n坐標(biāo)測(cè)量零件外形的數(shù)據(jù)采集n通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，是實(shí)施逆向工程的第一步。n目前實(shí)物坐標(biāo)測(cè)量的范圍和手段以驚人的速度發(fā)展，基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、衛(wèi)星遙感、三維微觀攝像等的測(cè)量設(shè)備，能夠獲得大如星球、天體，小如細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)的各種三維數(shù)據(jù)。 實(shí) 物 測(cè) 量接 觸 式 非 接 觸 式 破 壞 式機(jī) 械 手CMM 自 動(dòng) 斷 層 掃 描光 學(xué) 聲 學(xué)聲 波 定 位 儀 MRI磁 共 振結(jié) 構(gòu) 光 激 光 三 角 形 電 磁 學(xué)激 光 測(cè) 距 法 干 涉 測(cè) 量 法 圖 像 分 析 法 n測(cè) 量 方 法 本 身 的 精 度n儀 器 的 校 準(zhǔn)n測(cè) 量 范 圍 的 限 制n夾 具 阻 擋 、 樣 件 自 身 結(jié) 構(gòu) 阻 擋n采 集 數(shù) 據(jù) 的 局 部 缺 少n被 測(cè) 物 體 表 面 的 光 潔 度n零 件 數(shù) 據(jù) 的 統(tǒng) 計(jì) 性 分 布 n接 觸 式 測(cè) 頭 種 類 及 其 工 作 原 理 (a)硬 式 測(cè) 頭 (b)觸 發(fā) 式 測(cè) 頭 (c)模 擬 式 測(cè) 頭接 觸 式 測(cè) 頭 工 作 原 理 圖 n通 過 手 動(dòng) 測(cè) 頭 接 觸 工 件 表 面 ， 由 人 眼 及 感 覺 做 出判 斷 ， 再 利 用 腳 踏 開 關(guān) 觸 發(fā) 。 記 錄 觸 發(fā) 時(shí) 接 觸 點(diǎn)坐 標(biāo) 值 。n由 于 接 觸 力 的 大 小 和 接 觸 點(diǎn) 的 判 斷 完 全 依 賴 于 操作 者 的 感 覺 ， 極 易 產(chǎn) 生 誤 差 ， 多 用 于 精 度 要 求 不太 高 的 小 型 測(cè) 量 機(jī) ， 成 本 較 低 、 操 作 簡(jiǎn) 單 。n按 形 狀 可 分 為 圓 錐 測(cè) 頭 、 圓 柱 形 測(cè) 頭 、 球 形 測(cè) 頭 、回 轉(zhuǎn) 半 圓 和 回 轉(zhuǎn) 四 分 之 一 柱 面 測(cè) 頭 、 盤 形 測(cè) 頭 、凹 圓 錐 測(cè) 頭 、 點(diǎn) 測(cè) 頭 、 V形 塊 測(cè) 頭 及 直 角 測(cè) 頭 等 。 采 用 硬 式 測(cè) 頭 的 小 型 測(cè) 量 儀 MicroScribe， 主 要 用 于實(shí) 驗(yàn) 室 教 學(xué) 時(shí) 對(duì) 較 小 實(shí) 物 模 型 的 測(cè) 量 。 精 度 0.3mm左 右 。 n觸 發(fā) 式 測(cè) 頭 利 用 電 子 開 關(guān) 機(jī) 構(gòu) ， 當(dāng) 測(cè) 頭 碰到 樣 件 表 面 ， 由 接 觸 力 控 制 電 子 機(jī) 構(gòu) 的 開關(guān) ， 由 電 信 號(hào) 的 通 斷 控 制 坐 標(biāo) 值 的 讀 取 。n觸 發(fā) 式 測(cè) 頭 的 觸 發(fā) 信 號(hào) 由 電 子 開 關(guān) 控 制 ，故 其 重 復(fù) 性 、 準(zhǔn) 確 性 較 高 ， 測(cè) 量 精 度 可 達(dá)1m甚 至 更 高 ， 是 現(xiàn) 代 三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 最 常用 的 測(cè) 頭 。n按 照 測(cè) 頭 電 子 開 關(guān) 機(jī) 構(gòu) 所 用 的 傳 感 器 可 以將 觸 發(fā) 式 測(cè) 頭 分 為 電 觸 式 測(cè) 頭 、 壓 電 式 開關(guān) 測(cè) 頭 、 應(yīng) 變 片 式 測(cè) 頭 。 n模 擬 式 （ 掃 描 式 ） 測(cè) 頭 在 接 觸 被 測(cè) 工 件 后 ，連 續(xù) 測(cè) 得 接 觸 位 移 ， 測(cè) 頭 的 轉(zhuǎn) 換 裝 置 輸 出與 測(cè) 桿 的 微 小 偏 移 成 正 比 的 信 號(hào) ， 該 信 號(hào)和 精 密 量 儀 的 相 應(yīng) 坐 標(biāo) 值 疊 加 便 可 得 到 被測(cè) 工 件 上 點(diǎn) 的 精 確 坐 標(biāo) 。n若 不 考 慮 測(cè) 桿 的 變 形 ， 掃 描 式 測(cè) 頭 是 各 向同 性 的 ， 故 其 精 度 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 于 觸 發(fā) 式 測(cè) 頭 。