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1、南京理工大学工业设计工程基础工业设计工程基础第七章 反求工程基础产品制造基础引 言INTRODUCTION反求工程技术是解决在既有设计对象的模型和实物模型的基础上，逆向获取设计对象的设计参数和设计模型的技术和方法，特别是在现代基于数字化的工业设计，反求工程是解决某些设计对象最适合的方法。产品制造基础目目 录录 7.1 反求工程概念7.2 实体数据测量与反求 7.3 产品三维CAD模型的重建与后处理7.4 反求工程在工业设计中的作用产品制造基础7.1 7.1 反求工程概念反求工程概念7.1.1 反求工程含义7.1.27.1.2 反求工程起源7.1.3 7.1.3 反求工程的设计程序反求工程的设计
2、程序7.1.47.1.4 反求工程的关键技术7.1.5 7.1.5 反求工程的应用领域反求工程的应用领域产品制造基础7.1.1 7.1.1 反求工程含义反求工程含义以已有产品为基础，进行消化、吸收并加以创新改进，使之成为新产品的产品开发模式，即为反求工程(Reverse Engineering)。反求工程也是一项涉及多学科、多种技术交叉的综合工程。在机械领域中，反求工程是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，应用反求工程消化吸收先进技术
3、经验，给人们有益的启示。其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。产品制造基础工业设计与反求工程工业设计与反求工程工业设计是解决工业产品中“人与物”关系问题的创造性学科，研究产品的使用方法设计、使用功能设计、外观造型设计、色彩设计、操作指示及表面装饰设计等。工业设计分类：视觉传达设计、产品设计、环境设计现行设计条件困扰：零件形状复杂，用CAD准确造型困难；造型设计大师用手绘或手工捏塑的设计方案难以用电脑在现；在没有图样和参数的情况下需要用实物仿制、再设计和改进，特别是复杂曲面；计算机模型不能提供产品的全部信息，如手感；计算机模型智能模拟我们已知的环境，也需要检验。产品制造基础反
4、求工程定义反求工程定义反求工程，也称逆向工程、反向工程等，是近几年来迅速发展的一门工程技术它集光学、电子、自动控制、机械、计算机视觉和数字图象处理等高新技术为一体。以产品的实物、软件（图纸、程序、技术文件和工艺流程等）、影象（图片、照片）作为研究对象，应用现代设计理论、生产工程学、材料科学和相关专业知识进行深入系统地分析和研究，进而开发出同类的产品。广义的产品反求工程包括形状（几何）反求、工艺反求和材料反求等狭义的实物反求工程：由于产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，发展成为一个相对独立的领域
5、。产品制造基础反求工程流程反求工程流程正向设计：市场调研、设计要求正向设计：市场调研、设计要求设计设计制造制造产品产品反求工程：已有产品信息反求工程：已有产品信息消化、理解、再创新消化、理解、再创新新产品新产品产品制造基础产品制造基础在设计阶段，就是根据产品特性模型，开始按功能、几何、结构、工艺等观点进行产品的造型设计。不同的产品规划，导致了不同的产品设计方法。通常全新产品的设计就是通常意义的设计，也称为正向设计。而随着目前产品开发周期的缩短和多品种、小批量生产模式使新产品的更新换代越来越短，改进往往只是将已经有的产品设计方案作局部的或布局方面的较小的改动使之呈现出美观、多样化的特点。反求工程
6、技术作为产品设计制造系统的一个有机补充部分，在新品开发及改型设计中应运而生。目前逆向设计已经成为产品开发中的一个重要的方法。7.1.2 7.1.2 反求工程起源反求工程起源产品制造基础实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。二次大战中，几十个国家卷入战祸，二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60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，四代占领国际市场”其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别
7、国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计（Inverse Design）或反求工程（InverseEngineering），这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。产品制造基础先进产品通常是采用先进的设计手段和工具设计的。先进产品通常是采用先进的设计手段和工具设计的。先进的设计理论和设计方法是先进产品设计的理论基先进的设计理论和设计方法是先进产品设计的理论基础，而先进的设计手段和工具则是先进产品设计的实础，而先进的设计手段和工具则是先进产品设计的
8、实践技术。践技术。在进行反求工程分析的过程中，除了要求工程技术人在进行反求工程分析的过程中，除了要求工程技术人员要具有基础理论（如数学，力学等）和有关专业的员要具有基础理论（如数学，力学等）和有关专业的理论和知识外，还要求具有系统工程、价值工程、优理论和知识外，还要求具有系统工程、价值工程、优化设计、工业造型、相似理论、人机工程学等现代设化设计、工业造型、相似理论、人机工程学等现代设计理论和方法，并且还要求工程技术人员及时地跟踪计理论和方法，并且还要求工程技术人员及时地跟踪有关产品的技术发展动向，能准确地把握住该类产品有关产品的技术发展动向，能准确地把握住该类产品在设计、生产制造过程中的关键技
