【文章內容簡介】 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。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的缺點 。 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(jié)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測量得的數據點數目及精度來決定曲面重建所使用的方法。 2． 4 實體建模 近年來，運用 AutoCAD軟件進行二維圖形的設繪已經得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準確地體現出設計者的設計思想，而且，二維圖紙無法對設計對象進行后續(xù)的結構有限元分析、運動分析、公差分析、 以及數控加工代碼的生成，而這些分析往往是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設計軟件如 MDT,Solid Works、 ProE、 UG等，都得到了廣泛的應用。 建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對于快速制造很必要。 2． 5 快速制造 快速原型技術是九十年代發(fā)展起來的一項高新技術，它無需準備任何模具、刀具和工裝卡具，快速成型設備可直接接受產品設計（ CAD）數據，快速制造出新產品的樣件、模具或模型，對促進企業(yè)產品創(chuàng)新、縮短新產品開發(fā)周期、提高產品競爭力有積極推動作用。傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略是規(guī)模效益第一，九十年代以來，已發(fā)展為市場響應第一。在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，縮短產品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產品投資風險，成為企業(yè)賴以生存的關鍵。近年來，制造業(yè)市場的制造戰(zhàn)略重點正在發(fā)生從成本與質量到時間與響應的重大轉移?？焖賹⒍鄻踊漠a品推向市場是制造商把握市場先機而求生存的重要保障。快速成形技術是集機械、電子、光學、材料等學科為一體的先進制造技術之一。 20世紀 80年代末、 90年代初發(fā)展起來的快速成形（ Rapid Prototypingamp。Manu facturing：RP）技術，突破了傳統(tǒng)的 加工模式，是近 20 年制造技術領域的一次重大突破。它與科學計算可視化和虛擬現實等技術相結合，為設計者、制造者與用戶之間提供了一種可測量、可觸摸的新手段?？焖俪尚渭夹g可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地縮短了產品的研發(fā)周期，是提高產品質量、縮減產品成本的有力工具。它的核心是基于數字化的新型成形技術。 RP 系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成形技術，如：立體光造型（ Stereo 9 lithography： SL）、迭層實體制造（ Laminated Object Manufacturing： LOM）、選擇性激光燒結（ Selected Laser Sintering： SLS）、形狀沉積制造（ Shape Deposition Manufacturing：SDM）等等。 快速成形術已經廣泛應用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設計、醫(yī)療等領域。藝術、建筑等領域也已開始使用 RP設備。隨著 RP技術本身的發(fā)展和完善，其應用領域在不斷拓展。 快速制造技術的優(yōu)越性和特點： 制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用； 產品制造過程幾乎與零件的復雜性以及幾何形狀 無關，在加工復雜曲面時更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的； 加工周期短，成本低，成本與產品復雜程度無關，一般制造費用降低 50%，加工周期節(jié)約 70%以上； 產品的單價幾乎與批量無關，特別適合于新產品的開發(fā)和單件小批量零件的生產； 整個生產過程數字化，與 CAD 模型具有直接的關聯，零件可大可小，所見即所得，可隨時修改，隨時制造； 與傳統(tǒng)方法結合，可實現快速鑄造，快速模具制造、小批量零件生產等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。 快速制造技術周期短、工藝簡單、易于推廣、制模成本低、精度和壽命能滿足某種特 定的功能需要，綜合經濟效益良好，是一種快捷、方便、實用的制造技術，特別適用于新產品開發(fā)試制、工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產。 目前，大多數的快速成形制造系統(tǒng)中， 3D的 CAD模型首先要轉化為標準 STL格式模型，即采用所謂面型化 (Tessellation)處理方法對實體曲面進行近似處理，用平面三角面片近似模型的表面。這樣處理的優(yōu)點就是大大地簡化了 CAD模型的數據格式，以便于后續(xù)的分層處理，為制造過程準備數據。 STL文件格式是由美國 3D System公司于 1987年提出的，由于它在數據處理上較簡單，而且與 CAD系統(tǒng)無關，所以很快發(fā)展為快速成形制造領域中 CAD系統(tǒng)與快速成形機之間數據交換的準標準格式。表達一個三維實體模型的 STL文件是用大量的空間小三角形面片來表示實體模型的表面，如 圖 2. 