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三維掃描技術在制造業中的應用

2006-9-14 0:00:00 來自：廣州精密儀器網

摘要闡述了三維掃描技術的應用范圍，具體分析了三維掃描技術在制造業中的應用，著重闡述了后處理過程，并介紹了曲面造型過程中的幾個關鍵技術并介紹了代表性的產品。

關鍵詞三維掃描反求工程點云數據處理 YDD技術曲面造型

前言

面向21世紀國際化市場競爭的日益激烈和高新技術的迅猛發展，使制造技術在傳統技術的基礎上正在發生質的飛躍，并已成為當代高新技術應用的主要戰場之一。隨著計算機、微電子、信息和自動化技術的迅速發展，并在制造業中得到越來越廣泛的應用，而先后出現了數控、柔性制造單元、柔性制造系統、計算機輔助設計/制造、計算機集成制造系統、制造資源規劃、精益生產、敏捷制造、可重組技術、三維掃描技術、快速原型制造等多項先進制造技術與制造模式。制造業正經歷一場新的技術革命。目前制造技術已發展成為一個蘊涵整個生產過程，跨學科高度復雜的集成技術，三維掃描技術正是其中重要的一項。與此同時，支撐制造技術的研究、開發和應用的制造工程與科學，也逐步形成一門新的學科。

一、三維掃描技術簡介(3D SYDn)

三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。

高速三維掃描及數字化系統在反求工程中發揮著巨大作用，高速三維掃描儀已在我國多家模具廠點得到應用,取得良好效果。該系統提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能,大大縮短了模具的研制制造周期。由于三維掃描系統已在汽車、摩托車、家電等行業得到成功應用,相信以后將發揮更大的作用。

三維掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在YDD、YDM、CIMS等技術應用日益普及的今天很受歡迎。在發達國家的制造業中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設備，因其測量速度快、精度高，非接觸，使用方便等優點而得到越來越多的應用。用三維掃描儀對手板，樣品、模型進行掃描，可以得到其立體尺寸數據，這些數據能直接與YDD/YDM軟件接口，在YDD系統中可以對數據進行調整、修補、再送到加工中心或快速成型設備上制造，可以極大的縮短產品制造周期。

三維掃描設備是以三次元測量系統為主。基本上以接觸式〈探針式〉和非接觸式（激光、照相、X光等式）兩大類。在早期是以探針式為主，雖然價格較便宜，但速度較慢，而且以探針與物體接處會有盲點并且使軟件物體容易變形，影響掃描精度，但以一般除以上缺點，它可以具有很高測量精度，適合做相對尺寸的測量與質量管理；激光掃描速度快、精確度適當，并且可以掃描立體的物品獲得大量點云數據，以利曲面重建，掃描完后在計算機讀出數據，通常這部份稱為反求工程前處理。

得到產品的數據數據后，以反求工程軟件進行點數據處理，經過分門別類、族群區隔、點線面與實體誤差的比對后，再重新建構曲面模型、產生YDD數據，進而可以制作RP Part，以確認機構與幾何外型，或NC加工與模具制造，這些是屬于后處理部份。

三維掃描技術從產生以來，到目前已經發展了很多掃描原理，從三維數據的采集方法上來看，非接觸式的方法由于同時擁有速度和精度的特點，因而在反求工程中應用最為廣泛，激光三角形法又根據光源的不同可以分為點光源和線光源兩種不同的方式，不同的方式的到的數據的組織方法是不一樣的。基于接觸式的連續掃描測量的方法由于具有比較高的精度，也得到了部分應用，但是從速度和價格上的指標就比非接觸式差一些。

目前，有些專門研發三維掃描技術的公司將上述技術中的兩種或幾種結合在一起，形成了獨特的復合式三維掃描儀，這種復合式三維掃描儀有的同時具備測量三維數據的功能又具有測量工件的二維輪廓的功能，巧妙的將不同掃描技術的優點結合到了一起，較好的避免了單一測量掃描方式所帶來的缺點，其應用潛力巨大，也是以后三維掃描技術的發展方向。例如深圳特得維公司研發生產的TDV系列三維掃描儀便是屬于此類型的產品，同時兼備了三維掃描和二維投影的功能。

通常掃描后得到的測量數據是由大量的三維坐標點所組成，根據掃描儀的性質、掃描參數和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等，這些大量的三維數據點稱為點云（Point Cloud）。

二、三維掃描在反求工程中的應用(Reverse Engineering)