9、术，以求达到对研在设计、生产制造过程中的关键技术，以求达到对研究对象的全面的分析、研究。究对象的全面的分析、研究。产品制造基础2007年9月11-23日，以“科技和绿色”为主题的法兰克福车展盛装开幕，双环CEO展出而双环小贵族而未参展，立刻成为中外媒体关注的焦点(石家庄双环汽车股份有限公司)。法兰克福车展开幕前起诉了该车的进口商（双环小贵族被指抄袭法兰克福车展开幕前起诉了该车的进口商（双环小贵族被指抄袭Smart Smart）法兰克福车展后，宝马起诉了该车的进口商（双环法兰克福车展后，宝马起诉了该车的进口商（双环CEOCEO被指抄袭宝马被指抄袭宝马X5 X5）8 8月月2828日来华访问的德国
10、总理默克尔在中国科学院演讲时表示：日来华访问的德国总理默克尔在中国科学院演讲时表示：“如果一如果一辆酷似辆酷似SmartSmart的轿车突然出现在你面前，但它其实并不是的轿车突然出现在你面前，但它其实并不是SmartSmart，而是通过不，而是通过不完全合法的手段生产出来的抄袭车款，这非常不好。完全合法的手段生产出来的抄袭车款，这非常不好。”默克尔表示，德国将默克尔表示，德国将公开提出这种剽窃和盗版的问题，她认为这种抄袭行为不仅损害了外国公司公开提出这种剽窃和盗版的问题，她认为这种抄袭行为不仅损害了外国公司的利益，而且也会损伤中国汽车的独创性。的利益，而且也会损伤中国汽车的独创性。被正在中国访
11、问的客人当面发出抗议及警告，无疑是在国人脸上打了一被正在中国访问的客人当面发出抗议及警告，无疑是在国人脸上打了一巴掌，尽管现在我们仍无法确定双环究竟是模仿还是抄袭。巴掌，尽管现在我们仍无法确定双环究竟是模仿还是抄袭。2004/12/17 2004/12/17 奇瑞奇瑞QQQQ并不是抄袭并不是抄袭通用通用SPARKSPARK 产品制造基础戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒公司则认为双环小贵族迷你车的外观设克莱斯勒公司则认为双环小贵族迷你车的外观设计与其计与其Smart FortwoSmart Fortwo的相似，并在法兰克福车展开幕前的相似，并在法兰克福车展开幕前起诉了该车的进口商，并称，可能是起诉导致了小
12、贵族起诉了该车的进口商，并称，可能是起诉导致了小贵族没能在车展展出。不告诉你谁是谁，你分辨得出哪是小没能在车展展出。不告诉你谁是谁，你分辨得出哪是小贵族，哪是贵族，哪是Smart FortwoSmart Fortwo吗？吗？产品制造基础双环双环CEO CEO 宝马宝马X X5 5 http:/ 产品制造基础国家专利局的25项专利无疑为提供了一道天然屏障。模仿并非坏事。鲁迅先生曾说：“世上本无路，走的人多了，也便成了路。”第一个探路的人当然是英雄，可紧接着模仿前者而跟进的，何尝不是好汉？钱钟书所说的“模仿引进创造，附庸风雅会养成内行的鉴赏，世界上不少真货色都是从冒牌起来的”。在中国民族自主品牌的
13、发展道路上，暂时的模仿只是一种表象；而不断的寻求突破和超越创新才是灵魂。但如何进行反求？但如何进行反求？产品制造基础7.1.3 7.1.3 反求工程的设计程序反求工程的设计程序 （l）确定反求对象（2）分析反求对象（3）进行反求设计产品制造基础7.1.3.1 7.1.3.1 7.1.3.1 7.1.3.1 反求工程技术的研究对象反求工程技术的研究对象反求工程技术的研究对象反求工程技术的研究对象反求工程技术的研究对象多种多样，所包含的内容也比较多，主要可以分为以下三大类：实实物反求：物反求：主要是指先进产品设备的实物本身；信息源为产品实物模型，应用最广；软软件件反反求求：包括先进产品设备的图样、
14、程序、技术文件等；信息源为产品工程图样、数控程序、技术文件等技术软件；影影像像反反求求：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料；信息源为图片、照片或影像等资料。产品制造基础反求工程影响因素反求工程影响因素实现影响因素信息源的形式反求对象的形状、结构和精度要求制造企业的软、硬件条件及工程技术人员本身的素质产品制造基础7.1.3.2 7.1.3.2 7.1.3.2 7.1.3.2 对反求对象分析对反求对象分析对反求对象分析对反求对象分析从功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺等有全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术，对设计特点和不足之处作出必要的评估。在对反求对象的
15、各种分析中，功能及原理方案是关键。设计指导思想、功能原理方案分析材料的分析工艺、装配分析精度的分析造型的分析系列化、模块化分析产品制造基础设计指导思想、功能原理方案分析设计指导思想、功能原理方案分析设计指导思想、功能原理方案分析设计指导思想、功能原理方案分析要分析一个产品，首先要从产品的设计指导思想分要分析一个产品，首先要从产品的设计指导思想分析入手。产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，析入手。产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。品设计的前提。充分了解反求对象的功能有助于对产品
