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1、广东机电职业技术学院自编教材产品测绘与逆向设计实训指导书林 辉、余蔚荔 主编机械工程学院二零一一年七月目 录一、实训目的3二、实训条件3三、实训要求及注意事项3四、实训内容和时间安排4五、实训步骤5六、考核方式5七、参考文献5附件17附件226附件336附件447附件574附件680一、实训目的对于计算机辅助设计专业学生，本实训的主要目的是使学生能够对产品进行测绘，对产品的点云进行后处理，最终能够利用Pro/Engineer软件进行产品的逆向设计。具体主要涵盖在以下几个方面：(一) 了解产品测绘的一般方法与手段，掌握三坐标测量机和三维扫描仪的一般结构和基本工作原理，同时能够熟练操作其中一款逆向
2、设备。(二) 了解产品逆向设计的概念及逆向设计的发展现状，掌握产品逆向设计的常用方法与手段。(三) 掌握Imageware V12.0软件的基本应用，能够将三坐标测量机或三维扫描仪的点云构建成适合于Pro/Engineer软件的线图或曲面图。(四) 能够熟练运用Pro/Engineer软件的跟踪草绘功能进行产品的逆向设计。(五) 能够熟练运用Pro/Engineer软件对Imageware软件处理过的iges格式的文件进行逆向设计。二、实训条件(一) 场地条件：计算机房、产品逆向设计实训车间（暂缺）(二) 设备条件：数字化测量设备（三坐标测量仪或三维扫描仪）1台，数码照相机1台，高配置计算机若
3、干台(三) 设备要求：计算机要求安装有Pro/Engineer 3.0软件、Imageware12.1软件。(四) 辅助工具：小型家电产品（手机、电话机、熨斗、电饭锅等）、橡皮泥、502胶水、一组块规、卡尺、内径千分表、等高块6块、磁力表座、精密虎钳、V型铁2组、塞尺。三、实训要求及注意事项(一) 严格遵守各项管理制度、机床操作规程、安全规程，树立严谨的操作习惯和高度的安全意识。做到不迟到不早退，严格遵守生产（实训）劳动纪律。每天每周按要求精心保养机床与计算机。(二) 要求每一个学生都能独立并熟练地操作数字化测量设备（三坐标测量仪、三维扫描仪）进行产品测绘。同时能够将测绘数据进行点云后处理，最
4、终用Pro/Engineer软件进行产品逆向设计。(三) 要求每一个学生都能够掌握Imageware软件的基本应用，能够对一般复杂程度点云进行构线或构面处理。(四) 要求每一个学生能够用数码相机采集产品的三视图，并运用Pro/Engineer的跟踪草绘功能进行产品逆向设计。(五) 根据实训指导书的要求，认真完成实训指导书提供的有关课题，包括两种方式的产品逆向设计练习。(六) 每个学生独立完成实训报告的撰写。四、实训内容和时间安排本次实训时间为2个星期（10天）。内容和时间安排如下：序号周序内容时间（天）备注11（1） 安全教育和布置实训任务；（2） 介绍产品测绘的一般方法与手段，讲解数字化测量
5、设备（三坐标测量仪、三维扫描仪）的结构与基本原理，产品逆向设计概念及发展现状讲解，产品逆向设计的常用方法与手段。（3） 以实例介绍Pro/Engineer软件的跟踪草绘功能。（4） 利用Pro/Engineer软件跟踪草绘功能进行产品逆向设计。课题1：花瓶课题2：水壶课题3：玩具跑车3利用数码相机获取一个家电产品Front、Top、Right三个方向的图片。课题13任选2个完成。21Imageware软件基本功能讲解和扫描数据后处理练习。课题1： 反射镜 课题2： 鞋楦 课题3： 鼠标 课题4： 木杆球头 课题5： 计算机辅助检测 课题6： 风扇 课题7： 网络摄影机 课题8： 行动电话 课题
6、9： 汽车后视镜 课题10： 汽车叶子板 3根据指导书提供的点云图进行练习，课题110选做完成3个。312（1）将经过Imageware软件处理过的抄数图进行Pro/Engineer产品逆向设计。课题1：帽子造型课题2：风扇1造型课题3：风扇2造型课题4：法拉利跑车造型课题5：海豚造型课题6：玩具车盖造型课题7：mickey脸部造型课题8：剃须刀盖造型4根据指导书提供的点云图进行练习，课题18，任选3个完成。42实训总结、写实训报告、评定实训成绩。合计10五、实训步骤1. 讲授实训的目的意义，实训的纪律，实训的安全，实训要求。2. 产品测绘的一般方法与手段，数字化测量设备（三坐标测量仪、三维扫