該 類 測(cè) 頭 的 缺 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 制 造 成 本 高 ，目 前 世 界 上 只 有 少 數(shù) 公 司 可 以 生 產(chǎn) 。 n三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 是 典 型 的 接 觸 式 測(cè) 量 設(shè) 備 ， 20世 紀(jì)60年 代 發(fā) 展 起 來 的 一 種 高 效 率 的 新 型 精 密 測(cè) 量 儀器 。 它 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 制 造 、 電 子 、 汽 車 和 航 空 航天 等 工 業(yè) 部 門 。 起 初 是 作 為 一 種 檢 測(cè) 儀 器 ， 對(duì) 零件 和 部 件 的 尺 寸 、 形 狀 及 相 互 位 置 進(jìn) 行 檢 測(cè) 。 此外 ， 還 可 以 用 于 劃 線 、 定 中 心 孔 、 光 刻 集 成 線 路等 ， 由 于 三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 具 有 對(duì) 連 續(xù) 曲 面 進(jìn) 行 掃 描來 制 備 數(shù) 控 加 工 程 序 的 功 能 ， 因 此 一 開 始 就 被 選為 逆 向 工 程 的 主 要 數(shù) 字 化 設(shè) 備 并 一 直 使 用 至 今 。 n三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 基 本 原 理 將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量空間，它通過感知測(cè)量頭與工件表面的接觸，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測(cè)的幾何尺寸、形狀和位置。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上裝置分度頭、回轉(zhuǎn)臺(tái)（或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)）后，系統(tǒng)具備了極坐標(biāo)（柱坐標(biāo)）系測(cè)量功能，這種具有X、Y、Z、C四軸的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)稱為四坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。按照回轉(zhuǎn)軸的數(shù)目，也可有五坐標(biāo)或六坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。 n三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 需 要 三 個(gè) 方 向 的 標(biāo) 準(zhǔn) 器 (標(biāo) 尺 )， 利用 三 個(gè) 相 互 垂 直 的 導(dǎo) 軌 實(shí) 現(xiàn) 沿 相 應(yīng) 方 向 的 運(yùn) 動(dòng) ，還 需 要 三 維 測(cè) 頭 對(duì) 被 測(cè) 物 進(jìn) 行 探 測(cè) 和 瞄 準(zhǔn) 。 此 外 ，測(cè) 量 機(jī) 還 具 有 數(shù) 據(jù) 自 動(dòng) 處 理 和 自 動(dòng) 檢 測(cè) 等 功 能 ，需 要 由 相 應(yīng) 的 電 氣 控 制 系 統(tǒng) 與 計(jì) 算 機(jī) 軟 硬 件 實(shí) 現(xiàn) 。三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 可 分 為 主 機(jī) 、 測(cè) 頭 、 電 氣 系 統(tǒng) 三 大部 分 。 n主 機(jī)n框架結(jié)構(gòu) n標(biāo)尺系統(tǒng) n導(dǎo)軌 n驅(qū)動(dòng)裝置 n平衡部件 n轉(zhuǎn)臺(tái)與附件 n三 維 測(cè) 頭 三維測(cè)頭可在三個(gè)方向上感受瞄準(zhǔn)信號(hào)和微小位移，以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)和測(cè)微兩項(xiàng)功能。主要有硬測(cè)頭、電氣測(cè)頭、光學(xué)測(cè)頭等。 n電 氣 系 統(tǒng)n電氣控制系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)硬件部分n測(cè)量機(jī)軟件n打印與繪圖裝置 n 將 三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 應(yīng) 用 在 逆 向 工 程 中 ， 測(cè) 量 可 通 過 人 工 操 作逐 點(diǎn) 測(cè) 量 ， 也 可 通 過 編 制 測(cè) 量 程 序 進(jìn) 行 測(cè) 量 規(guī) 劃 實(shí) 現(xiàn) 連 續(xù)或 間 斷 式 數(shù) 據(jù) 測(cè) 量 ， 采 集 曲 面 的 外 形 數(shù) 據(jù) 。 