16、原理方案的充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，才有可能在进行反求设计时得到基分析、理解和掌握，才有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案，这才是反求工程于原产品而又高于原产品的原理方案，这才是反求工程技术的精髓所在。技术的精髓所在。产品制造基础材料的分析材料的分析材料的分析材料的分析对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分。其中，常用的材料成分分析方法有：钢种的火花鉴别法，钢种听音鉴别法，原子发射光谱分析法，红外光谱分析法和化学分析微探针分析技术等；材料的结构分析主要是分析研究材料的组织结构、晶体缺陷及相
17、之间的位相关系，可分为宏观组织分析和微观组织分析；性能检测主要是检测其力学性能和磁、电、声、光、热等物理性能。反求对象材料分析的一般过程如图所示。在对反求对象进行材料分析时，要充分考虑到材料表面的改性处理技术。产品制造基础制造工艺、装配分析制造工艺、装配分析制造工艺、装配分析制造工艺、装配分析反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术诀窍的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法：l）采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向
18、前递推加工工序，编制工艺规程。2）改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。对反求对象进行装配分析主要是考虑用什么装配工艺来保证性能要求、能否将原产品的若干个零件组合成一个部件及如何提高装配速度等等。3）用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，就是需求的工艺参数。4）材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平。
19、由于材料对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求时，可以使用国产化材料，以适应目前的工艺水平。产品制造基础精度的分析精度的分析精度的分析精度的分析产品的精度直接影响到产品的性能，对反求分析的产品进行精度分析，是反求分析的重要组成部分。反求对象精度的分析包括了反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。根据反求对象为实物、影象或软件的不同，在形体尺寸的确定时，所选用的方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备如万能量具、投影仪、坐标机等对产品直接进行测量，以确定形体尺寸；若是软件反求和影象反求，则可采用参照物对
20、比法，利用透视成像的原理和作图技术并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体尺寸。产品制造基础在进行精度的分配时，根据产品的精度指标及总的技术条件，产品的工作原理图，并且综合考虑生产的技术水平、产品生产的经济性和国家技术标准等，按以下步骤进行：1）明确产品的精度指标；2）综合考虑理论误差和原理误差，进行产品工作原理设计和安排总体布局；3）在完成草图设计后，找出全部的误差源，进行总的精度计算；4）编写技术设计说明书，确定精度；5）在产品的研制、生产的全过程中，根据实际的生产情况，对所作的精度分配进行调整、修改。产品制造基础造型的分析造型的分析造型的分析造型的分析产品造型设计是产品设
21、计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形构型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。例如，在数控系统的设计中，就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题，图形显示和汉字显示问题，数控系统操作面板的造型问题、色彩问题，各个功能操作按键的造型、色彩、布局问题等等。产品制造基础系列化、模块化分析系列化、模块化分析系列化、模块化分析系列化、模块化分析分析反求对象时，要做到思路开阔，要考虑到所引进的产品是否已经系列化了，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使在设计制造时少走弯路，提
22、高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，提高产品的市场竞争力。产品制造基础从设计角度而言，反求工程的研究内容主要包括以下几个部分：1）分析所引进产品的设计指导思想；2）功能和原理方案分析；3）结构分析；4）形体尺寸分析；5）精度分析；6）材料分析；7）工作性能分析；8）造型设计分析；9）工艺分析；10）使用和维修分析；11）包装技术分析。反求工程的研究内容反求工程的研究内容产品制造基础 在反求分析的基础上可进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发性设计。7.1.3.3 7.1.3.3 7.1.3.3 7.1.3.3 进行反求设计进行反求设计进行反求设计进行反求设计产品制
