三維掃描設備

1、模具關(guān)鍵技術(shù)應用,——三維掃描設備操作,目錄,逆向工程概述,1.逆向工程的定義 逆向工程（ReverseEngineering），RE是在沒有產(chǎn)品原始圖樣、文檔的情況下，對產(chǎn)品實物進行測量和工程分析，經(jīng)軟件進行數(shù)據(jù)處理、重構(gòu)幾何模型，并由數(shù)控機床重新加工復制出產(chǎn)品的過程。,逆向工程概述,1.逆向工程的定義逆向工程與正向工程的區(qū)別 正向工程是泛指按常規(guī)的從概念（草圖）設計到具體模型設計再到成品的生產(chǎn)制造過程。,逆

2、向工程概述,1.逆向工程的定義逆向工程強調(diào)的是從現(xiàn)有模型（產(chǎn)品樣件、實物模型等）經(jīng)過一定的手段轉(zhuǎn)化為概念模型和工程設計模型，如利用三坐標測量機的測量數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行數(shù)學模型重構(gòu)，或者直接將這些離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成NC程序進行數(shù)控加工而獲取成品的過程，是對已有產(chǎn)品的再設計、再創(chuàng)造的過程。以此我們可以簡單理解為：,逆向工程概述,2.逆向工程的應用,逆向工程概述,用于實物抄數(shù)，加快設計速度,逆向工程概述,以微軟公司生產(chǎn)的鼠標器為例，就其功能而言，只

3、需要有三個按鍵就可以滿足使用需要，但是，怎樣才能讓鼠標器的手感最好，而且經(jīng)過長時間使用也不易產(chǎn)生疲勞感卻是生產(chǎn)廠商需要認真考慮的問題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學制作了幾個模型并交給使用者評估，然后根據(jù)評估意見對模型直接進行修改，直至修改到大家都滿意為止，最后再將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件生成 CAD數(shù)據(jù)。當產(chǎn)品推向市場后，由于外觀新穎、曲線流暢，再加上手感也很好，符合人體工程學原理，因而迅速獲得用戶的廣泛認可，產(chǎn)品的市場占有率大幅度上

4、升。,用于工業(yè)產(chǎn)品造型設計,逆向工程概述,用于工業(yè)產(chǎn)品造型設計 應用于航空航天和汽車工業(yè)，因為這兩個領(lǐng)域?qū)諝鈩恿W性能要求很高，在產(chǎn)品開發(fā)的開始階段就要認真考慮空氣動力性。常規(guī)的設計流程首先根據(jù)工業(yè)造型需要設計出結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型之后將其送到風洞實驗室去測量空氣動力學性能，然后再根據(jù)實驗結(jié)果對模型進行反復修改直到獲得滿意結(jié)果為止，如此所得到的最終油泥模型才是符合需要的模型。如何將油泥模

5、型的外形精確地輸入計算機成為電子模型，這就需要采用逆向工程軟件。首先利用三坐標測量儀器測出模型表面點陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件進行重建，隨著科學技術(shù)的進步和消費水平的不斷提高，其它許多行業(yè)也開始紛紛采用逆向工程進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計。,逆向工程概述,用于精密零部件的尺寸檢驗,逆向工程概述,用于模具制造和翻新,由于相關(guān)學科發(fā)展水平的限制，對零件的功能和性能分析還不能完全由CAE來完成，往往需要通過實驗來最終確定零件形狀，如在模具制造中經(jīng)常需要

6、通過反復試沖和修改模具型面方可得到最終符合要求的模具。其將最終符合要求的模具測量并反求出其CAD模型在再次制造該模具時就可運用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。,逆向工程概述,逆向工程的工藝流程　 逆向工程以已存在的產(chǎn)品或者模型作為研究對象，將獲得的三維離散數(shù)據(jù)作為初始素材，借助專用的曲面處理軟件CAD/CAM系統(tǒng)構(gòu)造實物的CAD模型，輸出NC加工指令或用STL文件驅(qū)動快速成型機制造