7、描仪）的结构与基本原理。（附件1）3. 产品逆向设计概念及发展现状讲解，产品逆向设计的常用方法与手段。（附件1）4. Pro/Engineer软件在产品逆向设计中常用的技巧。（附件2）5. Pro/Engineer软件跟踪草绘功能及实训课题练习。（附件3）6. Imageware软件基本功能学习，利用Imageware软件对采集的点云进行构线、构面练习。（附件4）7. 利用Pro/Engineer软件对Imageware软件处理过的抄数图进行产品逆向设计。（附件5）8. 实训总结、写实训报告、评定实训成绩。实训总结要根据时间顺序撰写，写出自己的体会。成绩的评定见考核方式。（附件6）六、考核方式
8、(一) 考查的依据是：实训中的表现，出勤情况，对实训相关知识的掌握程度，利用Pro/Engineer软件跟踪草绘功能进行产品逆向设计的熟练程度，对Imageware软件的基本功能掌握情况，Pro/Engineer软件对点云的后处理能力，分析问题和解决问题的能力，以及实训报告的编写水平等。(二) 依据任务完成质量、实训表现、实训报告三部分，各占60、20、20。(三) 成绩评定可分为优、良、中、及格、不及格。七、参考文献1、Pro/Engineer Wildfire 2.0曲面设计技巧与实例 杨峰 黄效贺 中国铁道出版社2、pro/ENGINEER中文野火版逆向工程专家实例精讲 张国亮 中国青年
9、出版社3、Pro/ENGINEER Wildfire2.0造型曲面设计 林清安 电子工业出版社4、Imageware v11 逆向工程应用技术与范例简体中文版 马路科技顾问股份有限公司5、相关网站资料附件1产品测绘与逆向工程概述1.产品测绘的概述1.1产品测绘的一般方法产品测绘是指在产品从设计到加工，再到最后的成品整个流程中，为了获得工业造型所需要的设计尺寸资料或成品质量检验资料，而利用普通量具或数字化测量设备来获取产品的尺寸参数的一个过程。简单表述就是测绘技术在产品中的应用。从其概念来看，产品测绘的应用主要有以下几个方面：在产品设计的最初阶段，我们若采用逆向工程设计方法进行产品设计，就需要获
10、取样品的相关尺寸资料，从而必须进行产品测绘；同样，在产品的加工过程中，也就是在产品的模具设计制造过程，可以利用产品测绘手段进行模具的测绘，从而很轻松获得设计与现实的误差；在最后的成品，利用产品测绘手段可以获取成品的尺寸资料，从而可以进行废品的检验。产品测绘获得的数据还可以为产品的结构分析、应力分析等CAE操作提供有力的数据支持。产品测绘的一般方法根据其量具的不同可以划分为两大类型：（1） 传统测绘法，也就是采用传统的产品测绘量具进行产品测绘，这类量具包括卡尺、游标卡尺、千分尺、内径千分表、组合量规等。（2） 现代测绘法，即采用现代的产品测绘量具，也就是数字化测量设备进行产品测绘，这类量具包括三
11、坐标测量机、三维激光扫描仪（也称三维激光抄数机）、影像测量机等。传统的产品测绘量具一般应用于一些形状规则的产品的测绘，随着社会的不断发展，人们对于产品外观的要求越来越高，为了满足人们的美感要求，产品设计师在设计过程中往往采用很多自由曲面，这些曲面，利用传统量具将无法进行测量，这也就使得产品逆向设计在很长一段时期内举步维艰。近代，随着计算机与电子技术的不断发展，产品测绘技术也得到飞速的发展，出现了二维、三维数字化测量设备，目前，三维数字化测量设备已经深入应用到产品测绘的很多领域，可以对产品的复杂曲面进行测绘，精度能够达到0.001mm，让产品逆向设计获得飞速发展。然而，由于三维数字化测量设备一般
12、都比较昂贵，还无法完全取代传统量具，在产品测绘的现阶段，这两类测绘方法都还将长期并存。1.2三维数字化测量设备1.2.1概述逆向工程，大多以点集合数据为建构参考数据，在这个领域的数字化测量设备主要包括三坐标测量仪（Coordinate Measuring Machine 缩写CMM）、三维激光扫描仪（也称三维激光抄数机）、影像测量仪（二次元测量仪）。数字化测量设备按照测量方式可以划分为接触式、非接触式两种，按照结构形式划分为垂直悬臂型、水平悬臂型和便携式三种，如图1所示。接触式的测量设备，精确度较高，但是细节部分无法测量清楚，而被测物件强度、硬度不能太低，以防测量时被测头挤压变形。因此藉由光学