在 逐 點(diǎn) 式 掃 描測(cè) 量 時(shí) ， 通 常 是 將 測(cè) 頭 在 橫 向 以 等 速 或 等 間 距 逐 點(diǎn) 移 動(dòng) ，再 以 等 時(shí) 間 或 等 間 距 位 置 量 取 樣 件 在 Z軸 的 坐 標(biāo) 。 但 當(dāng) 工件 輪 廓 有 明 顯 起 伏 變 化 時(shí) ， 需 要 增 加 測(cè) 量 點(diǎn) 來 提 高 分 辨 率 ，最 簡(jiǎn) 單 的 方 式 是 取 （ X+Z） 為 常 數(shù) ， X、 Z分 別 是 橫向 和 縱 向 坐 標(biāo) 的 步 長(zhǎng) 。 當(dāng) Z變 大 時(shí) ， X變 小 ， 測(cè) 量 點(diǎn) 將更 加 密 集 。 即 當(dāng) 樣 件 斜 率 變 大 時(shí) ， 測(cè) 量 速 度 減 慢 ， 此 動(dòng) 作稱 為 速 度 跟 蹤 。 n 三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) 的 主 要 特 點(diǎn) 不 受 物 體 表 面 顏 色 及 光 照 的 限 制 ； 對(duì) 物 體 邊 界 也 能 產(chǎn) 生 較準(zhǔn) 確 的 測(cè) 量 結(jié) 果 ； 測(cè) 量 精 度 高 （ 一 般 能 達(dá) 到 u級(jí) ） ； 由 于測(cè) 頭 的 限 制 ， 可 能 丟 失 某 些 測(cè) 頭 不 可 到 達(dá) 的 細(xì) 節(jié) 數(shù) 據(jù) ； 不能 測(cè) 量 軟 材 料 物 體 ； 測(cè) 量 速 度 受 到 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 的 限 制 ； 測(cè) 量過 程 需 要 較 多 人 工 干 預(yù) ， 對(duì) 大 型 自 由 曲 面 產(chǎn) 品 的 測(cè) 量 效 率較 低 。 n 機(jī) 械 手 式 測(cè) 量 機(jī) 也 是 一 種 接 觸 式 測(cè) 量 設(shè) 備 ， 與 三 坐 標(biāo) 測(cè) 量機(jī) 相 比 沒 有 精 密 的 工 作 臺(tái) 、 立 柱 、 導(dǎo) 軌 等 裝 置 ， 機(jī) 械 手 臂為 關(guān) 節(jié) 式 機(jī) 構(gòu) ， 具 有 多 自 由 度 。 可 用 作 彈 性 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) ，傳 感 器 可 裝 置 在 其 爪 部 ， 各 關(guān) 節(jié) 的 旋 轉(zhuǎn) 角 度 可 由 旋 轉(zhuǎn) 編 碼器 獲 取 ， 由 機(jī) 構(gòu) 學(xué) 原 理 可 求 得 傳 感 器 在 空 間 的 坐 標(biāo) 位 置 。使 用 時(shí) 操 作 者 手 持 測(cè) 量 手 臂 ， 末 端 探 針 接 觸 被 測(cè) 量 物 體 表面 時(shí) 按 下 按 鈕 ， 記 錄 坐 標(biāo) 和 探 針 手 柄 方 向 ， 并 通 過 串 口 線傳 回 測(cè) 量 軟 件 。 這 種 測(cè) 量 機(jī) 幾 乎 不 受 方 向 限 制 。 可 在 工 作空 間 做 任 意 方 向 的 測(cè) 量 ， 一 般 用 于 大 型 鈑 金 模 具 件 的 逆 向工 程 測(cè) 量 。n 特 點(diǎn) ： 精 度 相 對(duì) CMM要 低 些 ， 但 測(cè) 量 范 圍 大 ， 受 被 測(cè) 物 體的 體 積 、 形 狀 等 的 限 制 較 少 ， 測(cè) 量 機(jī) 本 身 結(jié) 構(gòu) 小 巧 ， 測(cè) 量方 式 相 對(duì) 靈 活 ， 適 合 在 線 測(cè) 量 。 其 他 方 面 與 CMM相 似 。 n非 接 觸 式 測(cè) 量 主 要 運(yùn) 用 光 學(xué) 原 理 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 采 集 ，主 要 方 法 有 激 光 三 角 形 法 、 激 光 測(cè) 距 法 、 結(jié) 構(gòu)光 法 、 圖 形 分 析 法 、 干 涉 測(cè) 量 法 等 ， 光 學(xué) 測(cè) 量設(shè) 備 具 有 測(cè) 量 速 度 快 、 自 動(dòng) 化 程 度 高 等 優(yōu) 點(diǎn) ，由 于 沒 有 接 觸 壓 力 和 摩 擦 力 ， 消 除 了 樣 件 受 力變 形 導(dǎo) 致 的 測(cè) 量 誤 差 ， 非 常 適 合 對(duì) 各 種 復(fù) 雜 模型 快 速 地 進(jìn) 行 大 規(guī) 模 數(shù) 據(jù) 采 集 。 n 光 學(xué) 測(cè) 量 法 是 通 過 將 一 定 的 物 理 模 擬 量 通 過 適 當(dāng)?shù)?