7、出產(chǎn)品或原型，其工藝流程如下圖所示。,實物原型,三維數(shù)據(jù)掃描,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)重構(gòu)（CAD）、CAE分析、創(chuàng)新設計等,快速成型制造,STL文件,產(chǎn)品,NC加工,NC代碼生成,,,,,,,,,產(chǎn)品,快速模具制造,,產(chǎn)品,,,,,,逆向工程概述,4.逆向工程常用軟件,逆向工程概述,Imageware由美國 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機 零部件等設計與制造領(lǐng)域。該軟件擁有廣大

8、的用戶群，國外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Toyota等著名國際大公司，國內(nèi)則有上海大眾、上海DELPHI、成都飛機制造公司等大企業(yè)。由美國Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件 Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件也是除了 Imageware以外應用最為廣泛的逆向工程軟件。CopyCAD 是由英

9、國DELCAM公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的CAD曲面的產(chǎn)生提供了復雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標測量機床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機床和激光掃描器。,逆向工程概述,RapidForm是韓國 INUS 公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm提供了新一代運算模式，可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為3D Scan后處理之最佳

10、化的接口。RapidForm也將使您的工作效率提升，使3D掃描設備的運用范圍擴大，改善掃描品質(zhì)。CATIA是法國達索飛機公司開發(fā)的高檔CAD/CAM軟件。CATIA軟件以其強大的曲面設計功能而在飛機、汽車、輪船等設計領(lǐng)域享有很高的聲譽。CATIA的曲面造型功能體現(xiàn)在它提供了極豐富的造型工具來支持用戶的造型需求。比如其特有的高次Bezier曲線曲面功能，次數(shù)能達到15，能滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求。,三維掃描系統(tǒng)硬件介紹,三維

11、掃描系統(tǒng)硬件介紹,掃描頭組成,注意：（1）避免掃描系統(tǒng)發(fā)生碰撞，造成不必要的硬件系統(tǒng)損壞及掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量受到影響。（2）禁止碰觸相機鏡頭和光柵投射器鏡頭。（3）掃描頭扶手僅在用于云臺對掃描頭做上下、水平、左右調(diào)整時使用。嚴禁在搬運掃描頭時使用此扶手。,三維掃描系統(tǒng)硬件介紹,云臺,調(diào)整云臺旋鈕可使掃描頭進行多角度轉(zhuǎn)向。,三維掃描系統(tǒng)硬件介紹,三腳架,調(diào)整三腳架旋鈕可對掃描頭高低進行調(diào)整。 注意：云臺及三腳架在角度、高低調(diào)整結(jié)

12、束后，一定要將各方向的鎖緊螺釘鎖緊，否則可能會由于固定不緊造成掃描頭內(nèi)部器件發(fā)生碰撞，導致硬件系統(tǒng)損壞；也可能在掃描過程中硬件系統(tǒng)晃動，對掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,掃描系統(tǒng)運行后，首先顯示如下圖所示界面。,1.標題欄：掃描系統(tǒng)名稱2.菜單欄：包括所有的操作選項3.工具欄：提供了操作的快捷方式,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,相機參數(shù)標定 相機參數(shù)標定是整個掃描系統(tǒng)精度的基礎，因此掃描系統(tǒng)在安裝完成后，第一

13、次掃描前必須進行標定。另外，在以下幾種情況下也要進行標定：1.對掃描系統(tǒng)進行遠途運輸；2.對硬件進行調(diào)整；3.硬件發(fā)生碰撞或嚴重震動。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,標定步驟1.啟動Win3DD掃描系統(tǒng)：首先正確連接線纜，然后接通掃描系統(tǒng)的電源（包括硬件系統(tǒng)與專用計算機等）。啟動專用計算機，啟動硬件系統(tǒng)，使掃描系統(tǒng)預熱5~10分鐘，以保證標定狀態(tài)與掃描狀態(tài)盡可能相近。點擊左面快捷圖標啟動軟件，點擊“掃描標定切換”按鈕，進入軟件標定

14、界面。2.調(diào)整相機參數(shù)：通過“相機參數(shù)調(diào)整”對話框中的曝光與增益滑動條調(diào)整相機的亮度與對比度，并觀察相機實時顯示區(qū)，得到滿意的圖像質(zhì)量。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,3.調(diào)整掃描距離：在打開標定界面時，相機實時顯示區(qū)會顯示一個白色“十字”將相機實時顯示區(qū)劃分為兩個同樣面積的區(qū)域。這時光柵投射器會投出一個黑色的“十字”，這樣會在同一個顯示區(qū)出現(xiàn)兩個十字叉。將標定板放置在視場中央，通過調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度以及俯仰角，使兩個十字叉盡可能重合。,