進入新世紀以來，世界范圍內的競爭將日趨激烈，尤其是工業領域的競爭更加白熱化，市場對產品設計的要求也發生了根本的變化，多品種，小批量替代了少品種大批量的傳統生產模式，這就導致了要求降低產品、縮短設計和生產周期、提高產品質量。

反求設計方法在與傳統設計方法相結合的同時，還與計算機輔助測量技術、YDD技術等緊密地聯系在一起。反求設計中往往會遇到一些復雜的零部件，一般不能直接建立YDD模型，必須借助于先進的計算機輔助測量技術（三維掃描技術）來獲取零部件的3D數據，并經過計算機處理之后，進行YDD建模，然后在此基礎上進行創新設計。

反求工程作為對已有產品進行數據測量擬合、分析、改進設計，實現新產品開發的一種最佳手段，比從設計概念完成產品的開發的路要捷徑的多，因而有效地支持了新產品響應市場的速度。可以輸出快速原型制作及模具加工的多種數據格式，支持客戶的不同用途。

目前，與這種從實物樣件獲取產品數學模型相關的技術，已發展為YDD/YDM系統中的一個相對獨立的研究領域，即“反求工程”(Reverse Engineering)，或稱反向工程、逆向工程等。

三、三維掃描技術在快速原型中的應用

快速原型（Rapid Prototyping，RP）是80年代中期發展起來的一種嶄新的原型制造技術。其出發點是通過原型實體從實際尺寸來觀察所設計的零件在美學、外觀及基本性能上是否令人滿意。近年來，由快速原型發展到快速制模，再發展到快速制造，給制造業帶來了勃勃生機。而應用三維掃描技術，更能加速這一技術的發展，由于理由比較顯見，這里就不再多敘述。

四、三維掃描技術應用過程中的數據處理技術

（一）掃描生成的點云數據的處理

掃描得到的產品外型數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟：

1．去掉噪音點，常用的檢查方法是將點云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動的光順方法對點云數據進行檢查調整；
2．數據插補，對于一些掃描不到的區域，其數據只能通過數據插補的方法來補齊，這里要考慮兩種曲面造型技術，基于點—--樣條的曲面反求造型和基于點的曲面擬合技術；
3．數據平滑，數據平滑的目的是為了消除噪音點，得到精確的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法處理方法，應力求保持待求參數所能提供的信息不變；
4．數據光順，光順泛指光滑、順眼，但由于精度的要求，不允許對測量的數據點施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點（邊界折拐點）必須予以保留，而不能被視為“壞點”。
5．點云的重定位整合，在重新裝夾后多次掃描形成的數據要進行重定位整合，目前一般的YDD軟件還都沒有此項功能，需要造型人員手工“縫合”，在測量件上選取兩次定位狀態下的基準點，在兩次定位測量的過程中，分別測量兩次定位狀態下的基準點的坐標值，然后以一定的判斷規則判別出各基準點的測量精度，最后在YDD系統中顯示定位下的測量數據，并移動某一定位下的數據，使該定位下的所有測量數據整合到另一定位下。

（二）由點云數據生成曲面的三維造型技術

曲面重建可以說是反求工程的另一個核心及主要的目的，是以所掃描得到的點云數據為輸入數據來重新建構曲面模型。得到產品的數據后，以反求工程軟件進行點數據的處理，經過分門別類、群組分隔、點線面與實體誤差的比對后，再重新建構曲面模型，產生YDD數據、制造或NC加工或RP制作，這部分即為后處理。目前在點云生成曲面的過程中，主要有三種曲面構造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方案；其三是以多面體方式來描述曲面物體。

在反求工程的技術發展中有一重要課題，即是建立產品的YDD 模型，并由此可再進一步的到YDM處理或YDE的分析，而仿制出產品的外型。一般而言，YDD模型是由許多不同的幾何形狀所組合而成，而每一種幾何形狀都有其特性。因此若要將產品應用反求工程的技術，反求出此產品的原YDD 模型，則并非單純的使用一種方法即可完成，而須視此產品外型的幾何特性，選擇適當的處理方法，方可得出良好的幾何形狀，以滿足產品外型的幾何特性。由此可知，在曲面重建的過程中了解其曲面的特性及其曲面的數學模式，在對于我們重新建構曲面時可以幫助我們節省很多的時間以及提高將效率。

