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三维扫描仪 |
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三维反求技术及其应用 |
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作者：力丰制造科技有限公司总经理 陈礼明 |
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产品开发是一项艰苦、但具挑战性的工作。在开发过程中，设计师须要利用CAD软件把心里想要的产品形象绘画成三维图型，使之数据化，方便使用快速原型制造系统、电脑辅助制造系统，制造原型及生产。日后，设计师也可以利用这些数据修改或优化原有的设计。但是有时候，客户只有一个实物产品，而须要在这个基础上再作一定的修改，那么传统的设计方式就难以处理。因为这须要花费很多人力资源及时间去绘制与实物相同的三维模型。特别是一些产品外观由复杂的自由曲面所组成，情况就更难处理。这时候，我们须要另一种方式去处理，三维反求技术就提供了快速把实体产品数据化的途径。例如一个小零件，三维反求技术，可以在数十分钟内完成扫描把它数据化，而用CAD软件，则须要一天或更长的时间去完成同样的工作。三维反求技术是产品开发的上游技术，大幅度缩短产品开发周期，同时提高企业的竞争力，备受国内外众多企业重视，迅速发展。
三维反求技术的发展
三维反求技术亦称为逆向工程 (reverse engineering) ，原先这种技术是用于三维测量及质量检定。生产下来的产品，可利用这技术测量其外型尺寸及检定它的质量，然后对比原先设计时的参数，是否附合要求或须要做出修改、优化等。这可以说三维反求技术是产品设计过程中的下游工序向上游工序反馈信息的一个途径。
上世纪六十年代有学者提出利用电脑视觉技术(computer vision) 来获取三维数据的可能性。随后，多种技术被研发出来采集三维数据，其中包括，立体视觉、结构光等。这些技术并没有被商品化，因为当时候的图像采集仪器、电子组件、软件技术及电脑计算功能都很难满足技术要求。特别是在电脑计算功能上，当时的电脑没法处理庞大的数据。
到上世纪八十年代，美国Cyberware公司研制了一部用来扫描人头的三维扫描仪，并成功地用于影视特技制作。之后，美国及日本公司相继投入巨大的人力物力资源开发相关的技术及扫描仪器，技术方面包括图像雷达、聚焦测距、莫尔条纹等，而扫描仪器到现在已有近百种之多。
三维反求技术原理及工作流程
三维反求技术包括影像反求、软件反求及实物反求等三方面。目前相对最多人研究的是实物反求技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。陕义来说，三维反求技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。
◆ 工作原理
三维反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据, 之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤：
（1） 物体数据化：普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值。
（2） 从采集的数据中分析物体的几何特征：依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。
（3） 物体三维模型重建：利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。
（4） 检验、修正三维模型。
◆ 工作流程
三维反求的典型工作流程主要是对现有的实物，使用数据化的仪器，准确、快速地采集表面轮廓的空间坐标值，然后构建曲面、经CAM软件产生CNC加工刀路，在CNC机床上把实物模型制造出来或利用快速原型制造机，把实物原型制造出来。在产品设计方面，采集的空间坐标值，可对实体三维模型，作复杂的修改或再创新。快速原型制造机可读取STL格式的文档，可以由云点直接转换或在建造的曲面、实体三维模型中转换。
三维数据采集方式
三维数据的采集方式，按照它们所采用的原理、有三种方式：一是接触式，如三坐标测量；二是非接触式，如结构光法、激光三角法等；三是逐层扫描方法，如CT法和核磁共振法、自动断层扫描法等。
采用哪种采集方式取决于被扫描对象的形状、大小、物质、数据应用目的。在市场上扫描仪器种类很多，采集方式虽然不尽相同、但主要由三个部份组成；即扫描装置、传感器及软件。
◆ 接触式扫描或测量方法
这种采集方式主要是利用三坐标测量作扫描。采集方式主要是利用安装在仪器上的探针(stylus) 逐点采集对象表面上的数据。探针沿对象表面运行时，对象表面上反作用力使探针位移。位移是通过探头内的弹簧反映出来。连接弹簧的传感器(transducer)便会测量位移的大少、方向等。之后便通过计算显示各采集点的三维空间坐标。
