反求工程

常用的扫描机有传统有： 常用的扫描机有传统有：
坐标测量机(Coordinate Measurement Machine， 坐标测量机 ， 简称(MM) 简称 激光扫描机(Iaser Scanner) 激光扫描机 零件断层扫描机(Croos Section Scanner) 零件断层扫描机 CT(Computer Tomography，计算机 线断层照相术 线断层照相术) ，计算机X线断层照相术 MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像 ，磁共振成像)
1、点光源测量法 、 点光源测头一次测量一个点， 点光源测头一次测量一个点，计算机控制测投在给定区域 内进行扫描运动，对于较大的物体可以分区进行扫描。 内进行扫描运动，对于较大的物体可以分区进行扫描。 工作原理如图3-8所示。 工作原理如图 所示。 所示 如测点相对于参考平面的高 度为h,则两者在光敏元件上 度为 则两者在光敏元件上 成像的位移为： 成像的位移为：
第三章
反求工程
3.1 概述
一、反求工程的意义 反求工程（ Engingeering，RE）：也称为逆向工程、 反求工程（Reverse Engingeering，RE）：也称为逆向工程、反向工
程等，是对存在的实物模型进行测量，并根据测得的数据重构出数字模型， 程等，是对存在的实物模型进行测量，并根据测得的数据重构出数字模型， 进而进行分析、修改、检验、输出图纸，然后制造出产品的过程。 进而进行分析、修改、检验、输出图纸，然后制造出产品的过程。
结构光法：是目前测量速度和精度最高的扫描测量系统。 结构光法：是目前测量速度和精度最高的扫描测量系统。
光 栅 投 影 测 量 头
光栅投影及被测物体的空间条纹图像
1．激光扫描机 ． 所示为美匡DIGIBOTICS公司生产的小型 轴DIGIBOT 公司生产的小型4轴 图2．4所示为美匡 ． 所示为美匡 公司生产的小型 激光扫描机。 Ⅱ激光扫描机。
二、结构光法 结构光法： 结构光法：是基于相位偏移测 量原理的莫尔条纹法。 量原理的莫尔条纹法。 该种方法将光栅条纹投射到 被测物体表面，光栅条纹受被 被测物体表面， 测物体表面形状的调制， 测物体表面形状的调制，其条 纹间的相位关系会发生变化， 纹间的相位关系会发生变化， 用数字图像处理的方法解析出 光栅条纹图像的相位变化量来 获取被测物体表面的三维信息。 获取被测物体表面的三维信息。
二、点云数据的预处理 取样及点云的修整， 取样及点云的修整，是反求工程重要步骤
1、点云数据中噪音点的剔除 、 噪音点的剔除指令： 噪音点的剔除指令：Poind Extranct Point Circle-Select Poind。或见图 所示方式操作。 。或见图3-14所示方式操作。 所示方式操作
非接触式测量
非接触式测量技术：利用光、 非接触式测量技术：利用光、声、电磁等与物体表面发生作 用的物理现象来获得物体的三维坐标信息。 用的物理现象来获得物体的三维坐标信息。 非接触式测量方法主要有：激光三角法、结构光法、 非接触式测量方法主要有：激光三角法、结构光法、工业 CT测量法、核磁共振 测量法、 测量法、 测量法 核磁共振MRI测量法、超声波法和层析法等。 测量法 超声波法和层析法等。 其中反求工程最常用的是激光三角法、结构光法等。 其中反求工程最常用的是激光三角法、结构光法等。 激光三角法 一、激光三角法 激光三角法原理：根据光学三角形测量原理， 激光三角法原理：根据光学三角形测量原理，以激光为光 将激光束投射到被测物体表面， 源，将激光束投射到被测物体表面，用光电敏感元件在另 一位置接受光的反射能量。 一位置接受光的反射能量。利用激光束和光敏元件之间的 位置和角度关系来计算被测物体表面点的坐标数据。 位置和角度关系来计算被测物体表面点的坐标数据。
bh sinθ e= h sin( +β a sinβ θ )