13、仪器的进步，非接触式的测量设备发展越来越多。非接触的设备，不会影响被测对象的外观表面、形状，测量速度快、细节角落清楚、测量数据量大等优点，由于大量的点数据输入可以直接描述对象，因此测量后的对象点数据，可直接以快速原型机建构成品。非接触式测量还可以做到接触式测量无法应用的范围，例如人体外型的扫瞄。目前国内几所院校，为人机工程的开发而购入中科院光电所开发的人体扫瞄设备，所测量到的人体形状，输入数据库后，便可以开发更多符合人体工学的产品。因此逆向工程的应用者通常都选择非接触测量设备，或搭配接触式设备使用。测量数据的质量，关系着后续的曲面建构，因此若能获得良好的测量数据则能大大提高曲面建构的速度与质量
14、。以逆向工程而言，点数据愈完整愈有助于后续的操作。三维激光扫描仪目前采用的是便携式的结构；三坐标测量仪的结构形式有垂直悬臂型、水平悬臂型和便携式三种。数字化测量设备（测量方式分类）接触式非接触式数字化测量设备（结构形式分类）垂直悬臂式水平悬臂式悬梁型桥架型机柱型跨架型臂移动型台面移动型单机柱型双机柱型床型台型便携式图1 数字化测量设备分类1.2.2三维数字化测量设备的发展三维数字化测量设备从出现到现在，主要经历以下三个发展阶段：第一代：点测量代表系统有：三坐标测量仪；点激光测量仪；关节臂扫描仪（精度不高）通过每一次的测量点反映物体表面特征，优点是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在测量较
15、规则物体上有优势。应用范围：适合做物体表面误差检测用。第二代：线测量代表系统有：三维台式激光扫描仪，三维手持式激光扫描仪，关节臂激光扫描头。通过一段（一般为几公分，激光线过长会发散）有效的激光线照射物体表面，再通过传感器得到物体表面数据信息。应用范围：适合扫描中小件物体，扫描景深小（一般只有50mm），精度较低，此代系统是过渡性产品。第三代：面扫描代表系统：三维扫描仪（结构光、光栅式扫描仪），三维摄影测量系统等。通过一组（一面光）光栅的位移，再同时经过传感器而采集到物体表面的数据信息。使用范围：适合大中小物体的扫描，精度较，扫描速度极快（华朗三维扫描仪单面400300mm 面积，时间5秒），测
16、量景深很大，一般为300-500mm，甚至更大。目前，这三种类型的设备在我国都已经得到广泛的应用，根据不同的行业，可以选择不同的类型，考虑到公司规模与需要，一般做产品逆向设计一般采用线扫描或面扫描的激光扫描仪和三坐标测量仪。1.2.3三维数字化测量设备的结构与基本原理1.结构三维数字化测量设备主要由主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）、测头系统、电气控制硬件系统、数据处理软件系统（测量软件）四大部分组成。然而，根据三维数字化测量设备的接触式与非接触式两种不同的测量方式，其结构也略有差异。CMM具体结构如图2所示。对于接触式三坐标测量仪，其结构基本与如图2所示设备一致，这类测量仪的探头主要采用的
17、是机械式探针（probe），探针在长期使用过程中会出现磨损现象，为了保持测量结果的正确性，必须定期更换探针，因此，探针属于接触式三坐标测量仪的一种耗材。对于非接触式数字化测量设备，其结构基本与接触式结构一样，非接触式测量办法主要利用光、电磁场、放射性、超声波这几个方面的技术来实现产品的测绘。目前，最常用的是基于光学原理的测量设备，该类型在结构上与接触式不一样的地方主要是其包含有激光发生装置、CCD摄影机。，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线
18、转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。同时，CCD的性能也就直接影响了非接触式数字化测量设备的精度。 图2 数字化测量设备结构图2.三维数字化测量设备的基本原理鉴于数字化测量设备的两种不同的测量方式，下面分别对这两种方式的测量基本原理进行阐述。（1）接触式的基本工作原理接触式的数字化测量设备首先要标定工件坐标系，然后根据探头接触到被测量物体，获得该触点的坐标，最终获得所有的点坐标数据。（2）非接触式的基本工作原理非接触式的数字化测量设备主要利用光学测距原理进行测量，在此将以ATOS XL（ATOSTRITOP）测量系统为例来详细介绍三维非接触式数字化测量