算 法 轉(zhuǎn) 化 為 樣 件 表 面 的 坐 標(biāo) 點(diǎn)n 激 光 測(cè) 距 法 是 將 激 光 束 的 飛 行 時(shí) 間 轉(zhuǎn) 化 為 被 測(cè) 點(diǎn)與 參 考 平 面 間 的 距 離 。n 圖 像 分 析 法 是 利 用 一 點(diǎn) 在 多 個(gè) 圖 像 中 的 相 對(duì) 位 置 ，通 過 視 差 計(jì) 算 距 離 ， 從 而 得 到 點(diǎn) 的 空 間 坐 標(biāo) 。n 激 光 三 角 形 法 利 用 光 源 與 影 像 感 應(yīng) 裝 置 （ 如 攝 像機(jī) ） 間 的 位 置 與 角 度 來 推 算 點(diǎn) 的 空 間 坐 標(biāo) 。 n 干 涉 測(cè) 量 法 的 原 理 是 由 一 個(gè) 光 源 射 出 的 一 束 光 (指 定 的 入 射 光 ) 經(jīng) 分 光 后 產(chǎn) 生 的 兩 束 光 分 別 射 向 參 考 平 面 和 目 標(biāo) 平 面 ， 反 射后 的 兩 束 光 相 互 干 涉 ， 呈 現(xiàn) 出 相 應(yīng) 的 干 涉 圖 樣 ， 通 過 分 析 指定 的 入 射 光 的 波 長(zhǎng) 與 干 涉 圖 樣 間 的 關(guān) 系 而 測(cè) 得 目 標(biāo) 平 面 與 參考 平 面 間 的 距 離 。n 結(jié) 構(gòu) 光 法 將 一 定 模 式 的 光 ， 如 條 形 光 、 柵 格 狀 光 ， 投 射 到 被測(cè) 物 體 表 面 ， 并 捕 獲 光 被 曲 面 反 射 后 的 圖 象 ， 通 過 對(duì) 比 不 同模 式 之 間 的 差 別 來 獲 取 樣 件 表 面 的 三 維 點(diǎn) 坐 標(biāo) 。 最 典 型 的 結(jié)構(gòu) 光 是 投 影 光 柵 。 其 原 理 是 把 光 柵 投 射 到 被 測(cè) 樣 件 的 表 面 上 , 光 柵 影 線 會(huì) 因 受 到 樣 件 表 面 高 度 的 調(diào) 制 而 發(fā) 生 變 形 , 通 過 解調(diào) 變 形 的 光 柵 影 線 來 確 定 樣 件 表 面 的 高 度 。 結(jié) 構(gòu) 光 法 與 圖 象分 析 法 的 主 要 不 同 是 該 方 法 需 要 投 射 具 有 一 定 模 式 的 人 工 光源 ， 這 種 方 法 中 最 典 型 的 是 莫 爾 干 涉 條 紋 法 。 光 電 檢 測(cè) 器z o x測(cè)量范圍 激光束 激光發(fā)生器聚 光 鏡 成 像 鏡成 像 鏡 n 工 作 距 離 大 ， 離 樣 件 表 面 很 遠(yuǎn) 處 也 可 對(duì) 工 件 進(jìn) 行 測(cè) 量 。n 測(cè) 量 范 圍 大 ， 大 測(cè) 量 范 圍 導(dǎo) 致 的 非 線 性 誤 差 ， 可 以 通 過標(biāo) 定 ， 利 用 軟 件 進(jìn) 行 修 正 。n 測(cè) 頭 不 與 被 測(cè) 物 體 接 觸 ， 能 對(duì) 松 軟 材 料 的 表 面 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù)采 集 ， 并 能 很 好 地 測(cè) 量 到 表 面 尖 角 、 凹 陷 等 復(fù) 雜 輪 廓 。n 數(shù) 據(jù) 采 集 速 度 很 快 ， 對(duì) 大 型 表 面 可 在 CMM或 數(shù) 控 機(jī) 床 上迅 速 完 成 數(shù) 據(jù) 采 集 ， 無 需 測(cè) 頭 補(bǔ) 償 。n 價(jià) 格 較 貴 ， 雜 散 反 射 ， 對(duì) 于 垂 直 壁 等 表 面 特 征 會(huì) 影 響 采集 精 度 。n 對(duì) 被 測(cè) 材 料 、 表 面 粗 糙 度 、 反 射 特 性 敏 感 ， 精 度 一 般 比CMM略 低 。 n 激 光 三 角 法 分 為 點(diǎn) 測(cè) 量 、 線 測(cè) 量 和 面 測(cè) 量 n 單 點(diǎn) 式 激 光 三 角 測(cè) 量 常 采 用直 射 式 和 斜 射 式 兩 種 結(jié) 構(gòu) 激 光 器 發(fā) 出 的 光 線 ， 經(jīng) 會(huì) 聚 透 鏡 2聚 焦 后垂 直 入 射 被 測(cè) 物 體 的 表 面 3上 ， 物 體 移動(dòng) 或 表 面 變 化 ， 入 射 光 點(diǎn) 沿 入 射 光 軸 移動(dòng) 。 接 受 透 鏡 接 受 來 自 入 射 點(diǎn) 出 的 散 射光 ， 并 將 其 成 像 在 光 敏 位 置 探 測(cè) 器 5敏感 面 上 ， 若 光 點(diǎn) 在 成 像 面 上 的 位 移 為 ，按 下 式 可 求 出 被 測(cè) 面 的 位 移 。 1sin cosaxx b x xx 直 射 式 斜射式是激光器發(fā)出的光和被測(cè)面的法線成一定角度入射到被測(cè)面上，同樣用一透鏡接受光點(diǎn)在被測(cè)面的散射光或反射光，若光點(diǎn)的像在探測(cè)器敏感面上移動(dòng)，則物體表面沿法線方向的移動(dòng)距離 為：x 斜 射 式 11 2 1 2cossin( ) cos( )axx b x n 采 用 線 光 源 照 明 的 三 角 傳 感 系 統(tǒng)使 用 二 維 面 陣 作 為 接 收 器 件 ， 只需 要 附 加 一 維 掃 描 就 可 以 形 成 完整 的 三 維 面 形 狀 數(shù) 據(jù) 。 