由于YDD/YDM系統的發展，各種自由曲線與自由曲面的理論因應而生，如Bezier曲線、B-Spline曲面、NURBS曲線、掃描曲面(Sweep Surface)、Loft曲面(Loft Surface)、標準曲面(Construct Surface) 、旋轉曲面(Revolved Surface) 、網格曲面(Net Surface)等。我們對于一般YDD/YDM系統較常用到的曲線、曲面作以下特點介紹：

1.Bezier 曲線

1962年時法國雷諾(Renault)汽車公司的工程師P.Bezier發展的一種完全用控制點坐標來定義的曲線。

Bezier 曲線有以下的特點：
(1) 控制點多角形(control point polygon)
(2) 凸面被覆(convex hull property)
曲線被包含在自由控制點所構成的多角形內，此性質對于處理曲線相交時相當有用。
(3) 控制點末點與曲線末點重合(end points meet polygon end points)
缺點：
A.Bezier曲線無法做區域性的控制(no loYDl control)。
B.其曲線的次數和控制點的數目直接相關，定義比較復雜的曲線形狀時，曲線的次數也跟著提高。

2.NURBS曲線
相較于Bezier曲線而言，NURBS曲線除了保有Bezier曲線的優點外，由于節點向量與加權數的加入，對曲線有更好的控制性，對于區域性的控制也能藉由改變節點向量與加權數而有更好的結果。

Pi：控制點
N(u )：(P-1)階B-Spline基函數
w：加權數
u：參數值

Ri,p( u ) 為有理基函數(rational basis function)，除了具有和B-從曲面的量測數據中，以最小平方法的觀念，結合參數最佳化等spline基函數相同的性質外，更多了加權值的加入。由于加權值的加入，使得控制點對曲線/曲面的控制產生不同比例的影響力，當加權值修改時會使得曲線遠離或接近控制多角形(control polygon)，使得曲面的控制有更大的空間。

3.B-spline 曲面
B-spline 曲面乃由U、V參數方向二維的基底函數(basis function)及控制點所組成，基底函數是由多階參數曲線組合而成，而控制點則在曲面的U、V參數方向上。在擬合B-spline 曲面時，方法獲得曲面U、V參數方向的控制點坐標值，以建立B-spline曲面。

4.Loft曲面(Loft Surface)
Loft曲面的擬合方式則不同于B-spline曲面，首先將其中一個參數方向的測量點數據擬合出最佳化的B-spline曲線，此時每條曲線的控制點數目必須相同。接著在另一個參數方向上用先前所得的曲線控制點，擬合出該參數方向最佳化的B-spline曲線，并得到另一組新的控制點。由此兩組先后得到的U、V參數方向點，即可建立Loft曲面。因此Loft曲面的擬合方式是由兩組一維的B-spline曲線擬合所組成。

基本上基底函數的階數、節點向量(knot vector)、控制點的數目或控制點坐標值等的改變，都會影響曲面的形狀。因此在擬合曲面時，為了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法時，或提高基底函數的階數，或增加控制點的數目，以調整U、V參數方向的控制點坐標值，最后使得曲面偏差量在容許曲面偏差量的范圍內。此種曲面擬合法對于自由曲面造型或有突點等曲率變化比較大的曲面等，都可以擬合出很好的結果。然而對于平滑或有規則性，對稱性的曲面，這種曲面擬合法會對產品在加工制造及量測上的誤差明顯的顯現出來，以至于無法擬合出具有上述特性的曲面。

5.掃描曲面(Sweep Surface)
sweep界曲線所“掃”出來的曲面基本上是由所定義的曲線經由sweeping規則，沿著邊曲面，sweeping、rotational sweep及sweeping可規則的分為synchronized sweeping、parallel spine sweeping，以最小平方法的等四種。sweep曲面的擬合是從曲面的測量概念，結合參數最佳化等方法，得出最佳的曲線定義，建立曲面。sweep曲面所涵蓋的造型很廣，凡是從簡單的平面到不同截面所組合而成的曲面等，都能用sweep曲面表示。而工業界在產品的設計上，其外形僅是一般形狀簡單的曲線或曲面所組成，因此這些曲面大部分都是能表示成sweep曲面。

（三）曲面的構建

由三維掃描儀所得到的點云數據來建立曲面的方式一般可以分為兩種：一種是以近似的方式、另一種是以插補的方式來將順序的點數據建立成為曲面，以下我們分別就這兩種方法做一介紹：

