【文章內容簡介】 為一種快速、便攜、高精度的三維測量技術，在汽車、航空、模具、醫(yī)療及康復工程、家用電器、工業(yè)設計、工藝品制作以及兒童玩具等領域均得到了廣泛的應用并得到了用戶的一致認可，已成為一種成熟的三維數(shù)據(jù)獲取和質量評價與控制的手段。目前，本課題組已對數(shù)十種被測實體（包括大型飛機機翼、直升機螺旋槳、航空發(fā)動機機匣等）進行了現(xiàn)場測量，并且圓滿完成了測量任務，達到了項目預期的要求。傳統(tǒng)模具設計的思路與方法是首先利用CAD軟件繪制模具三維數(shù)學模型，然后根據(jù)此模型進行工藝規(guī)程安排與數(shù)控加工程序編制，最后在數(shù)控設備上進行機械加工。然而對于表面復雜且自由曲面多的模具，最后的加工質量檢測是很大的難題。過去常采用樣板對模具進行檢測，這樣會帶來一系列固有問題，如不同模具需要不同的樣板，樣板的加工與存放不僅使成本增加而且使模具制造周期大大延長。另外，即使采用樣板進行模具檢測，人為因素對檢測結果影響也很大，造成檢測一致性差。結構光三維測量技術的出現(xiàn)有效地解決了上述問題。如圖1所示的某型直升飛機螺旋槳模具，首先通過現(xiàn)場測量獲取被測模具的三維點云數(shù)據(jù)，然后將得到的數(shù)據(jù)與原始三維CAD模型進行比較，即所謂的質量評價。具體過程是將點云數(shù)據(jù)進行旋轉與平移，使其與CAD模型重合，然后根據(jù)點云數(shù)據(jù)與CAD模型間的距離來分析加工誤差，不同的誤差區(qū)間用不同的顏色來表示，可以非常直觀地反映出模具加工精度整體分布情況，如果需要還可以得到任意一點的誤差情況，為下一步的修整或其他決策提供原始依據(jù)。在很多情況下，不僅需要得到被測實體的點云數(shù)據(jù)，而且還需要得到被測實體的三維實體數(shù)學模型，以便對其進行數(shù)控加工、快速原型制造或模具鑄造等。這就需要對點云數(shù)據(jù)進行進一步處理，即三維數(shù)學模型重建。這個過程可以通過CAD軟件或逆向軟件來完成，目前對于飛機機翼模具及機身等大尺寸的三維測量，也主要使用這一測量方法。4 產(chǎn)品的三維表面數(shù)字化這里的產(chǎn)品的三維表面數(shù)字化就是利用激光掃描儀對男式摩托車前燈罩的外表面進行掃描，得到其外表面的三維點云。 掃描設備在進行逆向工程時，三維掃描是最基本的一步。它是獲得原始點云數(shù)據(jù)的最直接的方法，也是最理想的方法。原始點云數(shù)據(jù)是后面進行逆向處理的根本依據(jù)，因此三維掃描得到點云數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。掃描設備根據(jù)其測量方式可分兩類：接觸式測量：根據(jù)測頭的不同?？煞譃橛|發(fā)式和連續(xù)式。應用最為廣泛的三坐標測量機是20世紀60年代發(fā)展起來的新型高效精密測量儀器，是有很強柔性的大型測量設備。非接觸式測量：根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結構光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MRI 測量法、超聲波法和層析法等。從三維數(shù)據(jù)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，因而在逆向工程中應用最為廣泛。這次的男式摩托車前燈罩測量也是用非接觸式測量的三維光學測量儀 。圖41 關節(jié)臂激光掃描儀 點云處理軟件Imageware 作為UGNX 中提供的逆向工程造型軟件。