19、设备的工作原理。ATOS XL测量系统是采用参考点结合的方式获得高质量的点云，细分为以下两种方法：1.对于小的零件可以采用 ATOS 参考点 互相参考结合的方法2.采用数字相机拍照获得整体参考点 (用于大型工件)ATOS XL照相测量系统如图3所示，ATOS 采用左右两个相机+光栅投影进行测量的优点：1. 有最佳的参考点结合精度。2. 使用两个 CCD 可以实时检查系统的测量精度，位移量、光线变化。3. 方便调整和校正系统.一个扫描头可以根据需要调节到不同的测量范围。4. 精度高、低噪声点，硬件性能稳定。5. 极高的分辨率:每个 CCD 分别产生测量数据,另外支持高分辨率的 CCD。6. 功能
20、强大的操作系统和软件，操作简单.。图3 ATOS XL照相测量系统（1）ATOS全新的理论基础：舍弃单眼 CCD 而使用双眼 CCD 来定位投影出来的光栅。计算 3D 点群时，是使用左右 CCD 所取得的两张高解析影像来作计算，而并非只使用投影出来的光栅及相位。对于大型对象的测量，ATOS 可将测量所得的点群，自动整合为一笔完整的点群。（2）ATOS 的测量原理：三角法测量原理是目前光学测量应用最广泛，技术最成熟的方法之一。首先光源发生器发出测量学源泉(一般为激光点光源或激光线光源)探测到被测工件的待测表面，通过光学系统投影到线阵CCD或面阵CCD上位置，而作为基准面的用来标定系统的点，其投影
21、位置为点，所以通过它三角关系，CCD上的长度即可计算得到工件的高度尺寸。通过测量系统的测量运动(即扫描运动)就能将工件的全部外形尺寸得到。三维激光扫描光源采用半导体激光器，它具有寿命长、功耗小且光刀窄等一系列优点。成像系统采用进口分辨率，高精度面阵CCD摄像机。测量系统的扫描测试平台，采用三直角坐标直线运动和一维旋转运动的四坐标方案，实现对物体3600 范围的三维形貌扫描测量。ATOS 具有单个光栅投影设备及两个 CCD camera，左右双 CCD 可以让测距精度增加。整个影像的数字编码工作是由 8 张 Gray code 投影和 4张 Phase-shift 投影所完成。在影像上具有相同编
22、码的像素，即是落在物体上相同的点。此时两个 CCD camera 的距离为己知，且 CCD 至物体表面目标点的角度又可经由摄得的高解析影像求得。三角形中，己知一边长度及两角度，则可由正弦定理求得另两边的长度，也就是说物体表面的点数据己被测量出来，同时测头的坐标系统也被计算出来。此即为三角测距法。而在保证精度 0.05mm 内（依设备等级，最高精度可达 0.01mm 以内）可从影像当中撷取出 439，296 点。图4 ATOS 光栅运作原理（3）TRITOP 数字相机的功能：TRITOP 数字系统是一部影像测量器(数字照像机) 另外有配合此部数字，如图5所示。照像机的标签点及 Scale Bar
23、（标准标尺）。被测对象的周围或表面先黏贴一些编码的参考点。在未使用 Atos 测量点数据之前，先利用数字像机将所有编码及无编码的参考点测量进来，并计算出参考点坐标系。之后，每当 Atos 测量完一笔点群(至少要有三个参考点)，系统便会在参考点坐标系中自动寻找相符合的参考点，并自动将点群的测头坐标系转换为参考点坐标系。当完成所有对象表面的测量工作时，此时在参考点坐标系上便会形成对象的完整点群。由数字相机定位卷标点群后，ATOS 扫瞄对象表面就可以快速的定位到3D 的空间坐标上。图5 TRITOP设备3.数字化测量设备的误差及补偿从数字化测量设备的结构及其测量基本原理，可以分析得到其误差主要包括以