15、標定步驟,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,標定步驟4.調(diào)整標定板，根據(jù)界面左上角的標定指示操作，開始標定。注意：在每個步驟中，都需觀察左標志點提取顯示區(qū)，使板上的99個標志點均處于視場內(nèi)，且至少88個標志點提取成功才能進行標定（下一步）操作。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟一：將標定板水平放置，放置方向為：距離最近的兩個大標志點的一側(cè)向上放置。調(diào)整掃描距離，即調(diào)整三腳架的高度以及仰俯角，使兩個“十字”盡可能重合。點擊“標定”，此時完成了第一

16、步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟二：標定板不動，調(diào)整三腳架，提升硬件系統(tǒng)高度40mm，滿足要求后單擊“下一步”，完成第二步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟三：標定板不動，調(diào)整三腳架，使硬件系統(tǒng)高度降低80mm，單擊“下一步”，然后再調(diào)整三腳架，將硬件系統(tǒng)提升40mm，進入下一步 。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟四：硬件系統(tǒng)高度不變，將標定板旋轉(zhuǎn)90度，墊起與相機同側(cè)下方一角，角度約為20度，讓標定板正對光柵投射器，完成第四步。,

17、三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟五：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，完成第五步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟六：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，完成第六步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟七：硬件系統(tǒng)高度不變，將標定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，墊起與相機異側(cè)一邊，角度約為30度，讓標定板正對相機，完成第七步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟八：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標

18、定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，完成第八步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟九：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，完成第九步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,步驟十：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90度，完成第十步。,三維掃描設備軟件系統(tǒng)操作,在上述十步全部完成后，軟件系統(tǒng)會自動對采集到的圖像進行處理與計算，得到掃描系統(tǒng)所需的各項參數(shù)，并在標定信息顯示區(qū)給出標定結(jié)果。,注意：標定不成功會提示“標

19、定誤差較大，請重新標定”。,三維掃描設備操作與注意事項,一、掃描設備使用安全警告,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作1.提高點云質(zhì)量解決方案,（1）掃描時外部環(huán)境光線不要太強，暗室操作效果更佳（2）深色或反光的物體要噴顯像劑進行掃描（注：顯像劑要噴的均勻且?。?）掃描物體表面需光滑，否則后期處理會清理不干凈 另外，應給被掃描工件準備一個顏色較暗的背景，最好是黑色（掃描系統(tǒng)對黑色表面不生成任何數(shù)據(jù)）。這樣可以

20、減少背景掃描數(shù)據(jù)，增加有效掃描數(shù)據(jù)的比重。,顯像劑,深色物體,反光物體,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作2.掃描策略的制定,在對被掃描工件進行掃描時，需要經(jīng)過多角度、多范圍的多次掃描，才能完成對被掃描工件的完整掃描。掃描系統(tǒng)采用標志點（掃描系統(tǒng)會精確、自動的提取標志點三維坐標）來實現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一致，即將每次生成的點云數(shù)據(jù)均統(tǒng)一到公共坐標系，從而完成點云的自動拼接。 掃描系統(tǒng)要求在本次掃描中，至少能攝取

21、到3個在之前掃描時提取出的標志點。同時要求這3個標志點盡可能不共線，且不對稱（例如其中3個不能構(gòu)成等邊或等腰三角形）。 掃描策略對于整個掃描項目是非常重要的，因此在掃描之前就應該進行制訂。針對一個被掃描工件，首先根據(jù)其大小、形狀、復雜程度判斷大致需要掃描的次數(shù)，以及掃描的次序。,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作2.掃描策略的制定,策略一：被掃描工件大小在掃描系統(tǒng)單幀掃描范圍內(nèi)（如圖）。在這種情況下，只需考慮按照一

22、個合適的掃描次序，保證本次掃描與之前掃描提取出的標志點均有至少3個公共點即可。,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作2.掃描策略的制定,策略二：被掃描工件大小超出掃描系統(tǒng)的單幀掃描范圍，但不超過2倍（如超出2倍以上，則需與三維攝影掃描系統(tǒng)配套使用（注：Win3D-Metric攝影測量系統(tǒng)））。在這種情況下，第一次掃描應從可得到最多標志點的工件中部開始（如圖所示）。,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作2.掃描策略