以 線 光 源照 明 的 三 角 法 也 稱 光 切 法 。 激 光束 經(jīng) 柱 狀 透 鏡 擴(kuò) 束 并 準(zhǔn) 直 后 成 為一 束 很 薄 的 片 狀 光 束 投 影 到 樣 件表 面 ， 載 有 樣 件 的 平 臺(tái) 沿 給 定 坐標(biāo) 方 向 以 一 定 速 度 平 移 ， 完 成 投影 光 在 表 面 的 掃 描 ， 在 另 一 方 向上 用 面 陣 CCD光 敏 面 上 的 像 為 一曲 線 ， 計(jì) 算 該 曲 線 上 象 素 點(diǎn) 偏 離標(biāo) 準(zhǔn) 像 （ 基 準(zhǔn) 平 面 ） 的 位 置 便 可得 出 被 測(cè) 表 面 的 深 度 變 化 。 n 激 光 三 角 法 面 形 測(cè) 量 的 基 本 原 理 是 利 用 激 光在 被 測(cè) 樣 件 表 面 投 影 一 光 條 ， 由 于 被 測(cè) 表 面起 伏 極 曲 率 變 化 ， 投 影 的 光 條 隨 此 輪 廓 位 置起 伏 而 扭 曲 變 形 ， 由 CCD攝 像 機(jī) 攝 取 激 光 束影 像 ， 這 樣 就 可 由 激 光 束 的 發(fā) 射 角 度 和 激 光束 在 CCD內(nèi) 成 像 位 置 ， 通 過 三 角 幾 何 關(guān) 系 獲得 被 測(cè) 點(diǎn) 距 離 或 坐 標(biāo) 等 數(shù) 據(jù) 。 n 丹 麥 SCANTECH公 司 開 發(fā) 的 三 維 激 光 掃 描 儀 （ 3D Laser Scanner） 是 激 光 三 角 形 法 測(cè) 量 的 一 個(gè) 代 表 ，其 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 可 達(dá) 到 23000點(diǎn) /秒 的 測(cè) 量 速 度 。n 主 要 特 點(diǎn) ： 高 速 測(cè) 量 ， 短 時(shí) 間 內(nèi) 測(cè) 量 大 量 的 點(diǎn) ； 由于 是 非 接 觸 式 測(cè) 量 ， 因 此 可 以 測(cè) 量 柔 性 物 體 ； 適 合對(duì) 復(fù) 雜 自 由 曲 面 的 測(cè) 量 ； 對(duì) 表 面 粗 糙 和 表 面 漫 反 射率 敏 感 ； 精 度 一 般 比 CMM略 低 。 n 80年 代 就 被 迪 斯 尼 等 動(dòng) 畫 和 特 技 公 司 采 用 ， 用 于“ 終 結(jié) 者 II” ， “ 侏 羅 紀(jì) 公 園 ” ， “ 蝙 蝠 俠 II” ，“ 機(jī) 械 戰(zhàn) 警 ” 等 影 片 。 還 用 于 快 速 雕 塑 系 統(tǒng) 。 90年代 的 掃 描 儀 可 對(duì) 人 體 全 身 掃 描 ， 給 出 對(duì) 象 的 多 邊 形 、NURBS曲 面 、 點(diǎn) 、 Spline曲 線 方 式 描 述 ， 可 進(jìn) 行 彩色 掃 描 ， 輸 出 被 測(cè) 物 體 的 坐 標(biāo) 信 息 和 顏 色 信 息 。 掃描 速 率 可 達(dá) 1.4萬 點(diǎn) /秒 。 3030RGB型 掃 描 物 體 的 尺寸 在 30cm， 深 度 方 向 測(cè) 量 精 度 100-400 m， 用 于 動(dòng)畫 、 人 類 學(xué) 研 究 、 服 裝 設(shè) 計(jì) 等 方 面 。 n 結(jié) 構(gòu) 光 投 影 法 是 將 一 定 圖 案 的 光 投 影到 物 體 表 面 上 ， 從 而 增 強(qiáng) 物 體 表 面 各點(diǎn) 之 間 的 可 區(qū) 分 性 ， 降 低 圖 像 點(diǎn) 對(duì) 匹配 的 難 度 ， 提 高 匹 配 算 法 的 精 度 和 可靠 性 。 常 用 的 結(jié) 構(gòu) 光 圖 案 模 式 ， 包 括灰 碼 條 紋 （ Gray Code） 、 摩 爾 條 紋 、網(wǎng) 格 圖 案 、 彩 色 點(diǎn) 陣 圖 案 等 。 n 結(jié) 構(gòu) 光 投 影 雙 目 立 體 測(cè) 量 具 有 以 下 主 要 特 點(diǎn)n 一 次 可 獲 取 大 量 數(shù) 據(jù) （ 可 達(dá) 百 萬 點(diǎn) 以 上 ） ；n 由 于 是 非 接 觸 式 測(cè) 量 ， 因 此 可 以 測(cè) 量 柔 性物 體 ；n 適 合 對(duì) 復(fù) 雜 自 由 曲 面 的 高 效 率 測(cè) 量 ；n 分 析 相 對(duì) 復(fù) 雜 ；n 測(cè) 量 結(jié) 果 受 物 體 表 面 光 學(xué) 特 性 的 影 響 （ 如透 明 、 黑 色 等 情 況 下 都 會(huì) 產(chǎn) 生 問 題 ） ；n 精 度 比 接 觸 式 測(cè) 量 略 低 。 