24、下几个方面：（1）测量软件编写算法引起的误差；（2）测量硬件本身及安装调试引起的误差；例如：三坐标测量仪的机械组成部分在传动等情况下存在误差；（3）工件本身形状、装夹不当引起的误差；（4）环境温度变化引起的误差；（5）人为在测量过程中引起的误差。由于以上某些软硬件的误差是人为无法补偿的，因此，针对（3）、（4）、（5）三种误差采取以下补偿措施：（1）在工件装夹的过程中要注意装夹牢固、定位准确；如果采用502粘在工作台的办法，要注意被测量工件的热膨胀系数，测量时间一般不能超过1小时，如果超过额定时间，测量结果必然出现很大误差。（2）最佳的测量环境温度是201，湿度是65以下。应在检测区加隔热装置
25、或对在线应用的坐标测量机建隔热罩。坐标测量机周边的空气温度应当用热交换装置或空调系统加以控制。保持在周围区域的合适温度，坐标测量机和被测零件温度的不同会造成测量误差。假如把零件放在测量机工作台后马上测量，在测量期间零件温度的变化会造成明显的误差，因此工件应当放置在检测温度的环境中直到达到满意的温度平衡为止。在测量过程中，尽量避免在测量时打开或关闭外部的门窗，在测量时避免打开暖气，把测量从热源屏蔽，同时测量机不要直接受太阳光照射。（3）在测量的过程中，如采用接触式的测量设备，要进行探头半径不正，要注意补正方向。图3是探头补正之误差，图4是探头补正方向不当所造成的嵌合曲面误差。图3 探头补正之误差
26、 图4 探头补正方向不当所造成的嵌合曲面误差1.2.4数字化测量设备的操作步骤1.三坐标测量仪的操作由于三坐标测量仪由不同生产厂家生产，同一生产厂家又有不同的型号，所以三坐标测量仪的操作方法并不是完全一样的，但是，一般都是遵循以下几个步骤：（1） 在工件上选取被测的特征。要求用最少的装夹次数；对于关键的尺寸，若有可能仅用测量机一个轴；选用最适当的机器。（2） 在坐标系统内定义工件基准。要求尽可能应用图纸所规定的基准；改变基准要十分小心；避免用小区域的特征来建坐标系。（3） 选择工件方向。一当决定好测量和基准特征，下一步要在测量机量程内来决定工件的放置方向，主要考虑的问题是待测特征和表面的可触及
27、性能，最好在一次装夹中全部测完。（4） 选择工件固定方法。可以选择夹具，尽量避免使用粘胶。要求零件不要过定位；装夹不要导致零件变形和损伤；要清楚了解热膨胀问题；若可能要避免用胶。（5） 标定测头。对于在检测特定零件的每一个探针和测头的组合都要进行测头标定，针头应当用标准球或其他被认可的有证标准器来标定。探针针头的直径尽可能大，用较大的球径时，表面粗糙度的影响会减小，而且由于球和针杆的尺寸差别较大，因而应用更灵活，所用最大的针头直径由所测的最小孔径决定 (零件有孔)，每根探针有它的有效工作长度(EWL)这个长度是根据针杆与零件相碰的条件给出的，一般来说针头直径越大有效工作长度越长。要求定期标定测
28、头；用已知的标准件作附加的检查；注意选择探针；考虑用变通的方法。（6） 定出探测策略。注意选择探测点数量及探测位置；测点太少可能引起错误；测点太多-测量时间太长，而且由于条件漂移造成误差；注意由于局部特征造成的问题。（7） 坐标测量机编程。给坐标测量机编程包括了操纵杆的应用，去指示机器按探测路径以绕工件运动，定义在每个被测表面的测点数及测点分布，定义对被测结果的计算方法；不要低估它的重要性，因为即使程序只有一个错误亦会影响成百个零件的结果。在编程以前提出“用户要求”或“功能性规范”可以减少错误。（8） 记录评价信息。保留此特性的记录将给用户提供历史记录。因而用户重现某一测量情节，更重要的是建立
29、一个知识库，它包含了坐标测量机检测的经验可以用以发展将来的检测策略。接触式三坐标测量仪工作过程如图5所示，如图6所示的测量机是T-Probe，被称为“Walk Around CMM”，是世界上最轻便的测量机，重量仅有670 克，测量范围却可达30米。而且在8.5 米范围内，空间长度测量误差不超过60m。T-Probe 采用加长探针，用户可以根据自己测量需要组合探针和加长杆。探针自动识别等智能化功能，也方便了使用。适用于各种复杂部件和工装的测量。 图5 接触式三坐标测量仪测量过程图2.三维激光扫描仪的操作下面以ATOS测量系统来介绍三维激光扫描仪的测量方式，其他类型的三维激光扫描仪的工作原理与其