23、的制定,策略三：上述兩個策略中，標志點均粘貼在工件表面上。這兩個策略的優(yōu)點是被掃描工件可以隨意移動或轉(zhuǎn)動，但帶來的缺點是粘貼標志點處會產(chǎn)生較多的環(huán)狀空洞（因標志點外圍是黑色的，掃描系統(tǒng)將不會產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)點）。然而，在實際掃描中，如果工件不易搬動，我們也可以使用輔助裝置。例如將被掃描工件放置在轉(zhuǎn)臺裝置上。標志點可以粘貼在被掃描工件周圍的轉(zhuǎn)臺表面上（如圖），這種粘貼方案可以有效減少工件表面的標志點數(shù)量，使掃描數(shù)據(jù)盡可能少的產(chǎn)生空洞。但這種策

24、略不允許被掃描工件與轉(zhuǎn)臺有任何的相位位移，否則會造成拼接誤差增大，甚至導致掃描項目失敗。,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作3.標志點粘貼注意事項1.標志點要盡量貼在工件的平面區(qū)域或曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠一些；2.標志點不要貼在一條直線上，且盡量要不對稱粘貼；3.公共標志點至少為3個，由于圖像質(zhì)量、掃描角度等多方面原因，有些標志點不能正確識別，因而建議用盡可能多的標志點，一般5~7個為宜；4.標志點應

25、使相機盡可能多的角度可以同時看到；5.粘貼的標志點要保證掃描策略的順利實施，并使標志點在長度、寬度、高度方向均應合理分布。,三維掃描設備操作與注意事項,二、掃描前準備工作3.標志點粘貼注意事項標志點粘貼示意圖：,錯誤粘貼方式,正確粘貼方式,三維掃描設備操作與注意事項,三、掃描過程1.新建工程點擊“新建工程”按鈕，會彈出如圖所示對話框。,三維掃描設備操作與注意事項,三、掃描過程1.新建工程步驟一：調(diào)整掃描距離,掃描工件步驟一

26、,三維掃描設備操作與注意事項,步驟二：單幀掃描（系統(tǒng)將自動進行單幀掃描。結(jié)果在如圖所示的“三維點云顯示區(qū)”顯示三維點云數(shù)據(jù)。）,掃描工件步驟二,三維掃描設備操作與注意事項,步驟三：檢查工程信息。（每次單幀掃描完成后，都應該檢查“工程信息樹狀顯示區(qū)”的工程信息。）,掃描工件步驟三,三維掃描設備操作與注意事項,三、掃描過程2.需再次掃描情況 重復步驟2繼續(xù)進行下次掃描，如果本次掃描所提取出的標志點與之前提取出的標志點公共點少

27、于3個，掃描軟件系統(tǒng)則會彈出提示對話框，同時不會進行拼接處理，這時需要調(diào)整被掃描工件，然后重新進行本次掃描。,標志點不足提示信息,三維掃描設備操作與注意事項,三、掃描過程3.保存點云數(shù)據(jù) 點擊“保存按鈕”或“工程管理”下拉菜單下的“點云另存為”選項對點云進行保存處理。,點云文件另存為,三維掃描設備操作與注意事項,三、掃描過程4.退出軟件 項目工作全部完成后，退出掃描軟件系統(tǒng)。 如有未保存點云數(shù)據(jù)

28、，軟件系統(tǒng)會給出提示框。然后關(guān)閉掃描系統(tǒng)與專用計算機，待掃描系統(tǒng)的散熱風扇停止后切斷掃描系統(tǒng)與專用計算機電源。,退出軟件提示框,三維掃描設備操作與注意事項,四、掃描設備日常維護1.掃描系統(tǒng)環(huán)境要求Win3DD三維掃描系統(tǒng)不宜在強光照射（如太陽光）下使用。,三維掃描設備操作與注意事項,四、掃描設備日常維護2.掃描頭的維護擦試鏡頭時要用鏡頭紙。,三維掃描設備操作與注意事項,四、掃描設備日常維護3.標定板的維護 在使用標