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基于3D扫描的质量检测与应用


分类号
UD C

密级——
编号

鱼丝!j!!堕 臼枷9j o午6j

学位论文
基王兰坠扫撞的厦量检型量廑旦
The Inspection of

Quality

and Application.。

堡垒璺星亟Q

堕三坠曼£垒望望i望g

指导老师姓名:一一一缝堡逝

到麴攫

直昌太堂扭电王捏堂瞳
申请学位类别:

亟±

专业名称:

扭煎皇王至猩

论文提交日期:墨!Q!堡墨旦 学位授予单位和日期:

论文答辩日期:!!Q§生鱼旦旦
2006年月 日

南昌大学

答辩委员会主席:盔竞丝

评阅人:荡玩

二oo六年五月

基于3D扫描的质量检测与应用 摘 要
当前,在列许多具有复杂曲面的零件进行检测时,我们会发现用传统的 检具检验时难度大,周期长,且检测精度不高,因此在实际生产中应该采用 更有效的方法来取代传统的检具,提高检测精度。 随着计算机技术、检测技术以及图形学等学科的发展,逆向工程技术得 到了广泛的应用,其中的三维扫拙测量技术也蓬勃发展起来了。本文在研究 有关逆向工程技术的基础上,提出了基于三维扫描测量技术的曲面质量检测 方法,实现产品检测手段的数字化、可视化、自动化,以解决常规测量手段 耗时长,检测难,成本高的问题。


基于三维扫描测量技术的曲面质量临测方法其实质就是利用三维扫描测 量得到的点云数据与产品曲面造型数据作3D比较的方法。本文详细阐述了该 方法的软硬件系统的构成,3D扫捕点云数据的获取、点云数据的处理、点云 数据与曲面参考模型(产品曲面造型数据)的3D对齐技术以及检测数据的分 析报表{殳计和彩色误差图方法,并用Visual C十+建立了一个检测导向平台, 以便于测量数据能方便处理。 论文最后列举y-个典型的具自由曲面零件的检验实例.试图验证该方 法的科学性和可行性。

关键词:质量检测,逆向工程,3D扫描,数字化,可视化

The Inspect of Quality and Application Base

on

3D Scanning

ABSTRACT
lnspecting the parts with free—form surface wi th traditional tools
at present,to a

certain degree,it iS difficulty,long periods and traditional
tO

imprecise

with

toolS.So

thiS

paper

searches during the

for

an

effective method of manufacture.

replace the traditiona]toolS

course

On researching of the Reverse Engineering;thiS paper presentS the method of'inspecting the quality of the free—form surface based
On

3D

scanning technology.Along wi th the development of the computer science the technology of inspection and

graphics,Reverse Engineer
on

ing has been

applied widely,and 3D scanning based developed rapidly.In virtue
process

Reverse Engineering has been
paper

of the method,this compl icated

designs the

of

inspecti

on

for

the

surface

effectively and

economically in

digitalization

and visualization.

It iS the basic principle inspecting the quality of the free——form surface based
on

3D scanning that compares the points cloud of solid the part.This paper
as

scaned with the CAD prototype of

expatiates

in

details the related key techniques,such

composition of the hardware

and software system,scanning and modi fying the points cloud,aligning the points cloud with Surface of the CAD prototype‘of the part,and desi gning the report of inspection and the color plot of error.This
paper also develops an integrated management system for the inspection

of the part with Micosoft At
as to

Visual

C++.
SO

last,this paper validate

illustrates three representative examples
J.s scientific and

the method

feasible.