23、造基础产品制造基础实物反求工程系统实物反求工程系统对象：以产品的实物、软件(图纸、程序、技术文件和工艺流程等)、影象(图片、照片)作为研究对象，通过分析和研究，进而开发出同类的产品。实物反求工程：由于产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，发展成为一个相对独立的领域。以产品的实物等作为研究对象，通过各种测量方法获得产品的数据，然后通过重建产品CAD模型来实现产品的设计，然后通过改进的产品CAD模型的样品制造，进行测试的过程；是数字化测量方法、几何模型重建技术和原型产品制造技术的总称，是将已有产品或
24、实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。产品制造基础 （1）数据获取技术 零件原形的数字化：通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。从测量数据中提取零件原形的几何特征：按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。零件原形CAD模型的重建：将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。重建CAD模型的检验与修正：采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否
25、满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 反求工程的关键技术反求工程的关键技术反求工程的关键技术反求工程的关键技术产品制造基础（2 2）产品建模技术）产品建模技术当零件原形数字化后形成一系列的空间离散点，生成原形的CAD模型就是要在这些离散点的基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术，构造零件原形的CAD模型。通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的，一般首先按照原形所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，各个区域分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法
26、将不同的曲面连接起来构成一个体。有效的三维测量数据分割和拟合技术是反求工程中重要内容。7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 反求工程的关键技术反求工程的关键技术反求工程的关键技术反求工程的关键技术产品制造基础（1）在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。（2）当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。比如航天航空领域，建立符合对空气动力学的要求（如风洞实验等）的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验
27、模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。（3）在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。（4）另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等。7.1.5 7.1.5 7.1.5 7.1.5 反求工程的应用领域反求工程的应用领域反求工程的应用领域反求工程的应用领域产品制造基础应用场合应用场合工业休闲娱乐方面（恐龙）医学科技（人体量测、三军医大）在对产品外形的美学有特殊要求的流线型产品 当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时（风洞实验）在没有设计图纸或
28、者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下 反求工程在创新设计上同样具有相当高的应用价值（目前的汽车摩托车）修复破损的文物（北京故宫）、艺术品，艺术浮雕及或缺乏供应的损坏零件等、特种服装、头盔等产品制造基础目目 录录 7.1 反求工程概念7.2 实体数据测量与反求 7.3 产品三维CAD模型的重建与后处理7.4 反求工程在工业设计中的作用产品制造基础7.2 7.2 实体数据测量与反求实体数据测量与反求7.2.1 7.2.1 实体数据测量方法实体数据测量方法7.2.27.2.2 测量数据类型7.2.3 7.2.3 测量数据预处理测量数据预处理产品制造基础7.2.1 7.2.1 实体数据测量方法实
29、体数据测量方法实体数据测量方法实体数据测量方法,又称产品表面数字化（数据测量）、反又称产品表面数字化（数据测量）、反又称产品表面数字化（数据测量）、反又称产品表面数字化（数据测量）、反求工程数字化方法，是指通过特定的测量设备和测量方法，求工程数字化方法，是指通过特定的测量设备和测量方法，求工程数字化方法，是指通过特定的测量设备和测量方法，求工程数字化方法，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。高效、高将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。高效、高将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。高效、高将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。高效、高