式中， 分别为透镜前后 式中，a,b分别为透镜前后 焦距。 焦距。
2、线光源测量法 、 线光源测头一次测量一条线， 线光源测头一次测量一条线，计算机控制测头在给定区域内 进行扫描运动，对于较大的物体可以分区进行扫描， 进行扫描运动，对于较大的物体可以分区进行扫描，为了不 遗漏边缘的数据，各区域间衔接处有一定量的重叠。 遗漏边缘的数据，各区域间衔接处有一定量的重叠。 工作原理如图3-9（ 和 ）所示。 工作原理如图 （a和b）所示。
产品的传统设计过 程：是根据功能和用
途来设计，从概念出发， 途来设计，从概念出发， 绘制出产品的二维图纸， 绘制出产品的二维图纸， 后制成三维几何模型， 后制成三维几何模型， 经检查满意后， 经检查满意后，制造出 产品来， 产品来，采用的是从抽 象到具体的思维方法。 象到具体的思维方法。
反求工程的意义：产品的设计是从零件（或模型）到图纸， 反求工程的意义：产品的设计是从零件（或模型）到图纸，再 经过制造过程到零件。 经过制造过程到零件。
填充零件中的空隙， ① 填充零件中的空隙，以便在后续切削加工时各层轮廓 有良好的支撑，以免弯曲或断裂； 有良好的支撑，以免弯曲或断裂； 为后续光学扫描工序提高对比度， ② 为后续光学扫描工序提高对比度，以便得到更清晰的轮 廓信息。 廓信息。 (2)逐层切削 逐层切削 将上述测试块固定在断层扫描机的工作台上， 将上述测试块固定在断层扫描机的工作台上，用扫描机上 的铣刀自上而下对测试块进行逐层切削(每层的厚度为 的铣刀自上而下对测试块进行逐层切削 每层的厚度为 0.025～0.25mm)。 ～ 。 (3)逐层扫描 逐层扫描 每切削一层， 每切削一层，用扫描机上的光学系统对测试块的上表面扫 描一次，从而逐步采集待测零件每层的轮廓信息。 描一次，从而逐步采集待测零件每层的轮廓信息。 (4)构造三维模型 构造三维模型 用软件处理各层的轮廓信息、拼合成零件的整体信息， 用软件处理各层的轮廓信息、拼合成零件的整体信息，最 终得到零件的三维模型。这种模型能为典型的CAD系统所接 终得到零件的三维模型。这种模型能为典型的 系统所接 受。
数据处理和产品建模
“点云”的概念：反求工程中测量得到物体表面点，这些数 点云”的概念：反求工程中测量得到物体表面点， 点云 据点被形象的称为“点云” 据点被形象的称为“点云”。 产品建模就是在“点云”的基础上建立的， 产品建模就是在“点云”的基础上建立的，应用计算机辅助 几何设计，构造零件的CAD模型。 模型。 几何设计，构造零件的 模型 常用的方法是曲面拟合，一般采用： 常用的方法是曲面拟合，一般采用：插值和逼近两种方法 按点云的组织方式、建模产生的过程不同，建模的方法有： 按点云的组织方式、建模产生的过程不同，建模的方法有： 1、基于特征建模方法 2、基于切片数据的建模方法 3、基于可变形模型的建模方法 4、整体自动建模方法 常用反求及CAD软件有： 软件有： 常用反求及 软件有 Surfacer,Geomagic, Re-Sofe,CopyCAD, Pro/E2001及UG等 及 等
它采用激光线扫描，激光线宽高达 它采用激光线扫描，激光线宽高达45mm，扫描点密度高 ， 达572点/条，因此扫描速度可达每秒 点 条 因此扫描速度可达每秒150000点，测量精 点 度可达： 度可达：±0.01～ ± 0.05mm。 ～ 。
2. 零件断层扫描机 零件断层扫描机(图 零件断层扫描机 图2.7)采用逐层切削与逐层光扫描相结 采用逐层切削与逐层光扫描相结 合的方法，能采集物体的表面 内部结构的几何信息 表面和 结构的几何信息。 合的方法，能采集物体的表面和内部结构的几何信息。 其工作过程如下： 其工作过程如下： (1)预处理 预处理 先将待测零件放置在一容器中， 先将待测零件放置在一容器中，注入一种持殊的粘结材料 (如专门配置的环氧树脂 ，构成测试块。它的作用是： 如专门配置的环氧树脂)， 如专门配置的环氧树脂 构成测试块。它的作用是：
