测量机与测量数据

1、测量机与测量数据测量机与测量数据反求工程出现反求工程出现n反求思维在工程中的应用源远流长，而反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，提出这种术语并作为一门学问去研究，则是则是60年代初出现的年代初出现的n日本在日本在60年代初提出科技立国方针：一年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场四代占领国际市场 nReverse Engineering 反求工程定义反求工程定义n广义定义广义定义：针对消化吸收先进技术的一系列分：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品设析方法和应

2、用技术的组合。它是以先进产品设备的备的实物、软件实物、软件（图纸、程序、技术文件等）（图纸、程序、技术文件等）或或影像影像（图片、照片等）作为研究对象，应用（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而其关键技术，进而开发出同类的先进产品开发出同类的先进产品。n包括包括：设计设计反求（几何、材料）、反求（几何、材料）、工艺工艺反求等反求等 反求工程定义反求工程定义n狭义定义狭义定义：根据实物模型的坐标：根据实物模型的坐标测量数测量数

3、据据，构造实物的，构造实物的数字化模型数字化模型（CAD模模型），使得能利用型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及及CIMS等先进技术对其进行处理等先进技术对其进行处理或管理。或管理。n包括：几何形状的反求包括：几何形状的反求 反求工程目标反求工程目标n反求工程并不限于样件复制，目标是：反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基本数据的条件下，对数据在获得实物基本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进行进行必要的处理，对模型进行分析、修分析、修改改等等 反求工程与正向工程反求工程与正向工程 n正向工程正向工程：（正向设计）是根据市场需求，提出目：（正向设计）是根据市场需求，

4、提出目标和技术要求，进行功能设计，变为产品标和技术要求，进行功能设计，变为产品n市场需求，设计要求市场需求，设计要求设计师的创造性活动设计师的创造性活动产品产品n怎么做怎么做n反求工程反求工程：从已知事物的有关信息，去寻求这些信：从已知事物的有关信息，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，即充分消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改即充分消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造进、挖潜和再创造n已知事物已知事物消化、再创造消化、

5、再创造市场竞争的新产品市场竞争的新产品n为什么这样做为什么这样做 反求工程应用领域反求工程应用领域n外形美学要求较高的零部件的设计外形美学要求较高的零部件的设计 ，先作，先作黏黏土模型土模型 ，再测量造型，再测量造型n单件产品快速定制生产单件产品快速定制生产 ，如头盔、假发套、如头盔、假发套、服装服装 等等n医学领域医学领域 ，如，如假肢制造、牙齿镶复假肢制造、牙齿镶复 n十分复杂外形的物体，如动物、植物、玩具、十分复杂外形的物体，如动物、植物、玩具、艺术品，可用于动画制作艺术品，可用于动画制作 n地理信息领域地理信息领域 ，地貌数据地貌数据 n计算机辅助检测计算机辅助检测 反求工程步骤反求工

6、程步骤Stepsn数据获取数据获取 Data Capturen数据预处理数据预处理 Preprocessingn数据分块与曲面拟合数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fittingnCAD模型生成模型生成 CAD model creation测量机分类测量机分类n接触式接触式n三坐标测量机（三坐标测量机（CMM coordinate measure machine） n机械手机械手 n非接触式非接触式 n光学测量光学测量 n声学测量声学测量 n磁学测量磁学测量 n破坏式破坏式自动断层扫描自动断层扫描 接触式测量机接触式测量机 n工作方式工作方式：点触发，连续或

7、间断式数据采集：点触发，连续或间断式数据采集n特点特点：不受物体表面颜色及光照的限制，对物：不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准确的测量结果体边界也能产生准确的测量结果n缺点缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测头不：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细节数据可到达的细节数据n不能测量软材料不能测量软材料n测量速度受到机构运动的限制测量速度受到机构运动的限制三坐标测量机（三坐标测量机（CMM）一般工作台面是花一般工作台面是花岗岩，测头为宝石岗岩，测头为宝石我们学校，意大利我们学校，意大利MISTRAL070705型型 意大利意大利COORD3公司公司半桥式半桥式CMM测量机

