《产品逆向工程技术》教案 共 页 第 页
授课教师: 教研室： 备课日期： 年 月 日
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课 题：教 学 准 备：教学目的与要求：授 课 方 式：教学难点与重点：教 学 过 程：
项目二 三维数据扫描
任务一 了解三维数据扫描
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掌握数据扫描方式的分类、原理和特点。
讲授（90＇
） 难点：各扫描方式的原理。
重点：接触式、非接触式的特点。
上节课回顾→讲授课题→课堂小结
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上节课回顾：
讲授课题：
项目二 三维数据扫描 任务一 了解三维数据扫描
高效、高精度地实现样件表面的数据扫描，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，直接影响到最终模型的质量。
数据扫描，即产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。
一、数据采集方法的分类
近十年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面几何数据的数字化获取方法。不同的测量方法，其原理也各不相同。
根据测量探头是否接触物体表面，数据的采集方法可以分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类。
接触式分为基于力--变形原理的触发式和连续式两种；非接触式按其原理不同，分为光学式和非光学式，其中光学式包括三角形法、结构光法、激光干涉法、计算机视觉法。非光学式分为CT测量法、MRI测量法、超声波、层切法。
二、接触式数据扫描
接触式三维数据测量设备，是利用测量探头与被测量物体的接触，触发一个记录信息，并通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而获得三维数据信息。在接触式测量设备中，三坐标测量机是应用最为广泛的一种测量设备，分为两种结构框架式和关节式。 2.1 三坐标测量机的工作原理
三坐标测量机是一种高效率的、具有很强柔性的大型精密三坐标测量设备。
原理是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间中，测得被测物体上各测点的坐标位置，再根据这些点的空间坐标值，经过数算求出其尺寸和形位误差。广泛应用于对各类零件的自动检测和测量。
大型三坐标测量机主要用来检测如飞机机翼、机身、汽车外壳以及航天器上的大型零部件。大型测量机的X方向的测量范围一般在2000mm以上。一般来说，大型测量机都配有较大容量的计算机，不但能进行数控测量，而且能自动对零件轮廓进行表面连续扫描。
中型三坐标测量机是机械制造工业中用的最广泛的一种，适用于汽车、航空、机床、工具制造等领域。中型测量机的测量范围是指X坐标在500～1200mm范围内。中型测量机的品种规格相当多。
小型三坐标测量机主要用于电子工业、机器制造工业中的小型零部件的检测。小型测量机的测量范围一般是X轴方向小于500mm。一般来说，小型测量机的精度都较高。
现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制。
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2.2 接触式测量的特点
（1）接触式测量的优点
1)精度高。由于该种测量方式已经有几十年的发展历史，技术已经相对成熟，机械结构稳定，因此测量数据准确。
2) 接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大，并且触发时死角较小，对光强没有要求。
3) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等，还可直接对一些尺寸和角度及几何公差进行评价。
（2）接触式测量的缺点 1)测量速度较慢。由于采用逐点测量，对于大型零件的测量时间较长。 2)测头与被测物体接触会有摩擦，需要定期校准测头。
3）测量时需要有夹具和定位基准，有些特殊零件需要专门设计夹具固定。
4)需要对测头进行补偿。由于测量时得到的不是接触点的坐标值而是测头球心的坐标值，因此需要通过软件进行补偿，会有一定的误差。
5)在测量一些橡胶制品、油泥模型之类的产品时，测力会使被测物体表面发生变形从而产生误差，另外对被测物体本身也有损害。
6)测头触发的延迟及惯性，会给测量带来误差。
三、非接触式光学扫描
非接触扫描方法由于其高效性和广泛的适应性，并且克服了接触武测量的一些缺点，在逆向工程领域应用和研究日益广泛。非接触式扫描设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如光、声和电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中，以应用光学原理发展起来的测量方法应用最为广泛，如激光三角法、结构光法等，，由于其测量迅速，并且不与被测物体接触，因而具有能测量柔软质地物体等优点，越来越受到人们的重视。 3.1 激光三角法
三维数字化激光扫描系统是一种高性能的三维扫描设备，结合了计算机视觉技术、以及微软视窗操作系统。激光三角法根据光学三角测距原理，利用光源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。激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，就可计算出被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得。 3.2 结构光法