1.近似法(approximation)
以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個容許誤差值(tolerance)，并在U、V方向建立控制點的起始數目，以最小平方法來擬合出(fit)一個曲面后將量測之點投射到曲面上并分別求出點到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值內以完成曲面的建立，如果量測的數據很密集或是指定的容許誤差很小，則運算的時間會相當的久。以近似法來擬合曲面的優點是擬合的曲線不需要通過每個量測點，因此對于量測時的噪聲將有抑除的作用，綜合以上所述，使用近似法的時機通常是點云數據點多且含噪聲較大的情況下。

2.插補法(interpolation)
以插補的方式來進行曲面的建立，則是將每個截面的點數據，分別插補得到通過這些點的曲線，再利用這些曲線來建立一個曲面。以插補的方式進行曲面數據建立，其優點在于得到曲面一定會通量測之點數據，因此如果數據量大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因為如此，如果量測時點數據含大量的噪聲則在重建曲面時大量的噪聲將被含入而產生相當大的誤差。綜合以上所述，以插補法來重建曲面較佳的使用時機是對于數據量少且所含入噪聲較小的點群數據。

由以上的分析我們可以知道對于少量的點而言，我們可以使用插補法來得到一較近似的曲面，然而對于如激光掃描所得到的大量數據點若以插補法來重建曲面，則有以下的缺點：
( l ) 在掃描時所夾帶的噪聲點與誤差將隨著曲面的建立而被包含在曲面之中。
( 2 ) 插補法的控制點數據并不會隨著曲面的建立而大量的減少。

因此對于掃描點數據而言，由于點數據量大以近似法來重建曲面將會較插補法節省控制點的儲存空間，而且對于掃描時所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會耗費大量的計算機內存及較多時間在曲面的計算上，因此我們在建立曲面的過程中應配合所量測得的數據點數目及精度來決定曲面重建所使用的方法。

五、典型的后處理軟件介紹

目前市面上常用的反求工程軟件系統采用的基本都是NURBS曲面，從它們的功能或操作方法來看，其共同特點是先構造曲線，或者是利用曲線直接構造曲面，或者是通過曲線界定曲面擬合區域，先生成曲面片，然后通過拼接構成完整的曲面模型。其優點是NURBS曲面的應用在YDD/YDM領域內相當廣泛，因而，這些系統與其它YDD/YDM系統的通信、交流就十分方便。特征曲線的構造在其中起著重要的作用。然而，通過交互定義特征線費事費力，而自動提取的方法在目前仍相當有限。

Imageware是著名的反求工程軟件，廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領域。Surfacer是Imageware的主要產品，主要用來做反求工程，它處理點云數據的流程遵循點----曲線----曲面原則，獲得class 1曲面，整個流程簡單清晰，軟件易于使用。流程如下：

(一) 點云處理過程
1．讀入點云數據,將分離的點云對齊在一起（如果有需要）。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點云。Surfacer可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點云對齊。

2．對點云進行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具及測量方式的限制，有時會出現一些噪音點，Surfacer有很多工具來對點云進行判斷，去掉噪音點，以保證結果的準確性。

3．通過可視化點云觀察和判斷，規劃如何創建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據特性判斷用用什么方式來構成，例如，如果曲面可以直接由點的網格生成，就可以考慮直接采用這一片點云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規劃可以避免以后走彎路。

4．根據需要創建點的網格或點的分段。Surfacer能提供很多種生成點的網格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。

(二) 曲線創建過程

1．判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確通過點云的、也可以是很光順的（捕捉點云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。

2．創建曲線。根據需要創建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線。控制點增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。

3．診斷和修改曲線。可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變曲線與其他曲線的連續性（連接、相切、曲率連續）。Surfacer提供很多工具來調整和修改曲線。

（三）曲面創建過程

1．決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面（例如class 1曲面），或兩者兼顧。根據產品設計需要來決定。

2．創建曲面。創建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面（Fit free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結合點云和曲線的信息來創建曲面。還可以通過其他例如園角、過橋面等生成曲面。