由于三坐标测量仪本身的机械结构及设计，采集数据精度高，对被扫描对象的表面的颜色及反射特性没有特别要求。采集数据时，探针是压着被对象运行的，所以一些材质较软的发泡胶等便不能准确扫描，因为被扫描对象会被探针压着而变形。探针经常在坚韧的对象表面运行时，容易磨损，所以须要经常较正探针的直径，维持一定的精度。由于它是逐点采集数据，所以扫描速度相对较慢，主要是用来测量不太复杂，具有少量特征曲面的对象。
现时市场上，有一种专用的接触式扫描机。由英国Renishaw公司提供的Cyclone扫描机可以采集复杂的对象表面曲线数据，采点速度每秒四百点及每分钟扫描三米，操作容易。所采集的数据，通过扫描机原身配备的软件，转化成电脑加工中的刀路，直接制造模具。
◆ 非接触扫描方法
结构光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被扫描对象的表面上，投射参考面光源，会被放在该位置的被扫描对象阻挡而发生变形，此时使用不同的镜头摄取不同角度的图像，再分析变形的光源, 就可计算出被测对象表面的整幅图像的三维坐标。结构光法采用的光源以光栅影线较为普遍。目前分析光栅影线变形的方法主要有传里叶及相移法。而相移法相对较为准确，这种方法的优点是测量的速度很快、扫描的面积大、设备相对轻便方面携带、测量场地没有特别要求。在汽车行业，它普遍被用来扫描汽车的车身等大面积对象。德国Steinblicher公司的 COMET IV扫描仪，可以扫描的面积从 100×75mm2到1200×1200mm2。它的摄像器可装在三脚架上，随意移动至任何位置作高速扫描、摄像器更可以装上机械手上，扫描复杂的对象，分辨率可达400万象素之高。对一些精细零件都能采集良好的数据。
◆ 激光三角法
激光三角法是在被扫描物的表面用有规则几何图形的激光束，如点光源或线光源，进行扫描，被扫描面便会形成漫反射光点、光带，接着安装在光路的图像传感器接收这光点、光带，然后利用三角原理计算出被采集点的空间坐标。激光三角法的技术成熟、被广泛使用，扫描速度高、精度高。它的图像传感器体积细而轻，安装方便。它甚至可以它装在三坐标上，安装拆卸容易，这是它另一个特点。它也可以扫描材质较柔软的对象，如橡胶等。日本的 Konica Minolta公司的非接触仪 Vivid 9i的扫描精度可达0.05mm，只需要2.5秒便可获取精确的数据。 
激光扫描头可以装在三坐标测量机上
三维反求技术的应用
三维反求技术的应用十分广泛，一些高技术含量的航空、航天工业，汽车工业都采用了这技术于产品研发及制造。在制造工业上，采集的数据用于模具制造，产品设计、开发，例如消费性的电子产品等。
此外，反求技术配合快速原型制造技术，更能发挥快速原型技术的优势、扩大它的应用范畴。凭借反求技术及有关的软件，设计者可以快速制造实物，同时可以快速对实物修改、优化和创新设计，这样便可以缩短产品设计的周期，加速了新产品的出现，提高公司的竞争力。三维反求技术的应用综合如下：
1. 从概念到快速原型制造。在产品设计中，有些实物很难利用CAD软件来建造CAD模型，来表达设计概念，但有了三维反求技术后，该过程变得简单了！
2. 快速制造模具。技术人员利用反求技术扫描实物，然后把采集得到的数据，通过专门的软件，如 Renishaw 公司的Tracecut软件，直接产生刀路，输出到数控加工中心，制造出模具来。这种情况，在汽车的后市场(after market) 及电子消费品特别普遍。汽车的原厂零部件相对较贵，所以倾向于寻找代替品，价格相对便宜的。由于市场相当庞大，所以诱发一批厂家生产这些代替品。由于没有原厂产品技术资料，如实物的工程图或CAD模型，他们只好利用反求技术，采集实物的三维数据，转化成刀路，直接制造模具。另一种情况是一些停产老产品，现在有需求。由于停产多时，原始数据都没有了，只好把现有的实物扫描、采集数据、转成刀路来制造模具，实现再次生产。
3. 快速制造。反求技术把实物数据化之后，通过有专用软件，转化成可用的数据，就可以与CAD/CAM/CAE、ERP等软件，电脑数控机床，进行信息、数据交替，缩短生产的等候时间，大幅度提高生产效率，增强竞争力。
4. 仿制流线型、形状复杂而且无法用人工方法准确量度的实物。航空、航天器的有些零部件流线型特别强，一般的测量仪器是绝对无法准确测量其曲面！反求技术便可以在一个面积细小表面上采集上百万、上千万的三维坐标数据、之后便可以通过软件建造曲面。在一个相等面积的表面，三维坐标数据愈多，建造的曲面便愈准确。
5. 产品复制、修改、设计。当实物被数据化后，技术人员便可建造CAD实体模型、曲面，这样设计师便可以迅速在软件上作有关的产品修改、创新的设计。
未来展望
随着国际互联网络的普及，更容易获取资讯，商业竞争日趋激烈，要取胜就要不断的有新产品投放到市场，缩短生产周期是竞争一个重点策略之一。反求技术在时间方面发挥了它的作用，所以会广泛应用于产品开发方面。在技术方面，软件的快速开发，使数据的运算更快、扫描后数据处理更容易；图像摄像机的发展，使采集的数据更多、更快。这样，扫描速度便可以更快，扫描精度更高，种种技术发展，使用扫描仪来测量的精度大为提高。综上所述，反求技术将会有更大的发展空间，应用到更多的领域中。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/9/2007) |
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