是基于相位偏移测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，光栅条纹受被测物体表面形状的调制，其条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。
这种扫描仪具有测量速度快、精度高、测量范围大、携带方便等优点，缺点就是价格十分昂贵。 3.3 非接触式扫描的优缺点
与接触式测量相比，非接触式测量主要有以下优点 (1)非接触式扫描的优点
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1）不需要进行测头半径补偿。
2) 测量速度快，不需要逐点测量，测量面积大，数据较为完整。 3) 可以直接测量材质较软以及不适合直接接触测量的物体，如橡胶、纸制品、工艺品、文物等。
（2）非接触式扫描的缺点
1) 大多数非接触式光学测头都是靠被测物体表面对光的反射接收数据的，因此对被测物体表面的反光程度、颜色等有较高要求，被测物体表面的明暗程度会影响测量的精度。
2) 测量精度一般，特别是相对于接触式测头测量数据而言。
3) 对于一些细节位置，如边界、缝隙、曲率变化较大的曲面容易丢失数据。
4) 陡峭面不易测量，激光无法照射到的地方无法测量。 5) 易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。
四、非接触式的非光学扫描
前面讲的接触式数据扫描和非接触式的光学扫描均是测量外轮廓表面的数据，对于样件的内部情况为力。在实际过程中，有的时候我们需要知道样件内部的情况，比如模具样品的内部有没有气孔、裂纹等缺陷，或者是零件内部的腔体结构的情况。因此，采集断层数据在实物外形的测量中呈增长趋势。
断层数据的采集方法分为非破坏性测量和破坏性测量两种。非破坏性测量主要有CT测量法、MRI测量法、超声波测量法等，破坏性测量法主要有铣削层去扫描法。 4.1 CT测量法
CT测量是对被测物体进行断层截面扫描，是利用不同物体对Ｘ射线吸收系数不同的特点，采用数学方法经过计算机处理重建物体断层图像。该方法最早应用于医学领域，目前开始用于工业领域，形成工业CT (ICT)。它可用于工业产品的无损检测和探伤，能对物体内部结构进行测量。但针对中空物体的三维无损测量，存在空间分辨率较低，获得数据需要较长的积分时间，重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点，因此用它实现被测物体CAD模型的精确重构还存在着很大的距离。
4.2 MRI测量法
核磁共振断层成像法（MRI）是20世纪70年代末发展起来的一种新式医疗诊断影像技术，其理论基础是核物理学的核磁共振理论：用特定频率的射频脉冲进行激发，作为小磁体的原子核吸收一定的能量而共振，即发生了共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的原子核就把所吸收的能量逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，这一恢复过程的时间对于不同的物体是有差别的，这种差别便是MRI的成像基础。检测到这些信号后，通过计算机的处理就能显示出图像。
这种技术具有深入物体内部而不破坏被测物体的优点，对生物体也无损害，在医学领域具有广泛的应用前景。不足之处是只停留在对生物组织的断层测量上，目前非生物材料的工业产品不适应，空间分辨率不及ＣＴ，且测量时间长，设备昂贵。
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4.3 超声波测量法
超声波测量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边界表面会发生回波反射，不同的介质有它特定的声阻抗和衰减特性。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。利用这些特征便可对物体进行断层数字化测量。
相对CT和MRI而言，该方法设备简单，成本较低，但测量速度较慢，且测量精度不稳定。目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。 4.4 层去扫描法
为了获取物体的三维轮廓信息，包括内部形腔信息，近年来提出了一种逐层去除材料、逐层获取截面图像的逆向测量技术，即层去图像法测量技术。其原理是：将待测量的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法（每一层的厚度很小约为0.1mm），获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。
这种技术可对具有孔及内腔的工件进行测量，具有测量精度高、数据完整、可自动测量等特点。但这种测量技术是一种破坏性的测量技术。
五、各种数据扫描方法的比较
从表中可以看出，各种数据扫描方法都有一定的局限性。对于逆向工程而言，数据扫描应满足以下要求：
1)扫描精度应满足实际的需要。
2)扫描速度快，尽量减少测量在整个逆向过程中所占用的时间。 3)数据扫描要完整，以减少数模重构时由于数据缺失带来的误差。 4)数据扫描过程中不能破坏原型。 5)降低数据扫描成本。 在数据扫描的时候，应根据扫描件的实际情况，选择合适的测量方式，或者同时采用不同的测量方法进行互补，以得到精度高并且完整的扫描数据。一般对自由曲面形状物体的数据扫描一般用非接触光学测量的方法，对规则形状物体的数据扫描一般用接触式测量 。
课堂总结：
1.数据采集方法的分类
2.接触式扫描：原理、特点
3.非接触式光学扫描：原理和特点 4.非接触式非光学扫描：原理