具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構造的A級曲面（CLASSA）具有良好的品質和曲面連續(xù)性。Imageware 的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。自由形狀產(chǎn)品設計、快速曲面、高質量曲面、逆向工程、計算機輔助校驗、多邊形建模、快速原型等，使客戶能夠在很短的時間內精確地設計建立和全面檢驗高質量的自由形狀產(chǎn)品。，這樣對之后的三維建模有更好的幫助。 點云處理過程，在點擊【文件】/【打開】導入用關節(jié)臂激光掃描儀掃描出的產(chǎn)品外表面點云，如（圖42）所示。把鼠標放在點云上右鍵點擊點云，出點選框，選擇【圈選點】（圖43）出現(xiàn)圈選點對話框，如（圖44）所示，用線把無用的點云框選去除，如（圖45）所示，得到需要的有用點云，如（圖46）所示。 圖42產(chǎn)品點云 圖43選框 圖44圈選點圖框 圖45框選點圖46需要的有用點云(1)點擊【創(chuàng)建】/【平面】/【中心法向】，以Z軸為軸線創(chuàng)建平面，如（圖47）所示，選擇【創(chuàng)建】里面的三點平面在產(chǎn)品點云的下邊面點出三個點，確定一個平面，如（圖48）所示。點擊【編輯】/【創(chuàng)建組】選擇剛才創(chuàng)建的三點平面和產(chǎn)品的點云創(chuàng)建一個組，如（圖49）所示，然后點擊【修改】/【定位】/【基于特征定位】選擇剛才創(chuàng)建的兩個平面把點云定位好，如（圖410）所示。 圖47法相平面 圖48三點平面 圖49 創(chuàng)建的組 圖410定位后的點云 (2)再在產(chǎn)品點云的上部分，選擇【交換模式點云界面】，如（圖411）所示，畫一條直線截出點云的一個界面點云，如（圖412）所示，再在這個截出的選擇三個點確定一個平面，如（圖413）所示，然后又是把這次創(chuàng)建的平面和產(chǎn)品的點云創(chuàng)建一個組，再和法向平面定位得到新的定位點云，如（圖414）所示。 圖411交換模式點云界面 圖412畫線截取 圖413新創(chuàng)建的三點平面 圖414新定位的點云(3)在截出的平面點云上的圓角處畫出兩個三點圓，圓心連線，標出中點，如（圖415）所示。以中點為起點畫一條方向和Z軸平行的直線，如（圖416；圖417）所示。然后再做兩條以原點為起點，各自平行于Z軸和Y軸的直線作為定位點云的基準，如（圖418）所示。然后把產(chǎn)品點云和之前用界面畫出的直線創(chuàng)建組，點擊【修改】/【定位】/【基于特征定位】，讓點云和作出的基準一一配對得到最后位置調整好的點云，如（圖419）所示。 圖415 畫出的圓 圖416畫出的線 圖417直線的坐標 圖418畫出的基準圖419配對后的點云點云定位好了之后，就要為之后的三維模型的創(chuàng)建做準備，需要做的是要簡化和截取點云，還要把產(chǎn)品點云三角網(wǎng)格化。截取的點云分別以X、Y、Z三個方向截取，在這三個方向之外，為了方便之后的曲面建立，還要截取一些其他的點云界面，最后得到的才是需要的點云。光標放在點云上，右鍵點擊點云，選擇【平行點云截面】，如（圖420）所示，出現(xiàn)其對話框，如（圖421）所示，分別截出三個方向的點云，如（圖422）所示。之后再截取一些方便以后曲面制作的點云完成點云的截取，如（圖423）所示。還要選擇一個Y軸平面的截面作為以后制作三維模型的中心線，如（圖424）所示。再把截出出的點云調成點顯示然后改變成不同的顏色，如（圖425；圖426）所示。右鍵點擊產(chǎn)品點云，選擇【點云三角形網(wǎng)格化】，如（圖427）所示，出現(xiàn)對話框，如（圖428）所示，點擊確定，得到需要的三角網(wǎng)格化點云，如（圖429）所示。 