Zhong chun hua(Mechanic&Electronic Engineering)

Directed

by Rao XiXin(Associate Professor) of

Keywords:Inspection

Quality,Reverse

Engineering,3D Scanning,

Digitalization,Visualization


Y 独创性声明

928 694

本人声明所呈交的学位论文是本人在导'JSt旨导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 或其他

教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位敝作者虢针鸟苛签字蹶彩年/月名日
学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解——有关保留、使用学位论文的规定,有权
保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和 借阅。本人授权 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进

行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

.(保密的学位论文在解密后适用本授权书)

靴敝储鹤:对杆
签字同期:沙易年‘月‘’日
学位论文作者毕业后去向 工作单位: 通讯地址:

导师签名

签字日期:工吨年6月‘H

电话 邮编

第一章





1.1产品的质量检测及检测内容
1994年,美国著名质量管理专家朱兰(J.M..]uran)在美国质量管理学会 年会上指出:20世纪以“生产力的【II:纪”载入史删,未来的21世纪将是“质
量的世纪”…。 在市场经济中,无论国际市场还是国内市场,到处都充满着国家之间、 公司之间、厂商之间的激烈竞争与角逐。影响市场竞争胜负的因素很多,其 中心问题则是产品的质量。产品质量是~个国家文化、经济、教育、科技和』 管理水平的综合反映,是~个民族物质文明的象征,是一个企业综合实力的 具体体现,也是衡量一个国家经济实力和左右一个国家政治地位的重要因素。 树立全民质量意识、努力提高产品质量,已成为我国经济发展中的战略问题, 己成为影响国民经济和对外贸易发展的关键因素。1。只有高质量的产品才能持

久地获得进入市场,这一事实已为l_|=|:界各工业发达国家和众多企业的兴衰史
所证明嘲。 随着我国改革开放的深人,与国际上的经济交往日益频繁,人们的生活 水平不断提高,剥产品不断提出新的要求。主要表现在:由原来的重视价廉转 变到更重视物美而且要求使用、维修方便,服务周到等“1。因此,产品质量已 成为当前企业经营中的主要因素。这电是当今世界企业生存和发展的趋势”3。

随着这种趋势的发展,不断提高质量以获得和保持良好的经济效益的认识在
不断加深,价格已不再是决定竞争能力的唯一因素,恰到好处的质量和适中 的价格才是用户追求的。所以说,质量是企业的生命,是企业竞争的主要手 段,是提高企业经济效益的重要条件“1。企业为了生存和发展,为了在国际贸 易中有立足之地,必须提供强有力的产品质量保证。 那么,一个优质产品的诞生,离不开良好的设计、合格的原材料、科学

的生产销售及良好的售后服务等等。但这些都与检测密切相关。检测对产品
质量有着举足轻重的作用”。

在工业生产中,检测技术是进行质量管理的重要组成部分,是贯彻质量
标准的技术保证n,。

检测就是将被测参数的量值与作为单位的标准量进行比较,比出的倍数
即为测量结果;或者分辨出被测参数所列属的某一范围,以此来判别被测参 数合格与否。具体到工程技术检测,它的任务不仅是对成品或半成品的检验 和测量(如热工参数、几何参数、表面质量、内部缺陷、探伤、泄漏检查、

成分分析等),而且在人们为了检查、瓶督和控制某个生产过程或运动对象 使之处于人们选定的最佳状况下IVJ,就!必须随时掌握这种埽佳j状况的各种参 数。为此,就要求随时检查和测量这些参数的大小、变化等情况。3。 现代机械产品的质量,主要包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等”1。

一般产品质量的高低与其几何量的精度密切相关。通俗地讲,几何量精度是
指构成零"f4:几何形体的尺寸、形状和位置精度以及表面粗糙程度,即加工后 它们的实际值与设计要求的理沦值相一致的程度[|】]0

几何量的检测是指对零、部件和整机制造完:[前后进行测量和验收的过
程”“。主要检测的有:零'f'-bf@7Lfq7眵体尺寸、形状、位簧精度、轮廓度和表面 粗糙度(或表面加工质量)等。 JL何量的检测是机械产品质量的可靠保证。在机械产品中,几何量检测 所占比重最大。1。几何量检测有以下两个目的:一是对加工后的零件做出合格 性判断,只要测量得到的几何参数在极限偏差(尺寸)或公差范围内,ijI!,lN 断为合格,否则为不合格:二是通过检测了解产品质量情况,并对生产过程 进行分析,寻找产生不合格产品的根源,以便调整加工工艺系统,或者采取