雙 目 結(jié) 構(gòu) 光 測(cè) 量 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 圖 n 德 國(guó) GOM公 司 生 產(chǎn) 的 ATOS流 動(dòng) 光 學(xué) 掃 描 儀 是 目 前 世 界 上 最先 進(jìn) 的 非 接 觸 式 三 坐 標(biāo) 掃 描 儀 之 一 ， 是 一 種 結(jié) 構(gòu) 光 測(cè) 量 設(shè)備 。 該 掃 描 系 統(tǒng) 可 將 特 定 光 柵 條 紋 于 被 測(cè) 物 體 上 ， 通 過 光柵 間 距 的 變 化 ， 借 助 兩 個(gè) 高 分 辨 率 CCD數(shù) 碼 相 機(jī) 對(duì) 光 柵 干涉 條 紋 進(jìn) 行 拍 照 ， 經(jīng) 過 數(shù) 碼 影 像 分 析 和 基 于 光 學(xué) 原 理 計(jì) 算 ，求 得 實(shí) 物 表 面 三 維 坐 標(biāo) 數(shù) 據(jù) ， 可 在 極 短 時(shí) 間 內(nèi) 獲 得 復(fù) 雜 工作 表 面 的 完 整 點(diǎn) 云 ， 實(shí) 現(xiàn) 三 維 掃 描 高 速 化 。 n ATOS II在 距 被 測(cè) 物 體 約 700 mm處 高 速 攝 取 實(shí) 物 表 面 數(shù) 據(jù) ，一 次 測(cè) 量 的 有 效 測(cè) 量 區(qū) 域 為 280 350mm， 獲 得 的 掃 描 點(diǎn)數(shù) 最 大 可 達(dá) 一 百 三 十 萬 個(gè) 點(diǎn) 。n 由 于 一 次 測(cè) 量 的 范 圍 有 限 ， 多 角 度 測(cè) 量 然 后 拼 合 到 一 個(gè)共 同 的 坐 標(biāo) 系 下 ， 從 而 得 到 一 個(gè) 完 整 的 測(cè) 量 模 型 。 兩 次測(cè) 量 中 設(shè) 置 共 同 可 見 的 至 少 三 個(gè) 參 考 點(diǎn) 來 實(shí) 現(xiàn) 的 。n 單 次 測(cè) 量 精 度 可 達(dá) ， 多 視 角 測(cè) 量 的 拼 合 測(cè) 量 精 度為 。 0.03mm0.1mm/m n 一 般 來 說 ， 用 光 學(xué) 測(cè) 量 法 對(duì) 某 個(gè) 表 面 進(jìn) 行 一 次 數(shù) 據(jù) 采 集 往往 只 需 數(shù) 秒 時(shí) 間 ， 但 是 為 了 能 夠 比 較 完 整 和 準(zhǔn) 確 地 得 到 該表 面 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) ， 通 常 需 要 花 費(fèi) 大 量 的 時(shí) 間 用 于 確 定 測(cè) 頭 位置 和 測(cè) 量 角 度 。 因 此 ， 在 測(cè) 量 之 前 或 測(cè) 量 過 程 中 ， 根 據(jù) 實(shí)物 樣 件 的 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 制 定 測(cè) 量 方 案 ， 用 盡 可 能 少 的 測(cè) 量 次 數(shù)獲 取 滿 足 模 型 重 建 所 需 的 數(shù) 據(jù) ， 不 僅 可 以 有 效 減 少 數(shù) 據(jù) 測(cè)量 和 預(yù) 處 理 的 工 作 量 ， 而 且 在 某 種 程 度 上 可 以 提 高 測(cè) 量 數(shù)據(jù) 的 整 體 精 度 。 下 面 從 以 下 幾 個(gè) 方 面 討 論 在 使 用 ATOS II光 學(xué) 測(cè) 量 機(jī) 進(jìn) 行 測(cè) 量 時(shí) 應(yīng) 該 注 意 的 問 題 以 及 需 要 采 用 的 原則 。 n 實(shí) 物 表 面 噴 涂 由 于 部 分 深 色 零 件 表 面 對(duì) 光 的 吸 收 能 力 較 強(qiáng) ，因 此 不 利 于 采 用 光 學(xué) 三 角 定 理 進(jìn) 行 測(cè) 量 ， 為 此 要 對(duì) 這 些 零件 進(jìn) 行 表 面 白 色 噴 涂 處 理 。 選 擇 噴 涂 材 料 時(shí) 需 要 保 證 涂 層在 測(cè) 量 后 容 易 清 洗 （ 如 選 擇 工 業(yè) 探 傷 劑 ） ， 在 噴 涂 過 程 中盡 可 能 使 涂 層 薄 而 均 勻 ， 既 可 以 達(dá) 到 加 強(qiáng) 反 光 的 效 果 ， 又不 至 于 對(duì) 測(cè) 量 精 度 造 成 很 大 的 影 響 。n 待 測(cè) 實(shí) 物 定 位 分 析 待 測(cè) 實(shí) 物 零 件 不 同 部 位 的 可 測(cè) 性 ， 然 后按 照 可 測(cè) 性 將 待 測(cè) 實(shí) 物 零 件 的 特 征 進(jìn) 行 分 組 ， 以 測(cè) 頭 和 實(shí)物 零 件 定 位 是 否 方 便 和 牢 靠 為 基 礎(chǔ) 選 擇 較 好 的 定 位 基 準(zhǔn)（ 必 要 時(shí) 使 用 橡 皮 泥 在 零 件 實(shí) 物 的 背 面 進(jìn) 行 定 位 ） ， 從 而減 少 改 變 測(cè) 頭 位 置 、 角 度 和 待 測(cè) 實(shí) 物 零 件 的 定 位 方 式 的 次數(shù) ， 提 高 測(cè) 量 效 率 并 有 效 提 高 主 要 待 測(cè) 表 面 的 測(cè) 量 精 度 。 