30、基本相似。对于大且复杂的对象，由于对象的表面无法经由一次的测量而得到所有的表面点数据，故得藉由一些辅助参考点并将 ATOS 绕着对象作多次测量（每笔测量时间约 10 秒），来得到整个对象的表面点群数据。其操作步骤如下：图6 非接触便携式三坐标测量仪测量过程图图7 三维激光扫描仪测量过程图1. 将参考点卷标均布黏贴于对象表面。2. 决定参考点坐标系。3. 以 ATOS 测量对象表面的点数据。(此时点数据还是测头坐标系)4. 将点数据的测头坐标系转换为参考点坐标系。5. 重复 3 4 的步骤，直到所有的表面都己测量完毕。如图7所示的是T-Scan 被称为“Walk Around Scanner”，
31、是一个轻型非接触式手持激光扫描仪测量范围可达30米。T-Scan 具有70000 点/秒的数据采集能力，而且在8.5 米范围内，空间长度测量误差不超过50m。TScan可以根据被测物体表面状况自行调节激光束密度，表面不需要涂层等处置措施。T-Scan 是曲面测量、模具制造和逆向工程等方面应用的有力工具。1.2.5 逆向工程中常用的数字化设备实例1. ONE 系列车间专用坐标测量机如图7所示，是由美国Brown & Sharpe 精密制造的高精度测量设备，先进的材料工艺和设计理念，使得ONE 测量机成为车间测量和检测应用的唯一真正选择。图 7 ONE系列坐标测量机2. LASER-RE系列复合式
32、激光扫描机如图8所示，这是思瑞测量技术(深圳)有限公司生产的型号Laser-RE600激光扫描机，该扫描机可以产生非常密集的点云数据，可以将被扫描的物体的各个特征完全扫描出来输入到计算机中，由CAD软件进行处理。应用LASER-RE系列复合式激光扫描机进行三维激光扫描时具有以下特点： 1高速高精度得出点云数据，例如：进行一个GOLF球头的扫描，在进行扫描路径设定后，10分钟左右就能得出GOLF球头全部的密集点云数据。 2独特的滤光设计，可使CCD基本上不受环境光影响。 3整个系统的扫描驱动，位移值获取，图像信号采集，信号处理，系统定标全部采用电脑控制。 4被测工件可以任意摆放，采用四轴全自动测
33、量，旋转轴中心自动定位实现全自动化测量，并且可以实现多角度测量，所测数据自动拼接。 5两组CCD镜头从两侧不同方位测量，几乎没有测量死角，配合四轴全方位扫描，以及长达150mm的测量景深，可以一次性的将整个工件数据完整而准确的获得。 6XYZ三轴导轨均采用双零级花岗岩，因而三轴具有相同的温度特性，钢性及稳定稳定性更高，良好的抗时效变形能力，使集合精度长期保持稳定。 7先进的高精密的滚珠丝杠传动，使测量机运行时几乎无噪音，寿命长，平稳且定位精确。 8工作台具备开敞的工作空间，装卡工件及测量观察都异常方便，3D激光头及2D投影头可以运动到工作空间的任意位置，极大的方便了测量。 9激光发生器，CCD
34、，图像采集卡，运动控制卡等关键零部件全部进口。图7 LASER-RE系列复合式激光扫描机3. MicroScribe三维数字化仪三维数字化仪(MicroScribe)是美国Immersion公司研发生产的抄数设备。用于建立精确细致的三维电脑模型。MicroScribe是由三段碳纤维臂构成，体积小，方便携带，臂与臂之间由球形连接器相连，内置高精度位置和方向传感器，以感知探头所处位置，是产品设计工程师、机械工程师、动画制作设计人员、游戏开发人员和科研工作者理想的三维数字化仪。适用于模具设计，鞋样设计，产品开发，汽车制造，三维动画，影视制作，陶瓷工业，医学整形，考古技术，艺术重现，包装建筑，游戏开发
35、即可应用专业的数字化软件，也可以使用众多连接威力手到现有的三维图形应用的软件驱动程序。其中的任何一种都可通过点、线、边形、多义线、NURBS 以及其他标准几何实体来创建复杂的三维模型。采集的数据可保存为 dxf、IGES、obj、txt、3ds 以及用户使用软件所支持输出的任何格式。4. LPX-600非接触式激光扫描仪罗兰非接触式激光扫描仪是封闭式工作环境。自带网面自动重建软件LPX EZ studio，简便的使用者接口，与平面扫描仪相同的使用方法，先按预览，后按扫描，网面便能自动产生（自动去除多余的网面、自动合面、自动补洞）。LPX-600 实现了更大尺寸，更高品质的三维扫描 (直径254