有效措施,防lE不合格产-罪?的产生,对保证加工质量起NJ-动积极的作用。 尤其在自动生产线上,几何量检测具有重要的意义“03。 从机械工业发展的过程来看,儿何量检测技术的发展是与机械加工精度
的提高相辅相成的。加工精度的提高,一方面要求并促进检测器具提高测量 精度,另一方面,加工精度本身也要通过精确的检测来体现和验证。

1.2传统的产品质量检测手段及弊端
在加工过程中,为了确定零件尺寸、形状等是否达到加工要求;在零件

加工后,为了确定零件是否符合设计要求,都需要通过一定的工具或量具,
按照一定的方法来进行检测。 传统的检测方式一般有:

1、采用普通计量器具
它们是有刻线的量具,通过测量可得到被测几何量的实际尺寸。根据该

尺寸是否超越零件极限尺寸,来判断工件尺寸的台格性。如在加工过程中使
用的游标卡尺、干分尺、各种指示表和比较仪等普通i,t一量器具都属于这种方 式。 2、采用极限量规 它们是没有刻线的专用测量工具,是按照被测量工件的两个极限尺寸制 造,用它们与被测的孔或轴进行比较。虽然得不到被Nm,fq-i{内实际尺_J‘和形

状误差的具体数值,但可以定性地判断该孔或轴是否合格。这种用于检验零
件孔、轴的量规,称为光滑极限量规。 3、直线度误差的测量 直线度误差的测量方法有很多,如用刀口尺、水平仪和桥板、自准直仪

和I反射镜、平板和指示器、优质钢丝和测量显微镜等测量。
4、平面度误差的测量 由于任一平面都可以看成由若干条直线组成,因此在平面度误差的测量

中,常用若干个截面的直线度误差来综合反映平面度误差。因此测量直线度
误差的仪器和方法,也能用于测量sfz而度误差。 5、圆度误差的测量 圆度是零件回转体表丽的~项重要的质量指标。在满足被测零件功能要 求的前提下,圆度曝差值可以选用不同的评定方法确定。一般有:圆度仪测 量、在分度装簧一EN量、两点测量法和】三点测量法等。 6、制造专用量具测量

其原理是从理论上形成需要的复杂运动轨迹,再装上测微仪去与实际工 件的轮廓进行比较测量,描绘出实际轮廓曲线。这种测量装置的专用性强、 成本高,如果机构不精确,产生的误差大…3 通过以上的介绍,我们可以看出对不同的产品、遵照不同的要求或标准
进行检测就需要采用不同的检测手段和仪器。但是随着生产力水平和科学技

术的迅速发展,对检测的精度和效率提出了越来越高的要求,都希望用最短 的时问和最简单快捷的方式完成检测的工作任务。而且产品的竞争实质上就
是质量的竞争,产品质量的提高,除设计与加工精度的提高之外,往往更有 赖于检测水平的提高。生产自动化程度的发展,产品数量的增长,在一定程 度上受到检测效率的制约。因此,提高检测精度和检测效率足检测技术的主

要发展方向“。特别是随着以航空航天为代表的大型工业生产的快速发展,飞
机、汽车等:E_qk产品的零件越来越复杂,原来那些传统的检测技术和仪器己 经越来越无法满足这些复杂零件的研制和生产“…,如:检测轿车外壳形状、 飞机及其部件的外形测量、船体测量、涡轮,叶片等如图卜l,采用常规的方