n 多 視 測(cè) 量 準(zhǔn) 備 為 了 實(shí) 現(xiàn) 將 從 不 同 視 角 下 測(cè) 得 的 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 到一 個(gè) 統(tǒng) 一 的 坐 標(biāo) 系 下 ， 以 生 成 完 整 的 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 模 型 ， 一 般 可以 采 用 標(biāo) 簽 定 位 法 以 實(shí) 現(xiàn) 多 個(gè) 視 圖 的 粗 定 位 。 （ Tritop照相 拍 攝 系 統(tǒng) ）n 整 體 到 部 分 原 則 ， 按 照 從 整 體 到 部 分 的 原 則 對(duì) 同 一 個(gè) 零 件的 不 同 部 位 合 理 采 用 適 當(dāng) 的 標(biāo) 定 精 度 進(jìn) 行 測(cè) 量 。 可 以 將 測(cè)量 數(shù) 據(jù) 劃 分 為 主 要 視 圖 、 細(xì) 節(jié) 視 圖 和 補(bǔ) 充 視 圖 ， 其 中 主 要視 圖 是 指 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 較 多 且 從 某 個(gè) 角 度 可 以 反 映 待 測(cè) 實(shí) 物 零件 整 體 形 狀 的 視 圖 ； 細(xì) 節(jié) 視 圖 指 的 是 針 對(duì) 待 測(cè) 實(shí) 物 零 件 的某 些 局 部 細(xì) 節(jié) 特 征 測(cè) 量 所 得 到 的 數(shù) 據(jù) ， 這 些 數(shù) 據(jù) 主 要 用 于細(xì) 節(jié) 部 位 的 特 征 重 建 ； 補(bǔ) 充 視 圖 是 指 對(duì) 模 型 重 建 無 關(guān) 緊 要的 數(shù) 據(jù) ， 這 部 分 數(shù) 據(jù) 原 則 上 不 參 與 模 型 的 重 建 ， 但 是 可 以用 來 檢 驗(yàn) 多 視 拼 合 的 結(jié) 果 以 及 校 驗(yàn) 模 型 重 建 的 精 度 。 n 光 線 方 向 盡 可 能 使 光 線 照 射 方 向 和 結(jié) 構(gòu) 類 零 件 主 要 待 測(cè) 表面 垂 直 ， 盡 可 能 保 證 光 線 掃 描 方 向 和 主 要 待 測(cè) 棱 邊 垂 直 。n 單 面 測(cè) 量 由 于 薄 板 類 零 件 的 模 型 重 建 可 以 通 過 單 面 曲 面 重建 后 利 用 加 厚 等 方 法 來 創(chuàng) 建 實(shí) 體 模 型 ， 因 此 對(duì) 于 飛 機(jī) 鈑 金件 等 薄 板 類 零 件 的 測(cè) 量 一 般 只 需 要 進(jìn) 行 單 面 測(cè) 量 ， 必 要 時(shí)有 選 擇 性 地 測(cè) 量 另 外 一 面 的 部 分 數(shù) 據(jù) 用 于 判 斷 應(yīng) 該 向 哪 一側(cè) 加 厚 、 加 厚 厚 度 的 確 定 以 及 后 續(xù) 模 型 重 建 后 的 精 度 校 驗(yàn)等 。 使 用 單 面 測(cè) 量 策 略 不 僅 減 少 了 測(cè) 量 和 拼 合 次 數(shù) ， 而 且測(cè) 得 的 數(shù) 據(jù) 比 雙 面 測(cè) 量 的 數(shù) 據(jù) 更 容 易 實(shí) 現(xiàn) 分 塊 。 n 深 孔 測(cè) 量 在 對(duì) 深 孔 進(jìn) 行 測(cè) 量 時(shí) ， 通 常 無 法 獲 取 完 整 的 孔 側(cè)面 的 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) ， 這 時(shí) 也 需 要 在 孔 周 圍 和 孔 底 部 （ 指 盲 孔 ） 測(cè)量 足 夠 多 的 關(guān) 鍵 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) ， 以 便 在 模 型 重 建 時(shí) 有 足 夠 的 信 息進(jìn) 行 孔 定 位 、 孔 徑 計(jì) 算 和 深 度 估 計(jì) 等 。n 裝 配 件 的 測(cè) 量 在 裝 配 件 拆 卸 前 應(yīng) 采 集 盡 可 能 多 的 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) ，并 考 慮 裝 配 件 中 不 同 零 件 之 間 的 裝 配 關(guān) 系 的 提 取 （ 如 裝 配件 內(nèi) 部 零 件 之 間 貼 合 面 以 及 分 界 線 的 測(cè) 量 等 ） ， 然 后 盡 量在 不 重 新 定 位 的 原 則 下 ， 逐 步 拆 卸 覆 蓋 在 外 部 的 零 件 進(jìn) 行內(nèi) 部 零 件 的 測(cè) 量 ， 對(duì) 于 必 須 重 新 定 位 的 情 況 ， 需 要 在 裝 配件 未 拆 卸 之 前 記 錄 該 零 件 的 相 對(duì) 位 置 ， 從 而 在 后 續(xù) 模 型 重建 過 程 中 考 慮 到 零 件 之 間 的 裝 配 約 束 關(guān) 系 。 