8、测量机龙门式龙门式CMMCMM系统组成系统组成n计算机计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的通讯与外设的通讯n数控设备数控设备计算机和测量机的接口，控制测量机运动计算机和测量机的接口，控制测量机运动n测量机机体测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机机机械手式测量机机械手式测量机 n测量方法测量方法：操作者手：操作者手持测量手臂，末端探持测量手臂，末端探针接触被测量物体表针接触被测量物体表面时按下按钮，记录面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种通过串口线传到

9、各种软件包软件包上上FaroARM手动式手动式 精度低，范围大精度低，范围大Cimcore手动式手动式接触式测量数据接触式测量数据光学测量光学测量机机n激光三角形法激光三角形法 n激光测距法激光测距法 n投影光栅法投影光栅法 n图像分析法图像分析法 特点特点：高速测量，短时间内测量大量的点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点缺点：对：对表面粗糙表面粗糙和和表面漫反射率表面漫反射率敏感（如透明、高光）敏感（如透明、高光）激光三角形法激光三角形法n原理原理：激光带投射到被测物体表面，反：激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，按照预设定射光在图象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理

10、的测到被测物体的坐的三角形光路原理的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得运动辅助获得 laser stripe triangulation 原理图原理图23,000 points per second. 3D Scanners三维激光扫描仪三维激光扫描仪（3D laser scanners） Scantech三维激光三维激光扫描仪非常便于安装扫描仪非常便于安装在所有在所有CNC机床上，机床上，无论其大小。可以安无论其大小。可以安装于任何装于任何3轴、轴、5轴铣轴铣床或床或3轴车床，激光轴车床，激光扫描仪比探针扫描仪扫描仪比探针扫描仪快

11、快10倍，还可以扫描倍，还可以扫描柔软和易碎的物体。柔软和易碎的物体。 3D Scanner CyberWare测量机测量机 Cyberware公司的三维扫描仪，在公司的三维扫描仪，在80年代就年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者终结者II，侏罗纪公园侏罗纪公园，蝙蝠侠蝙蝠侠II，机械战警机械战警等等影片。还用于快速雕塑系统。影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、对人体全身扫描，给出对象的多边形、NURBS曲曲面、点、面、点、Spline曲线方式描述，可进行彩色扫描。曲线方式描述，可进行彩色扫描。

12、扫描速率可达扫描速率可达1.4万点万点/秒。秒。3030RGB型扫描物型扫描物体的尺寸在体的尺寸在30cm，深度方向测量精度，深度方向测量精度100-400m，用于动画、人类学研究、服装设计等方，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。面。 CyberWare测量机测量机构成：构成：平台平台传感器（光学系统）传感器（光学系统）计算机计算机处理软件处理软件 Cyberware激光测距法激光测距法 n激光束的飞行时间转化为被测点与参考激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离平面间的距离 投影光栅法投影光栅法 n采用普通白光将矩形光栅投影于物体表采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅

13、图像，根据灰度值变面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标化，算出空间坐标 ATOS流动光学三坐标测量系统流动光学三坐标测量系统 atos 贴标签定位贴标签定位 Atos测量数据测量数据光照图光照图图像分析法图像分析法 n利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在多个图像中的相对位像，利用一个点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标空间坐标 自动断层扫描自动断层扫描 n逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法n将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）将待

14、测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，完全封装，n待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，削，得到包含零件和树脂材料的截面，n移到移到CCDCCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。1)1)重复步骤重复步骤2 2、3 3，再到铣床