圖420選擇平行點云截面 圖421平行點云截面對話框 圖422截面點云 圖423其他截取的點云 圖424中間截面 圖425點顯示和變色圖框 圖426變色后的點云 圖427選擇三角網(wǎng)格化 圖428三角網(wǎng)格化對話框 圖429點云三角網(wǎng)格把做好的點云單獨現(xiàn)實出來，點擊【文件】/【另存為】，選擇保存文件夾，點擊【可見】，之后保存。之后一樣的操作，把三角網(wǎng)格化的點云單獨現(xiàn)實，關鍵也是要點擊【可見】最后保存。這樣，點云的處理就完成了。之后就是用UG做產(chǎn)品的三維模型。5 產(chǎn)品三維模型的建立之前已經(jīng)把產(chǎn)品的點云處理好了，現(xiàn)在就是要把點云變成三維模型的過程，這個過程是整個逆向工程過程中最重要的部分，逆向工程的成功與否也在很大的程度上取決于這個三維模型建立的過程。而這個過程在說個課題中，是基于UG環(huán)境下實現(xiàn)的。 實體建模軟件UG是美國EDS公司（現(xiàn)已經(jīng)被西門子公司收購）的集 CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。UG CAD：曲線的建立、曲線的操作與編輯、三維實體建模與編輯、草圖的建立及約束管理、表達式、工程圖的建立、工程圖的編輯與注釋、組件裝配、組件爆炸視圖、組件克隆及明細表、自由形狀特征的建立與編輯等。UG的計算機輔助制造（ CAM）模塊包括數(shù)控銑加工編程、車加工編程、電火花線切割編程，UG—CAE主要是對模型的分析。UG是目前市場上功能最極致的產(chǎn)品設計工具。它不但擁有現(xiàn)今CAD/CAM軟件中功能最強大的Parasolid實體建模核心技術，更提供高效能的曲面建構能力，能夠完成最復雜的造型設計。UG提供工業(yè)標準之人機接口，不但易學易用，更有無限次數(shù)的undo功能、方便好用的彈出窗口指令、快速圖像操作說明、自定操作功能指令及中文化操作接口等特色，并且擁有一個強固的檔案轉換工具，能轉換各種不同CAD應用軟件的圖文件，以重復使用原有資料。 Unigraphics(UG)是一套復雜產(chǎn)品設計制造的最佳系統(tǒng)，從概念設計到生產(chǎn)產(chǎn)品，UG廣泛的軍用在汽汽車業(yè)、航天業(yè)、模具加工及設計業(yè)、醫(yī)療器材產(chǎn)業(yè)等等，近年來更將觸角深及消費性市場產(chǎn)業(yè)中最復雜的領域—工業(yè)設計。運用其功能強大的復合式建模工具，設計者可依工作的需求選擇最適合的建模方式；關聯(lián)性的單一數(shù)據(jù)庫，使大量零件的處理更加穩(wěn)定。除此之外，組立功能、2D出圖功能、模具加工功能及與PDM之間的緊密結合，使得UG在工業(yè)界成為一套無可匹敵的高階CAD/CAM系統(tǒng)。本課題基于UG環(huán)境下，對男式摩托車前燈罩的三維模型進行制作。 產(chǎn)品模型曲面的創(chuàng)建把之前修改好的點云和三角網(wǎng)格化的點云都在【導入】界面中導入到UG環(huán)境內，兩個文件的格式都是不一樣的，一個使asc文件，一個使stl文件。都導入之后，將會出現(xiàn)兩者重疊的畫面，如（圖51）所示。圖51導入的點云由于導入的點云數(shù)目比較繁多，而且還有好幾種不同的顏色，如果不分類管理的話在制作曲面調用需要點的時候就會很麻煩。所以這里要把點云分類，把點云按顏色劃分放在不同的圖層，三角網(wǎng)格化的點云也要單獨放在一個圖層。點擊【格式】/【移動至圖層】把各個顏色不相同的點云移動到不同的圖層里面，如（圖52）所示。圖52點云圖層的劃分