大 型 物 體 測(cè) 量 方 案 CCD相 機(jī) 測(cè) 量 /建 模 軟 件 圖 象 分 析 /多 視 圖 幾 何 特 征 點(diǎn) 線 數(shù) 據(jù) /全 局 定 位 數(shù) 據(jù)表 面 點(diǎn) 云數(shù) 據(jù) 圖 象 抓 取 及非 結(jié) 構(gòu) 光 投 射控 制 單 元雙 目 立 體成 像 分 析投 影裝 置 自 由 拍 攝 光 學(xué) 鏡 頭/CCD2被 測(cè) 物 體光 學(xué) 鏡 頭/CCD1 定 位 測(cè) 量表 面 測(cè) 量 n 以 上 介 紹 的 測(cè) 量 方 法 ， 通 常 只 能 測(cè) 量 物 體外 表 面 的 幾 何 形 狀 ， 而 無 法 采 集 內(nèi) 部 或 隱形 結(jié) 構(gòu) 表 面 的 點(diǎn) 云 數(shù) 據(jù) ， 對(duì) 既 具 有 復(fù) 雜 外形 、 又 具 有 復(fù) 雜 內(nèi) 部 形 腔 和 隱 形 結(jié) 構(gòu) 的 成形 件 的 測(cè) 量 上 述 方 法 就 不 適 合 。 能 夠 同 時(shí)測(cè) 量 物 體 外 表 面 和 內(nèi) 部 空 腔 幾 何 形 狀 的 測(cè)量 設(shè) 備 我 們 通 稱 為 內(nèi) 窺 測(cè) 量 系 統(tǒng) 。 常 見 的內(nèi) 窺 測(cè) 量 系 統(tǒng) 主 要 有 自 動(dòng) 斷 層 掃 描 儀 和 工業(yè) CT。 n 采 用 逐 層 去 除 材 料 與 逐 層 掃 描 相 結(jié) 合 的 方 法 獲 得 模 型 的 內(nèi)外 輪 廓 數(shù) 據(jù) 。 首 先 將 待 測(cè) 零 件 用 專 用 樹 脂 材 料 （ 填 充 石 墨粉 或 顏 料 ） 完 全 封 裝 ， 待 樹 脂 固 化 后 ， 固 定 到 銑 床 上 ， 進(jìn)行 微 吃 刀 量 切 削 ， 得 到 包 含 零 件 和 樹 脂 材 料 的 截 面 ， 移 到CCD攝 像 機(jī) 下 ， 對(duì) 當(dāng) 前 截 面 進(jìn) 行 數(shù) 字 化 采 樣 ， 由 于 封 裝 材料 與 零 件 存 在 明 顯 邊 界 ， 利 用 濾 波 、 邊 緣 提 取 、 紋 理 分 析 、二 值 化 等 數(shù) 字 圖 像 處 理 技 術(shù) 進(jìn) 行 邊 界 輪 廓 提 取 ， 得 到 輪 廓的 坐 標(biāo) 值 。 重 復(fù) 到 銑 床 上 切 削 一 個(gè) 片 層 、 再 分 析 截 面 圖 像 ，直 至 得 到 模 型 各 截 面 的 坐 標(biāo) 數(shù) 據(jù) 。n 相 對(duì) 工 業(yè) CT， 自 動(dòng) 斷 層 掃 描 儀 的 設(shè) 備 費(fèi) 用 和 運(yùn) 行 費(fèi) 用 更 低 。由 于 基 于 像 素 提 取 ， 每 層 內(nèi) 測(cè) 得 的 數(shù) 據(jù) 量 也 較 大 。 自 動(dòng) 斷層 掃 描 系 統(tǒng) 的 明 顯 缺 點(diǎn) 是 要 破 壞 被 測(cè) 物 體 。 市 場(chǎng) 上 比 較 成熟 的 自 動(dòng) 斷 層 掃 描 儀 有 美 國(guó) CGI公 司 的 RE1000。 n 工 業(yè) 計(jì) 算 機(jī) 斷 層 掃 描 成 像 （ ICT， Industrial Computer Tomograph） 技 術(shù) 則 提 供 了 一 種 無 損 地 再 現(xiàn) 物 體 內(nèi) 、 外 部復(fù) 雜 結(jié) 構(gòu) 及 其 材 質(zhì) 形 態(tài) 的 數(shù) 字 層 析 技 術(shù) 。 ICT是 對(duì) 實(shí) 物 樣件 經(jīng) 過 ICT層 析 掃 描 后 ， 獲 得 一 系 列 斷 面 圖 像 切 片 和 數(shù) 據(jù) ，這 些 切 片 和 數(shù) 據(jù) 提 供 了 工 件 截 面 輪 廓 及 其 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 的 完 整信 息 。 ICT技 術(shù) 是 醫(yī) 學(xué) CT獲 得 成 功 應(yīng) 用 之 后 向 工 業(yè) 界 的 拓廣 和 延 伸 。 ICT可 對(duì) 各 種 復(fù) 雜 結(jié) 構(gòu) 的 大 、 中 、 小 型 成 形 件實(shí) 施 反 求 建 模 及 質(zhì) 量 控 制 ， 也 可 用 于 技 術(shù) 破 譯 和 產(chǎn) 品 故 障 、可 靠 性 無 損 診 斷 、 裝 配 結(jié) 構(gòu) 分 析 等 。