3．診斷和修改曲面。比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構等處理。

（四）Surfacer軟件新版本的新增工具：

1．彈性的曲面創建工具：可以在一個彈性的設計環境里非常方便的直接從曲線、曲面、或測量數據創建曲面，支持貝茨爾（Bezier）和非均勻有理B樣條（NURBS）曲面兩種方法。用戶可以選擇適合的曲面方法，通過結合兩種方法的優點來獲益。
2．動態的曲面修改工具：允許用戶在交互的方式下試探設計主題，立刻就可以看到是否美觀和思路是否符合工程觀念。設計、工程分析、制造的標準都通過精心的構造過程考慮進去，所以當每次修改曲面時不需要在重新校核標準。
3．實時的曲面診斷工具：可以提供諸如任意截面的連續性、曲面反射線情況、高亮度線、光譜圖、曲率云圖和園柱型光源照射下的反光圖等多種方法。在設計的任何時候都可以查出曲面缺陷。
4．有效的曲面連續性管理工具：在復雜的曲面縫補等情況下，即使曲面進行了移動修改等操作，也能保證曲面同與之相連的曲面間的曲率連續，避免了乏味的手工再調整過程。
5．強大的處理掃描數據能力：根據Rainbow圖法（相當于假設雨水從上面落下，由于形狀差異導致雨水流速差異）、曲率大小變化云圖法（對于一個完全光順的class 1曲面，相當于曲率大小變化為零，對于兩個不同曲面，此值會不同）將掃描數據分開，這樣可以很快地捕捉產品的主要特征，并迅速建立各個相應曲面，避免了費事的分析和處理。

六、典型的三維掃描系統介紹

三坐標測量機所配備的量測探頭以往均以接觸式觸發探頭為主。經過二十多年來的使用經驗，工業界發覺此類探頭的適用性有其極限。對一般由基本幾何形狀（如平面、圓筒、圓弧）所組成的規則形狀工件而言，較適合由此類探頭來量測。然而對于曲面工件的尺寸量測，此類探頭的限制問題，也一直為人所提出及探討的。自從激光掃描儀的陸續問世，解決了不少觸發式探頭的限制問題，曲面工件的量測在速度上也大為提升。隨著技術的發展，有的廠家將原來分開的掃描技術集成到一起，形成了獨特的復合式三維掃描技術，極大的提升了非接觸式三維儀的掃描性能。反向工程則以非接觸式較佳，雖精度不像接觸式高，但其快速獲取物體表面大量點數據，以利曲面重建。此外，理論上，使用非接觸式掃描頭，可以無需后段數據處理而進行以掃描數據直接作成NC刀路，直接加工，而接觸式感測頭須克服刀具半徑補償問題，故一定需要后續數據處理。非接觸式掃描法的發展原因可由兩項觀點來說明：
（1）去除接觸式掃描的不良效果
（2）提高掃描速度。

目前專業研發生產復合式三維掃描系統的公司以深圳市特得維技術有限公司為代表，其研發生產TDV系列三維掃描系統具有如下性能特點：

（一）硬件方面的特點

1．掃描速度極快，高速掃描可以達到10000點/秒；
2．掃描精度高，可以達到0.05mm；
3．激光掃描頭具有自動對焦功能，并且可以在控制軟件中調節激光功率；
4．復合式掃描方式，同時具有三維掃描和二次元投影的功能；
5．自動進行系統精度校正；
6．自動設定掃描路徑；
7．旋轉掃描減少死角；
8．自動分層掃描；
9．雙鏡頭自動判斷最佳讀入數據；
10．不受材質影響，遇到黑色工件也不需要噴涂白色霧劑；
11．整個系統閉環控制；

（二） TriVIEW™軟件的特點

1．掃描儀控制功能；
2．點資料的任意顯示功能；
3．幾何特征能夠進行自動識別功能；
4．噪音點去除功能；
5．輸入/輸出TRV，ASCII，DXF，IGES，TXT格式文件的功能；
6．點云數據修補功能；
7．特征提取功能；

六、結束語

本文闡述了三維掃描技術的應用范圍，具體分析了三維掃描技術在制造業中的應用，著重闡述了后處理過程，并介紹了曲面造型過程中的幾個關鍵技術。隨著研究開發的進一步發展，各種新的技術將不斷出現，并被應用到商用系統中，現有的三維掃描技術將不斷被完善以滿足制造業生產的需要。

參考文獻：
1．《Hybrid 3D SYDnning and Modeling System Function SpecifiYDtions》 Dr. Z.Gan
2．《反求工程技術》劉之生黃純穎主編機械工業出版社
3．《逆向工程技術在模具制造中的應用》上海交大模具技術研究所王京美王德斌刑淵
4．《逆向工程中三坐標測量數據的研究與系統開發》浙大化機所季勁松

　

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