幽卜1

电风扇扇叶平¨塑料瓶

法或工具是满足不了要求的,因为它们的形状不规则且随着不同客户的要求
会做修改,如果仅仅采用常规量具或专门制造相应的专用量具,显然从效率

和成本上都是不符合生产制造的要求。

1.3本论文课题的提出
随着制造加工的发展,尤其是现在越来越多的产品(飞机、汽车、家用
电器、办公用品等)在造型上具有更多的不规则型面,在空问结构上越来越 复杂。因此,刑于产品的质量检测(尺寸、形位检测),尤其是带有(自由)

曲面的、结构复杂的产品检测,采用常规的检测手段或者专门制作专用测量 设各显然是不符合适宜的。因此,势必就要提出新的手段和方法来解决这方
面的问题。 基于逆向工程技术的3D扫描测量方法与传统的测量方法最大的优点就是

能够将被检测对象的表面形状转换成离散的几何坐标数据,在此基础上实现 被检测零件的数字化,获得产品表面特征信息。通过将得到的数据与原型CAD
模型进行比较,可以直观的、迅速的进行判断与检测,这对于产品检测将带 来极大的方便与快捷。

一般意义的逆向工程主要是指对工件进行扫描获取点云数据,然后对数 据进行加工处理,重新建模。在本论文的研究工作中,将基于逆向工程的思
想,通过扫描获取的点云数据,来得到产品的外观几何信息并对信息进行相 应的数据处理和分析,之后将原设计CAD模型与获得的点云数据对比,来分 析尺寸和形状误差,以完成检测的任务。

目前,逆向工程技术已经发展的相当成熟,与之配套的硬件和软件也都
有许多,如:三座标测量仪、激光扫描仪、基于摩尔条纹的测量设备等;
Imageware、Geomagic

Qua]ify、CopyCAD、RapidForm等逆向软件。通过借助

这些设备和软件它们所具有的产品扫描,数据处理和产品检测等功能,来完
成对产品的尺寸、形状位置的检测是可以实现,在工程应用上也是可行的。

1.4本论文课题的拟研究内容及技术路线
1.4.1本论文的研究内容
1、机械零件曲面数字化三维扫描测量工程方法研究。 目前,三维扫描测量的工作主要还是集中在测量算法以及将算法应用方 面的研究,对于在质量检测方面的工程应用研究还比较少。本论文将利用实


验室现有的硬件和软件来对三维扫拙测量在产品零件的质量检测作一个分析 研究,找到一种比较适合工程应用的产品质量检测的工艺流程。

2、机械零件曲面数字化模型技术研究
机械零件曲面数值化模型的建立是整个检测过程中最关键、最复杂的一

环。因为检测要求扫描获得的数字模型能准确的反映被测对象。而这个过程
的进行受到两个因素的影响,一是殴备硬件,包括数字化设备和逆向软件;

二是操作者(包括测量和造型人员)的经验。整个环节具有工作量大、技术
性强的特点。 因此,在模型数字化之前,应i羊细了解模型的前期信息和后续检测内容要 求。前期信息包括零件的几何特征、数据特点(类型、完整性)等:后续检 测内容包括结构分析、检测部位、检测精度、检测结果分析等,以选择正确 有效的扫描设备、逆向软件。 3、机械零件曲面加工质量检测可视化工程方法研究 为了能直观的观测被测零件与设计之间的差距,我们可以将被测零件重

构的模型与设计数字模型导入同一个界面进行比较。通过逆向软件提供的一? 些模块,如:Imageware提供的]:nspection模块、Geomagic提供的Qualify 模块、RapidForm提供的InsDection模块等可以实现检测的可视化。 一般的检测比较可以分为““:
1)3D比较:将测试模型与参考模型进行三维比较,通过彩色的结果图形 显示出测试模型与参考模型自己的偏差。

