向設計能力強的人，做逆向建模只會覺得更加簡單。因此對于希望從事逆向抄數行業的學員來講，學習曲面建模的根本原理和方法，訓練正向建模的能力是不可缺少的。2.3逆向工程技術的應用逆向工程技術在模具行業中的應用從逆向工程的概念和技術特點可以看出，逆向工程的應用領域主要是飛機、汽車、玩具和家電等模具相關行業。近年來隨著生物、材料技術的開展，逆向工程技術也開始應用在人工生物骨骼等醫學領域。但是其最主要的應用領域還是在模具行業。由于模具制造過程中經常需要反復試沖和修改模具型面。假設測量最終符合要求的模具并反求出其數字化模型，在重復制造該模具時就可運用這一備用數字模型生成加工

48、程序，可以大大提高模具生產效率，降低模具制造本錢。逆向工程技術在我國，特別是以生產各種汽車、玩具配套件的地區、企業有著十分廣闊的應用前景。這些地區、企業經常需要根據客戶提供的樣件制造出模具或直接加工出產品。在這些企業，測量設備和CAD/CAM系統是必不可少的，但是由于逆向工程技術應用不夠完善，嚴重影響了產品的精度以及生產周期。因此，逆向工程技術與CAD/CAM系統的結合對這些企業的應用有重要意義。這一點我們在多年的技術效勞過程中深有體會。一方面各個模具企業非常歡送在企業推廣逆向工程技術，但另一方面又苦于缺乏必要的指導和適宜的軟件產品。這種情況嚴重制約了逆向工程技術在模具行業的推廣。與CAD/C

49、AM系統在我國幾十年的應用時間相比，逆向工程技術為工程技術人員所了解只有十幾年甚至幾年的時間。時間雖短，但逆向工程技術廣泛的應用前景已經為大多數工程技術人員所關注，這對提高我國模具制造行業的整體技術含量，進而提高產品的市場競爭力具有重要的推動作用。2.4逆向工程軟件逆向工程的實施需要逆向工程軟件的支撐。逆向工程軟件的主要作用是接收來自測量設備的產品數據，通過一系列的編輯操作，得到品質優良的曲線或曲面模型，并通過標準數據格式將這些曲線曲面數據輸送到現有CAD/CAM系統中，在這些系統中完成最終的產品造型。由于無法完全滿足用戶對產品造型的需求，因此逆向工程CAD軟件很難與現有主流CAD/CAM系統

50、，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡。很多逆向工程軟件成為這些CAD/CAM系統的第三方軟件。如UG采用ImageWare作為UG系列產品中完成逆向工程造型的軟件，Pro/ENGINEER采用ICEM Surf作為逆向工程模塊的支撐軟件。此外還有一些獨立的逆向工程軟件，如GeoMagic等，這些軟件一般具有多元化的功能。例如，GeoMagic除了處理幾何曲面造型以外，還可以處理以CT、MRI數據為代表的斷層界面數據造型，從而使軟件在醫療成像領域具有相當的競爭力。另外一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產品中的一局部，無論數據模型還是幾何引擎均與系列產品中的其他

51、組件保持一致，這樣做的好處是逆向工程軟件產生的模型可以直接進入CAD或CAM模塊中，實現了數據的無縫集成，這類軟件的代表是DELCAM公司的CopyCAD。下面介紹幾個比擬著名的逆向工程軟件。GeoMagic()美國RainDrop公司的逆向工程軟件，具有豐富的數據處理手段，可以根據測量數據快速構造出多張連續的曲面模型。軟件的應用領域包括了從工業設計到醫療仿真等諸多方面，用戶包括通用汽車、BMW等大制造商。ImageWare()作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數據。根據這些點云數據構造的A級曲面