30、精度的数据采集是反求工程中最基本、最不可缺少的步骤。精度的数据采集是反求工程中最基本、最不可缺少的步骤。精度的数据采集是反求工程中最基本、最不可缺少的步骤。精度的数据采集是反求工程中最基本、最不可缺少的步骤。近十年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视近十年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的产品表面的几何数觉等相关技术的发展，出现了各种各样的产品表面的几何数据数字化获取方法。不同的测量方式，不但决定了测量本身据数字化获取方法。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理的精度、速度和经济性，还造成
31、了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，反求工程方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，反求工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式。非接触式按其原理不同，又可分为光学式触式与非接触式。非接触式按其原理不同，又可分为光学式和非光学式等。和非光学式等。产品制造基础实体数据测量方法分类图实体数据测量方法分类图产品制造基础实体数据测量方法分类实体数据测量方法分类根据测量探头是否和零件表面接触：接触式：触发式和连续式 非接触式：光学式：三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射
32、法等 主动式：由物体辐射信号或物体表面反射信号生成图像，成像设备不发出信号。测量方法有时间飞行法、相位测量法、结构光法和数字全息法等，被动式：由成像设备发出一束信号，通过接收从物体表面反射回来的或穿透物体的信号生成图像。测量方法有双眼立体视觉法和多眼立体视觉法等。非光学式：CT测量法、MRI测量法、超声波法、层析法等 产品制造基础7.2.1.1 7.2.1.1 接触式测量方法接触式测量方法接触式测量探头种类：硬式探头、触发式探头、模拟探头硬式探头（刚性探头）：最早使用的探头，通过手动探头接触工件表面，由人眼及感觉作判断，再利用脚踏开关触发，将此点坐标传送到处理器触发式探头：利用电子开关机构，当
33、探头碰触到工件表面，则电子开关机构产生开关变化，将电子信号由NO转成OFF即将此时坐标锁住并送到处理器作处理模拟式探头：接触工件时会右侧向位移，经可变线圈感应或光栅尺感应，产生一相对的电压变化，此模拟电压信号转换成数字信号送入处理器。这种方式称为模拟式测量。使用模拟式探头时须保持与工件接触，但位移量超过探头测量范围时，须控制机台的移动使探头回到其测量范围内。因模拟式测量为连续测量，无绝对坐标，故不能中途离开工件表面。这种测量适用于曲率平滑的曲面，不适用曲率大的工件表面。这种探头常用于CNC工具机做CNC和CMM线上检测。产品制造基础接触式测量机接触式测量机 工作方式工作方式：点触发，连续或间断
34、式数据采集：点触发，连续或间断式数据采集特特点点：不不受受物物体体表表面面颜颜色色及及光光照照的的限限制制，对对物物体体边边界界也也能产生准确的测量结果能产生准确的测量结果缺缺点点：由由于于测测头头的的限限制制，可可能能丢丢失失某某些些测测头头不不可可到到达达的的细节数据细节数据不能测量软材料不能测量软材料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产品制造基础三坐标测量机三坐标测量机CMMCMM在接触式测量方法中，三坐标测量机(CMM)是应用最为广泛的一种测量设备。三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）是20世纪60年代发展起来的一种高效率的
35、新型精密测量仪器，是一种具有很强柔性的大型精密三坐标测量设备。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中，是一类使用得最为广泛和可靠的测量和检测设备。三坐标测量机的原理将被测物体置于三坐标机的测量空间，采用触式探头感应物体表面，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。相对与光学测量，由于探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。接触式探头发展相当成熟，有较高的准确性和可靠性。产品制造基础CMMCMM系统组成系统组成计算机计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设控制零件程序的执行和进行结果处理，实现