2)20比较:将测试模型与参考模型的横截面进行比较,通过形状图显示 出测试模型与参考模型截面之问的偏差。


4、机械零件曲面加工质量检测指标体系及报表系统
要判断机械零件曲面的加工质量是否满足设计要求就必须通过一些检测

指标来实现。通常通过检测零件的形位公差是否在没计允许的变动范围之内。 对于二次曲面,通过它的重构模型与原型进行圆度、直线度,平丽度、 圆柱度、线轮廓度、面轮廓度和同轴度等指标进行比较来判断的。
对于自由曲面,一般只能通过将重构模型与原型进行拟合来观测判断。 在完成了指标检测之后,一般都要求输出一定的检测报告,以便能够以 书面形式提供给检测人员一个直观的结果,并为今后的检测提供依据。 5、机械零件曲面DH;r_质量检测应用软件集成系统开发

要完成一个机械零件质量的检测需要多个步骤,如:测量、数据处理分

析、检测等,这些工作我们一般都是在不同的操作平台上完成的,对于操作 人员可能显得比较繁琐,为了能更加方便有效地工作,我们希望能建立一个
导向平台,把上述的工作按步骤的划分,并提供相应的流程说明指导。

1.4.2本论文的技术路线
1、机械零件曲面数字化三维扫描测量的技术路线

分析被测零件的情况,将被测件处理成最佳取像颜色,明确需要检测的 部位或结构,考虑是否会有测量死角,将零件固定在夹具上或安放在测量平 台上。确定扫描测量时的区域或范围,以设定三维扫描测量设备的行走参数,
对于需要旋转测量的被测样件一定要注意旋转中心是否和旋转平台中心尽量 重合或考虑旋转过程中由于偏心,设置的扫描范围可能会出现盲区。调节相

关的参数以及激光的强度,并预览激光束于待测物表面所形成之曲线的效果
情况。

2、机械零件曲面加工质量检测可视化显示技术路线…1
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3、机械零件曲面加工质量检测指标体系及报表系统建立技术路线 通过点云数据与CAD模型的比较,分析它们的拟合情况,找出它们之间 的形状误差。Inspection可以提供通过对其进行平直度、圆柱度、直线度、
同心度等来进行比较判断所测量得到的点云数据与原模型数据之问的差异, 从而来判断被测样件是否达到了原设计的要求,是否存在制造误差,并目.刊

以以图表形式或者PDF格式输出分析报告。 4、机械零件曲面加工质量检测应用软件集成系统开发技术路线

由于点云数据的处理和原型发计是在不同的平台完成,但是最终的检测 需要通过将原型与重构模型进行对比来完成,因此建立一个导向平台,为使 用者规划好操作流程将会极大的方便工作。利用VC建立一个导向平台,通过 这个平台可以有步骤的启用Imageware、UGNX等软件完成各个阶段的:[作,

并最终完成质量检测的工作。

1.5本论文结构
本课题主要研究的是基于逆向工程技术,利用3D扫描设备对零件进行尺
寸、形状等几何信息测量,并借助逆向软件完成点云数据的处理和零件尺寸、 形状等几何信息的检测。 第二章主要讨论逆IiE_E程技术的概念,介绍本论文课题中所采用的原理 和使用的硬件系统、软件工具,并介绍了误差分析和误差处理方法。

第三章主要从基于3D扫描的质量检测的硬件系统、软件系统的使用入手, 分析相关的工艺流程、技术难点、注意事项以及处理措施。
第四章主要从软件工程开发的角度完成基于31)扫描的质量检测的导向平 台的设汁开发。 第五章主要是通过对不同形面结构的零件进行测量检验来说明从实验准

备一)3D扫描一)点云数据处理一)3D比较一)报告生成一)报告分析的软 件硬件系统操作的全过程。 第六章对本论文的工作做出总结和展望,指出不足和需要进一步改进的
地方。

本章小结
本章为本文的绪论部分,首先从产品质量检测技术入手,分析存在的问题、 困难,得出选题的必要性,从而提出用逆向工程方法解决该问题,并介绍了 本论文的研究内容和采用的技术路线。


参考文献
[1]张公绪,孙静.新编质量管理学[6f1].北京:高等教育出版社,1997. [2]于涛.质量管理学[M].山东人民出版社.1995 [3]王随莲.机加工工序的质量检测及控制研究[D].LLI东科技大学硕士沦文,
2000.