3所示，對每一空間小三角形面片用三角形的 3個頂點坐標及三角形面片的法向量來描述，法向量由實體的內部指向外部， 3個頂點的次序與法向量滿足右手規(guī)則，如 圖 2. 3所示。此外， STL文件中兩個相鄰的三角形只能有一個公共邊。 10 圖 2. 3 3．逆向工程軟硬件設備 3． 1 掃描設備 三維激光掃描技術，它能夠完整及高精密度的重建實物或實 景、三維實體模型及原始測繪數據。最大特點就是：精度高、速度快、逼近原形。 法國 KREON 系列三維激光超高精密度掃描儀，（ KREON KZ 50）具有很多優(yōu)質：掃描精度極高，這利于將重建內容更逼近原形。掃描密度極高，掃描速度極快，這利于快速原形化目標、實時掃描、同步移動操作等。具有一對 CCD同時同步工作，可無死角的實時掃描任何復雜目標，減少重復性工作，目前國際同類技術都是一個 CCD，雙 CCD技術還利于實時檢測監(jiān)測工作 ,KREON 可以與目前各種三坐標測量機、數控加工中心、機械關節(jié)臂等配接 ,KREON掃描頭可以 與現有的很多設備互換使用 ,KREON 激光掃描技術不同于傳統(tǒng)的光學照相三維成像技術， KREON 保證了所有掃描云點的實測性、實時性及真實性，而光學照相技術做不到，它是基于少數測量點并經過后處理三維數學推算后得到點云。本次選用的 KREON 系列中的KZ 50是近距三維激光掃描系統(tǒng)。分辨率可達 5μ m，速度： 30000點 /每秒， (可借助機械臂或數控機械平臺掃描任何大小的物體）。實體如下圖： 11 圖 3. 1 三維激光掃描儀 3． 2 點云曲面處理軟件 目前市面上常用的逆向工程軟件系統(tǒng)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(qū)域，先生成曲面片，然后通過拼接構成完整的曲面模型。其優(yōu)點是 NURBS 曲面的應用在 CAD/CAM 領域內相當廣泛，因而，這些系統(tǒng)與其它 CAD/CAM系統(tǒng)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。 Imageware12 主要用來做逆向工程，它處理點云數據的流程遵循，點 —— 曲線 —— 曲面的原則，整個流程簡單清晰明了，而且軟件操作容易，對系 統(tǒng)性能要求也不高。 (一 ) 點云處理功能 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。 Imageware12軟件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， Imageware12軟件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(guī)劃如何創(chuàng)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(guī)劃可以避免以后走彎路。 4．根據需要創(chuàng)建點的網格或點的分段。 Imageware12軟件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(chuàng)建功能 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(chuàng)建曲線。根據需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線?？刂泣c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?？梢酝ㄟ^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(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。 Imageware12軟件提供很多工具來調整和修改曲線。 （三）曲面創(chuàng)建功能 12 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，或兩者兼顧。 根據產品設計需要來決定。 2．創(chuàng)建曲面。創(chuàng)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(chuàng)建曲面。還可以通過其他例如圓角等生成曲面。 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(xù)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。 Imageware12 是著名的逆向工程軟件，其廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電 、模具、計算機零部件領域。而且擁有以上專業(yè)的點云到曲面的造型功能，在進行逆向工程時是一個不錯的工具。 3． 3 實體建模軟件 Autodesk公司在 AutoCAD軟件包的基礎上，開發(fā)出了三維實體造型軟件 Mechanical Desktop 簡稱 MDT，在微機上，實現了快捷、精確的三維實體造型。與別的三維設計軟件不同的是，它基于以被廣大的中國用戶所熟知的 AutoCAD平臺。對于有 AutoCAD二維繪圖軟件使用經驗的用戶，學習和使用 MDT十分容易。利用它，設計者在設計初期能夠很方便地進行概念設計，將主要精力集中在零 件的選型、相關結構的關系以及零件的使用功能上，設計者們能最大限度的發(fā)揮聰明才智，這一過程在整個設計過程中，占據極為重要的作用。完善概念設計之后，輸出立體效果圖、零件施工圖及系統(tǒng)裝配圖很方便，而且節(jié)約了大量的繪圖時間。 MDT軟件包包括零件造型、零件裝配、曲面造型及二維出圖等部分。 MDT軟件的零件造型模塊是基于二維平面特征的三維實體造型工具，能夠非常方便地創(chuàng)建任何復雜形狀的實體。 基于特征的參數化零件造型模塊可用已經存在的 AutoCAD二維圖