36、x406.4毫米)。全新操作概念，突破逆向工程之操作瓶颈，任何操作者都能产生相同的结果。输出文件格式：STL, 3dm, GSF；输出时同时储存罗兰之PIX格式。最高能支持一次20面扫描，更多的倒勾，内扣也能被扫描出来，自动优化扫描数据之大小，提高模型之被修改能力。是一款真正的自动化扫描设备。EZ Studio 所产生之网面数据，可输入到逆向工程软件，如 Pixform Pro，来产生曲面数据使用者亦可透过机器所自带的Dr.Picza3软件作一般扫描，再输入到逆向工程软件，如Pixform Pro，来产生网面以及曲面数据。5. 3D family激光抄数机这是一款传统的工业设计所用到的激光抄数
37、机，零级精度200mm厚花岗石平台作机身,稳定不变形,精度持久保持。单独控制柜集成设计，全闭环式运动控制,提高抄数机的定位精度，双CCD取点,消除扫描死角，采用线激光扫描,速度快，四轴CNC全自动扫描。有效行程（mm） 400*300*300*360；外形尺寸（mm） 850*950*1400；扫描测量精度(mm) 0.05/0.01；机台定位精度(mm) 0.005；文件输出格式 STL,OBJ,IGES,DXF,VRML。应用于逆向工程设计，复杂曲面抄数，工件三维测量。针对现有三维实物在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模
38、型，再送入通用CAD/CAM软件系统中，作进一步的处理，从而生成NC加工路径或RP所需的模型截面轮廓数据，最后绘制出实体模型。6. 北京天远三维科技有限公司OKIO-II三维激光扫描仪OKIO-II如图8所示，这是天远推出的高端三维扫描仪，采用进口高精密工业144万像素CCD传感器，UHP冷光源，具有以下特点：GREC全局误差控制模块，速度快、精度高，标志点全自动拼接功能，便携式设计、结构轻巧稳固，型号可调、一机多用。图8 北京天远OKIO-II三维扫描仪1.3三维数字化测量设备必备的辅助器件三坐标测量仪器在工作过程中，一般要准备以下的辅助器件：橡皮泥、502胶水、一组块规、卡尺、内径千分表、
39、等高块6块、磁力表座、精密虎钳、V型铁2组、塞尺。2.逆向工程概述2.1逆向工程概念与发展逆向工程（Reverse Engineering,RE）是一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。是对产品设计过程的一种描述，在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的
40、产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。从图1中我们
41、可以看出，逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统，最终与产品数据管理系统融合的过程。工程的实施需要人员和技术的高度协同、融合。 逆向工程在CAD/CAM系统中的作用逆向工程技术不是一个孤立的技术，它和测量技术及现有CAD/CAM系统有着千丝万缕的联系。但是在实际应用过程中，由于大多数工程技术人员对逆向工程技术不够了解，将逆向工程技术与现有CAD/CAM技术等同起来，用现有CAD/CAM系统的技术水平要求逆向工程技术，往往造成人们对逆向工程技术的不信任和误解。从理论角度分析，逆向工程技术能够按照产品的测量数据重建出与现有CAD/CAM系统完全兼容的三维模型，这是
42、逆向工程技术的最终实现目标。但是我们应该看到，目前人们所掌握的技术，包括工程上的和纯理论上的（如曲面建模理论），都还无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远未达到可以直接在CAD系统中应用的程度。因此我们认为，目前逆向工程CAD技术与现有CAD/CAM系统的关系只能是一种相辅相成的关系。现有CAD/CAM系统经过几十年的发展，无论从理论还是实际应用上都已经十分成熟，在这种状况下，现有CAD/CAM系统不会也不可能为了满足逆向工程建模的特殊要求变更系统底层。另一方面，逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有CAD/CAM系统，不需要另外搭建新平台。基于这种