[4]顾学银,张军.计量榆测对产品质量的保证[J].中国质量.2000年第10

划].

[5]唐新民计量检测在保汪产品质量中的作用[J].铁道技术监督.2005年第 1期. [6]Mylroi
M.G.and Galvert G.Measurement
nUS

and

Insturumentati on

for

Contr01.Petre Pereg J

Ltd,1984.

[7]王伯平.互换性与测量技术基础[M].北京:机械工业出版社,2002.

[8]张国忠,赵家贵.检测技术[M].北京:中国训量出版社,19981 [9]马海荣.几何量精度设计与检测[M].北京:机械工业出版社,2004.
[10]M】rris
S.B.Automated Manufacture System.u.S.A.:GLENCOE,1994.

[儿]郏永红.LMS三维通用测量软件开发【D].北京航空航天大学硕士论文,
2003.

[12]冯文濒.工业测量[M].武汉;武汉大学出版社,2004. [13]http://www.geomagic.com/en/register.php?media=zh/products/qual jfy/qualify8一zh.pdf. [14]姜元庆、刘佩军.UG/Imageware逆向工程培训教程[M].北京:清华大学 出版社,2003.

第二章基于3D扫描的质量检测原理
2.1逆向工程技术概述
随着全球知识经济的兴起和快速发展,竞争日益激烈的现代市场对制造 业提出了更苛刻的TQCS的要求。“,即以最短的产品开发周期(Time)、最优的

产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务
(Sex




ce)来赢得市场与用户。为了适应这种要求,近年来出现了许多的先进

制造技术,逆向工程即是其中突出的-3,1,。

2.1.1逆向工程定义
对于传统的产品开发,其流程是一种预定的顺序模式,首先分析市场需

求抽象出产品的功能描述(规格及预期指标),然后进彳亍概念设计,在这基础 上进行总体设计和详细的零部件设计,制定工艺流程,设计工装夹具等,最
后完成加工及装配,进行检验及性能测试,这种开发模式的前提是已完成了 产品的蓝图设计或其CAD造型“1。通常这种方式被称为正向工程(或顺向工程) 如图2—1所示“。。

团醒嚯}—骨圈
图2-1正向工程流程图

然而在很多场合下,一些产品并非来自于设计概念,而是起源于另外一

些产品或实物,要在只有产品原型或实物模型,而没有产品图的情况下进行
制造”1。在这种情况下就发展出了逆向工程技术,产品的逆向工程是根据零件 (或原型)生成图样,再制造产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、

软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究对
象,应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分

析和研究、探索掌握其关键技术,进而开发山同类的更为先进的产品的技术, 是针对消化吸收先进技术采取的~系列分析方法和应用技术的结合。逆向工 程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计模型,是通过对重构模
型特征参数的渊整和修改来达到对实物模型的逼近“’”】。广义的逆向:|=:程包括 形状(集合)逆向、:[艺逆向和材判逆向等皆多方面,是一个复杂的系统T
程…。

目前,大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状,即重
建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面,称为“实物逆向工程”。一般 将“实物逆向工程”可定义为:逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关的

数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称”1。 本文所指的“逆向工程”是指在通过借助3D扫描设备扫描产品后,实现 产品的表面信息数字化,在对获得的数字化点云数据处理后,将数字化的模
型和原实物的殴计CAD模型进行对比,以此来实现产,诮的快速、可视化的尺 寸及形位质量检测。

2.1.2基于逆向工程的质量检测工作流程
基于逆向工程的质量检测的工作流程主要可以分为以下三个阶段: 】、数据聚集 逆向:翻翌中的数据采集,是指通过各种现代化的测量手段,对样件表而