36、与外设的通讯的通讯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，控制测量机运动测量机机体测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机产品制造基础三坐标测量机（三坐标测量机（CMMCMM）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，测头为宝石意大利意大利COORD3公司半桥式公司半桥式CMM测量机测量机产品制造基础机械手式测量机机械手式测量机 测量方法测量方法：操作者手持测量手臂，末：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下端探针接触被测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，按钮，记录坐标和探
37、针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上通过串口线传到各种软件包上FaroARM手动式手动式 精度低，范围大精度低，范围大Cimcore手动式手动式产品制造基础然而接触式测量有一些缺点，如在对三维曲面的测量探头与被测零件间的接触点与球心不在一个位置，而CMM记录为探头的球心数据，必须沿法线负方向补正一个探头半径值。由于曲面每一点的法线方向多变而且曲面形状未知，准确补偿烦琐并存在一定误差。总的来讲接触测量方法具有精度高、重复性好等优点，其缺点是：速度慢、效率低、不适于柔软实物的测量，在曲面测量中补偿还有待进一步研究。产品制造基础7.2.1.2 7.2.1.2 光学测量方法光学测量方法随着计算机及光
38、电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的无接触式测量技术正在迅速发展，它们利用声、光、电、磁等能与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息。其中光学方法应用最为广泛。光学方法虽然对陡壁和透光模型数据采集困难，而且价格昂贵，但测量效率非常高，采集的数据就是实际的表面坐标值，不需要三维补偿，应用日益广泛。特点：高速测量，短时间内测量大量的点特点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点：对表面粗糙和表面漫反射率敏感（如透明、高光）缺点：对表面粗糙和表面漫反射率敏感（如透明、高光）产品制造基础三角法测量原理三角法测量原理如图所示,半导体激光器LD发出的激光入射在基准参考平面上0点,经反射成像于CM
39、OS摄像机的靶面基准参考两面的法线与成像透镜光轴夹角，与入射光轴夹角，成像透镜L2距0点长度a，距靶面长度b。现有一厚度为h的平板置于基准参考平面上，入射光经被测物体表面反射，通过成像透镜，成像于CMOS摄像机的靶面，产生位移x。经过几何计算可得：上式说明，被测物体相对于探头的位置变化h，可由光斑位置x唯一确定。光斑位置x可通过CMOS视频输出经过硬件处理获得。产品制造基础基于三角测量原理的结构光法成为使用最为广泛的方法。结构光法可分为点结构光法、线结构光法、多线结构光法和彩色结构光法等等 产品制造基础点线面三角法测量原理点线面三角法测量原理这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其
40、结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。产品制造基础激光三角法位移测量的原理激光三角法位移测量的原理激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改
41、变，从而实现用激光测量物体的位移。产品制造基础彩色三维激光扫描测量方法彩色三维激光扫描测量方法产品制造基础激光三角形法激光三角形法原理：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运动辅助获得。laser stripe triangulation 23,000 points per second.产品制造基础CyberWareCyberWare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公司的三维扫描仪，在公司的三维扫描仪，在80年代就被
42、迪斯尼等动画和特技公司采用，用年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于于终结者终结者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影片。还用于快速雕塑系统。等影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、对象的多边形、NURBS曲面、点、曲面、点、Spline曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率可达可达1.4万点万点/秒。秒。3030RGB型扫描物体的型扫描物体的尺寸在尺寸在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，用于动
43、画、人类学研究、服装设计等方面。计等方面。产品制造基础CyberwareCyberware产品制造基础投影光栅法投影光栅法 采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标。光栅编码法测量组成原理如图所示，光源照射光栅，经过投射系统将光栅条纹投射到被测物体上，经过被测物体形面调制形成测量条纹，由双目摄像机接受测量条纹，应用特征匹配技术、外极线约束准则和立体视觉技术获得测量曲面的三维数据。产品制造基础产品制造基础ATOSATOS流动光学三坐标测量系统流动光学三坐标测量系统 产品制造基础基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光