43、分析，我们认为逆向工程技术在整个制造体系链中处于从属、辅助建模的地位，逆向工程技术可以利用现有CAD/CAM系统，帮助其实现自身无法完成的工作。有了这种认识，我们就可以明白为什么逆向工程技术（包括相应的软件）始终不是市场上的主流，而大多数CAD/CAM系统又均包含逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。逆向工程已经渐渐成为现今产品开发的主流工具，基于以下因素我们深信，逆向工程仍然是往后新产品开发所必备的一项工具。实物或手工模型测量数据采集曲线、曲面构建STL处理RP处理草图或2D工程图CAD/CAM结构及模具设计模具与成品模具与成品检测成品点云数据测量点云数据与CAD资料定位点云数据与CAD资
44、料误差对比输出对比结果逆向工程图1 逆向工程流程图（1）产品设计方式的差异以往设计师可能只做 2D 的平面设计，再经由 CAD 软件将数据转换成3D；但现今设计师往往会先以手工制作一3D 模型，如此需要逆向工程的工具将此手工模型转换成 3D 曲面模型，以利后续的工作。（2）产品设计走向自由曲面造型目前消费者对产品的需求，不单单只考虑功能性，产品的外观造型也成为消费者考虑的重要因素。但由于设计师所创造出来的外观造型，若利用传统的制造方式有可能无法完全的将设计师的理念完整的表达出来，因此需要运用逆向工程的工具来达到设计师的要求。（3）正向设计数据取得不易基于商业机密，原厂一般不会把原始 CAD 数
45、据提供给下游厂商，只会提供一个样品给厂商，如此就需要经由逆向工程的工具将原始 CAD 资料还原出来，因此一家厂商逆向工程的能力无形之中也是获得订单的一项利器。（4）检验正向设计结果逆向工程的另一项重要的功能即是对成品的检测，我们称之为计算机辅助检测(Computer Aided Inspection)。一般质量检测只就成品的局部做检测，透过逆向工程的工具可对成品做一全面性的质量检测，大大提升了质量的稳定度。当然逆向工程并非万能的，由于现今测量设备与逆向工程专用软件的发展限制，也使得逆向工程在其运用上仍有一定的限制。要克服这些困难则须与传统的开发流程做一整合，截长补短必能使产品获得良好的质量同时
46、也能节省时间与成本，这才是我们所追求的。逆向工程所面临的限制，主要是在于测量上与软件功能上之限制。2.2 “抄数”的概念“抄数”比较正规点的名称是“逆向工程”，即以产品的实物或模型为基础，通过逆向设备采集模型的坐标数据并输入电脑，然后在电脑里重建精确的3D模型。通常数据采集的工作由逆向设备（如激光抄数机、坐标测量机等）及设备自带的软件来完成，这部分工作的精度在很大程度上取决于设备的品质，对操作的要求不是很高；逆向工程的难点在于数据的后处理工作和建模工作，对设计师有比较高的要求。这部分常用的软件有Surfacer、Imageware、Pro/ENGINEER等，南方比较普遍的做法是用Surfac
47、er软件处理点云数据，获得线框模型后再通过IGES等格式导入到Pro/E里建模，以充分利用Pro/E在曲面建模方面的优势，曲面建模的很多基本原理和方法仍完全适用。因此可以这样认为：逆向工程其实没有什么特别的，曲面建模能力、正向设计能力强的人，做逆向建模只会觉得更加简单。因此对于希望从事逆向抄数行业的学员来讲，学习曲面建模的基本原理和方法，训练正向建模的能力是不可缺少的。2.3逆向工程技术的应用逆向工程技术在模具行业中的应用从逆向工程的概念和技术特点可以看出，逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。近年来随着生物、材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域。但是其最主要的应用领域还是在模具行业。由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面。若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。逆向工程技术在我国，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景。这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造