52、(CLASS )具有良好的品質和曲面連續性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。CopyCAD()CopyCAD是英國DELCAM公司系列CAD產品中的一個，主要處理測量數據的曲面造型。DELCAM的產品涵蓋了從設計到制造、檢測的全過程。包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PSTEAM等諸多軟件產品。作為系列產品的一局部，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成。RapidForm()RapidForm是由韓國INUS公司開發的逆向工程軟

53、件。主要用于處理測量、掃描數據的曲面建模以及基于CT數據的醫療圖像建模，還可以完成藝術品的測量建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具，用戶可以方便的利用以前構造的曲線網格經過縮放處理后應用到新的模型重構過程中。以上介紹的是目前較常見的逆向工程軟件，在國內能夠見到的商品化的逆向工程軟件均是國外的。國內在逆向工程軟件方面雖然也有研究，但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學、浙江大學、南京航空航天大學在這方面的研究比擬深入，這些研究成果也有一些以軟件產品形式出現，由于系統穩定性、可操作性等方面的原因，這些研究性軟件還沒有完全具備與國外商業化軟件競爭的條件

54、。由國內逆向工程領域專業人士參與開發的逆向工程軟件QuickForm 是國內逆向工程軟件中較好的一個。該系統采用先進的幾何引擎，運行穩定性好，具有良好的可操作性。由于開發人員具有豐富的逆向工程實施經驗，因此系統中的功能設置、操作方式符合國內用戶的習慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm的另一個優勢是價格優勢，QuickForm的價格在同類軟件中具有極強的競爭力。同時，使用國產軟件也是對國內制造業和軟件行業的支持。2.5 快速原型Rapid Prototyping面對越來越競爭的產業變動，速度成為競爭力的重要條件之一，快速將產品推出上市似乎是提高產品存活率的不二法門。尤其，目前 3C

55、產業產品周期縮短，每隔一段時間就有新產品問世。因此，如何縮短研發時間、加速制程，便成了各家公司的首要的課題。快速原型Rapid Prototyping便是因應這種情況而產生的制程，藉由快速原型很快的制作出能測試功能的樣品、甚至組裝精度的檢討、確認。快速原型制程不只是速度快，更要有精度上的要求。快速原型的成型原理，與傳統的除料加工，以刀具切削素材除去不需要的材料方式，完全相反，而是將材料經由堆堆棧的方式，來成型工件，所以幾乎沒有形狀的限制。目前成型的方式及材料有許多種，但大致上可依成型的方式來區分液態法半液態法粉末法及固態法等方式。而透過快速原型的應用，又進一步開展了快速模具(Rapid Too

56、ling)。結合這兩種技術產品可快速且大批量的被制造，除了縮短設計確認的時也縮短了制造的時間。下面對四種成型方法進行簡單介紹：(一) 液態法：此方法以液態光聚合樹脂為材料，以雷射光或紫外光照射使樹脂固化。商業化的產品以 3D System 的 Stereo Lithography Apparatus (SLA)為代表。SLA 為最早商業化并且是全世界占有率最大的系統，通常是以 He-Cd 或 Ar+紫外線雷射照射來固化光硬化樹脂，其制程是在液面上成型。液態樹脂經雷射照射成型原理，工作平臺通常是上下升降。(二) 半液態法：工作原理類似擠牙膏的方式，加工方式是以加熱頭熔化線狀之熱塑性材料，再將熱塑性的固體細線材料由加熱頭熔化擠出而一層一層堆積成型直到整個工件完成。(三) 粉末法：此法是以噴頭將膠水噴灑涂布于粉末上，涂布的范圍是依照計算機運算的輪廓。滾輪會將粉末均勻的堆棧一層，讓膠水在粉末與粉末之間充填而黏結成型，一層完成之后再黏結下一層直到工件完成。目前，也有以雷射直接燒結粉末，取代膠水噴頭的方式，但是需要較高功率的雷射，而粉末也需要特殊的材質。(四) 固態法：此成型方式是以雷射或切割刀切割工件外圍輪廓，材質通常為薄片材料，外輪廓切割好之后經熱壓黏結于上一層已切割完成之