44、栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。产品制造基础贴标签定位贴标签定位 产品制造基础产品制造基础产品制造基础产品制造基础产品制造基础产品制造基础产品制造基础机器视觉机器视觉机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。机器视觉系统的首要目标是用图像创建或恢复现实世界模型，然后认知现实世界。机器视觉系统获取的场景图像一般是灰度图像，即三维场景在二维平面上的投影。此时，场景三维信息只能通过灰度图像或灰度图像序列来恢复处理，这种恢复需要进行多点对一点的映射逆变换。在信息恢复过程中，还需
45、要有关的场景知识和投影几何知识。机器视觉是在20 世纪50 年代从统计模式识别开始的，当时的工作主要集中在二维图像分析和识别上，如光学字符识别、工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等。60 年代，Roberts(1965)通过计算机程序从数字图像中提取出诸如立方体、楔形体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系进行描述。Roberts 的研究工作开创了以理解三维场景为目的的三维机器视觉的研究。Roberts对积木世界的创造性研究给人们以极大的启发，许多人相信，一旦由白色积木玩具组成的三维世界可以被理解，则可以推广到理解更复杂的三维场景。产品制造基础立体视觉测量是根据同一个三
46、维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。产品制造基础双目立体视觉双目立体视觉双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉系
47、统一般由双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，或由单摄像机在不同时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。双目立体视觉系统在机器视觉领域有着广泛的应用前景。产品制造基础7.2.1.3 ICT7.2.1.3 ICTCT(ComputeredTomography)是Hounsfield1969年设计成功，1972年公诸于世的。CT不同于X线成像，它是用X线束对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得的重建图像。所显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像。从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变的检出率和诊断的准
48、确率。CT也大大促进了医学影像学的发展。由于这一贡献，Hounsfield获得了1979年的诺贝尔奖金。产品制造基础CTCT的成像基本原理的成像基本原理CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素。产品制造基础扫描所得信息经计算而获扫描所得信息经计算而获得每个体素的得每个体素的X X线衰减系数线衰减系数或吸收系数，再排列成矩或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵。数字矩阵，即数字矩阵。数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。
49、阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字经数字/模拟转换器把数字模拟转换器把数字矩阵中的每个数字转为由矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，黑到白不等灰度的小方块，即象素，并按矩阵排列，即象素，并按矩阵排列，即构成即构成CTCT图像。所以，图像。所以，CTCT图像是重建图象。每个体图像是重建图象。每个体素的素的X X线吸收系数可以通过线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。不同的数学方法算出。产品制造基础CTCT设备设备CT设备主要有以下三部分：扫描部分由X线管、探测器和扫描架组成；计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；图像显示和存储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅
50、照相机或激光照相机将图像摄下。产品制造基础不同扫描方式不同扫描方式探测器从原始的1个发展到现在的多达4800个。扫描方式也从平移/旋转、旋转/旋转、旋转/固定，发展到新近开发的螺旋CT扫描（spiralCtscan）。计算机容量大、运算快，可达到立即重建图像。由于扫描时间短，可避免运动，例如，呼吸运动的干扰，可提高图像质量；层面是连续的，所以不致于漏掉病变，而且可行三维重建，注射造影剂作血管造影可得CT血管造影（Ctangiography，CTA）。超高速CT扫描所用扫描方式与前者完全不同。扫描时间可短到40ms以下，每秒可获得多帧图像。由于扫描时间很短，可摄得电影图像，能避免运动所造成的伪影