15、上切削，再分析。，再到铣床上切削，再分析。 自动断层扫描数据自动断层扫描数据测量中的问题测量中的问题 n精度标定精度标定n透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差误差n不可测量性不可测量性n阴影、障碍物，夹具阴影、障碍物，夹具n多个视点测量，再进行多视拼合多个视点测量，再进行多视拼合n测量噪声测量噪声 n被测物体表面特征的影响被测物体表面特征的影响n光洁度、表面涂层对光线的反射率光洁度、表面涂层对光线的反射率n头发测量，粗糙表面的典型实例头发测量，粗糙表面的典型实例测量数据类型测量数据类型 n散乱点云（散乱点云（Point Cloud）n扫描线点

16、云扫描线点云n网格化点云网格化点云 n三角网格点云三角网格点云 n多边形点云多边形点云 散乱点云散乱点云 n测量点没有明显的几何分布特征，呈散测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态乱无序状态n随机扫描下的随机扫描下的CMM，光学测量系统多张光学测量系统多张数据拼合后数据拼合后散乱点云数据散乱点云数据扫描线点云扫描线点云 n点云由一组扫描线组成，扫描线上的所点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内有点位于扫描平面内nCMM、激光三角形测量系统沿直线扫描、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量线结构光扫描测量 扫描线点云数据扫描线点云数据扫描线点云数据扫描线点云数据网格化

17、点云网格化点云 n点云中所有点都与参数域中一个均匀网点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应格的顶点对应n网格化插值网格化插值 网格数据表示网格数据表示三角网格点云三角网格点云 n点云中的点与邻点构成三角网格拓扑关点云中的点与邻点构成三角网格拓扑关系系nATOS流动光学三坐标测量机流动光学三坐标测量机 三角网格点云数据三角网格点云数据多边形点云多边形点云 n测量点分布在一系列平行平面内，用一测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面内距离最小的若干相小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多边形边形n层切法、核磁共振、工

18、业层切法、核磁共振、工业CT 多边形点云多边形点云数据数据数据预处理内容数据预处理内容n数据拼合数据拼合n数据光滑数据光滑n数据简化数据简化n数据修复数据修复n数据分块数据分块数据拼合数据拼合也叫多视拼合，因为也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体一次测量完成对全体件的数字化是很困难的件的数字化是很困难的 nCMM中多次装夹中多次装夹n光学测量仪中，多视角测量光学测量仪中，多视角测量可以在测量过程中由软件自动拼合，也可可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结束后输入到反求工程软件中以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合拼合拼合方法拼合方法点位法：测量点中确定三个非共线点，作为分视图点位法：

19、测量点中确定三个非共线点，作为分视图的局部坐标系标准的局部坐标系标准 拼合结果拼合结果数据光滑数据光滑实际测量过程中受到人为或随机因素的影实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对数据进行平滑滤波。必要对数据进行平滑滤波。n人机交互人机交互 n程序滤波程序滤波n变形光顺变形光顺 人工交互人工交互滤波方法滤波方法n高斯滤波高斯滤波：指定域内的权重为高斯分布，平均效果较小，：指定域内的权重为高斯分布，平均效果较小，在滤波的同时能较好的保持原数据的形貌。在滤波的同时

20、能较好的保持原数据的形貌。DK = D * Gn平均滤波平均滤波：采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平：采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值。均值。n中值滤波中值滤波：采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中：采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值，消除数据毛刺的效果较好。典型的低通滤波器。在值，消除数据毛刺的效果较好。典型的低通滤波器。在图像处理中，就是指把以某点图像处理中，就是指把以某点(x,y)为中心的小窗口内为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列，将中间值作的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列，将中间值作为为(x,y)处的灰度值处的灰度值(若窗口中有偶数个像素，则

21、取两个若窗口中有偶数个像素，则取两个中间值的平均中间值的平均)。 滤波示意图滤波示意图程序滤波程序滤波局部特征去除局部特征去除光顺效果光顺效果光顺效果光顺效果数据修复数据修复n测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整导致部分数据测量不完整n重新测量重新测量n软件中修补软件中修补数据修复数据修复修复修复数据简化数据简化n按数据点间的距离按数据点间的距离 指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。界距离，则删除其中的一个。n按给定的法向精度按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点根据删除一个点