2、点云数据的采样 、 点与点距离的采用 点云数据的采样 距离公差采用
3、点云数据的特征线提取 、 提取特征线的方式： 提取特征线的方式：是先用平面切割点云然后根据点云与切 割平面的交点生成特征线。 割平面的交点生成特征线。
三、CT扫描及其数据的转化 扫描及其数据的转化 CT扫描已广泛地用于医疗诊断、假体设计、工业检测 扫描已广泛地用于医疗诊断、假体设计、 扫描已广泛地用于医疗诊断 和三维数字化。 和三维数字化。 目前比较先进的一种CT 扫描是螺旋式 扫描是螺旋式CT 扫描，其原理如图 扫描， 目前比较先进的一种 2.9所示。 所示。 所示 用这种扫描机对实体(如人体 扫描时 用这种扫描机对实体 如人体)扫描时，实体在一个门架中 如人体 扫描时， 连续地向前缓慢移动(速度为 速度为1～ 连续地向前缓慢移动 速度为 ～10mm/s)，装于门架上的 ，装于门架上的X 射线管和检测系统围绕实体连续转动并采集数据。 射线管和检测系统围绕实体连续转动并采集数据。
反求工程有两种工艺路线：参见图 反求工程有两种工艺路线：参见图3-2
二、反求工程的测量方法 反求工程的测量方法：分为接触式测量 非接触式测量两种 接触式测量和 两种。 反求工程的测量方法：分为接触式测量和非接触式测量两种。 触发式 接触式测量 连续式 主要产品是三坐标测量机和关节式 坐标测量机
激光三角测量法 激光三角测量法 激光测距法 激光干涉法 光学式 结构光法 光干涉法 机器视觉法 非接触式测量 图像分析法 CT测量法 测量法 MRI测量法 测量法 非光学式 超声波法 破坏性测量的层析法
3.2 接触式测量
三座标测量机（ 三座标测量机（Coordingate Measuing Maching,CMM）， ）， 接触式测量的主要设备 该机由主机、测头、 主要设备， 是接触式测量的主要设备，该机由主机、测头、电器系统三大 部分组成。 部分组成。 测量原理是：被测零件置于三座标测量机的工作台测量空间中， 测量原理是：被测零件置于三座标测量机的工作台测量空间中， 计算机控制测头点触各预设测点， 计算机控制测头点触各预设测点，计算机记录下被测点的坐标 位置，根据这些点的空间坐标值，可计算出被测零件的几何尺 位置，根据这些点的空间坐标值， 形状和位置。 寸、形状和位置。
医疗用CT扫描 医疗用 扫描 CT扫描有 扫描有 工业用CT扫描 工业用 扫描 当扫描对象具有低材料密度(如人体器官、塑料或铝零件 当扫描对象具有低材料密度 如人体器官、塑料或铝零件) 如人体器官 适合用医疗CT扫描 时，适合用医疗 扫描 当扫描对象具有高材料密度（如钢铁零件）时，适合用工 当扫描对象具有高材料密度（如钢铁零件） 扫描。 业CT扫描。 扫描 扫描所得结果是一系列的CT 图像。为了获得高品质的 图像。 扫描所得结果是一系列的 CT图像，必须很好地控制图像的分辨率、扫描距离、对 图像， 图像 必须很好地控制图像的分辨率、扫描距离、 比度和噪声。 比度和噪声。
这两种运动之间的相互配合关系是； 射线管和检测系统每转 这两种运动之间的相互配合关系是；X射线管和检测系统每转 动360°，实体向前移动一个切片层厚 ～ 2mm)。 ° 实体向前移动一个切片层厚(1 。
扫描所得物理对象的数据构造CAD表面模型的主要步骤 由CT扫描所得物理对象的数据构造 扫描所得物理对象的数据构造 表面模型的主要步骤
上述扫描机的测量精度为± 上述扫描机的测量精度为±0.05mm，各直线运动坐标轴的分辨率为 ， 0.005mm，旋转测量台的分辨率为 ，旋转测量台的分辨率为0.004°，被扫描物体的最大尺寸为： ° 被扫描物体的最大尺寸为： Φ457m m×457mm ×
百度文库
所示为英国3D Scanners 图2.5所示为英国 所示为英国 公司生产的Reversa扫描头的原理 图， 公司生产的 扫描头的原理 这种扫描头可安装在CNC加工机或 加工机或CMM 这种扫描头可安装在 加工机或 测量机上，构成激光扫描机。 测量机上，构成激光扫描机。