进行测量,将其表面实体信息转化成点坐标数据。因此逆向工程中的数据采
集又称为表而数字化”o,。

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,出现了各种各样的样件表面的几何数据获取方法““。这些方法基
本上可分为两大类,即接触式与非接触式测量方法。接触式数据采集方法通 常是用机械探头接触表面,机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。用于 接触式数据采集的机器人装置有很多种。该方法稳定,即伪劣点少、测量精

度高及重复精度高,但测量速度慢。非接触式方法利用某种与物休表面发生 相互作用的物理现象来获取其三维信息,如声、光、电磁等。其中应用光学 原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛,如三角形法、结构光 法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等。非接触式数据采集速度快、 精度高,排除了接触式测量探头与被测表面问,由摩擦力和接触压力造成的 测量误差,以及探头与被测表面问因曲率干涉而产生的伪劣点问题。获得的 密集点云信息量大,精度高,最大限度地反映被测表面的真实形状。
2、数据处理 通过测量设备对自由曲面进行密集扫拙,可采集到数兆甚至数十兆字节

的测量点““。这样大量的测量结果被形象地称为“点云”,这种数据类型是目
前的CAD/CA~I/CAE系统无法接受和处理的,因此,在进行曲而重构之前,需 要划“点云”数据进行相应的预处理。数据处理是逆向jF程中的关键环节。 它的结果将直接影H向后期模型重构的质量。对散乱数据进行曲面重构的难点 在于,如何在数据点集中,自动地得到邻近点之刚正确的拓扑连接关系““。

而正确的拓扑连接关系将有效地揭示散乱的数据集里面所蕴涵的原始样件表
面的形状和拓扑结构。 数据处理过程经常包括以下几方面的工作:①数据预处理。如噪声处理,

多视拼合等。增强数据的合理性及完备性。②数据分块。整体曲面的拟合往 往较难实现,通常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面。③数据光顺。通常 采用局部回弹法、圆率法、最小二乘法和能量法等来实现。④三角化(STL)。 它直接为RPM产生切片数据和为Bezier三角曲面造型奠定基础。⑤数据优化。 压缩曲面片内不必要的数据点,减少后期计算量。⑥散乱数据处理。对于具
有较复杂形状的工件,测量数据中必然有一部分是无序的,须建立数据点问 的拓扑关系m,。 3、CAD模型的检验与修正 将获得的CAD模型与我们将最初的设计CAD模型对比,来检验制造的产 品是否满足精度或其他试验性能指标的要求,对不满足要求者进行分析并找 出相关原因。 由此可见一个完整的基于逆向工程体系得质量检测主要包括数据获取、 数据处理、CAD模型的检验与修正几个主要部分。由于逆向工程在实施过程中 所涉及的内容和面临的问题多,所以是一个系统工程““。依据其工作流程,

这里给出了逆向工程的整体框架模型,如图2—2所示。

图2-2基于逆向:[程的质量检测流程图

其中,数据获取是逆向工程的首要前提,也是检测合理的、准确的样件 CAD模型的重要保障。数据处理的任务是针对存在的杂点,对测量数据进行相 应的处理,以满足其对测量数据质量、数量及拓扑结构的不同要求。它的结

果将直接影响后期样件检验的准确性。

2.1.3逆向工程的工程应用领域
逆向工程不仅能够复制复杂的零件,而且能够缩短从没计到制造的周期,

是帮助设计者实现并行工程等现代殴计概念的一种强有力:[具,因此它在工
程上『F得到越来越广‘泛的应用。逆向工程的应用主要在以下几个方面: 1、复杂零件的快速设计‘

对于具有复杂外表面,特别是自由曲面的零件,往往设训周期较长。例
如利用模具加工产品的生产方法,通常是先进行产品的概念设计,然后设计

和制造模具,再加工出产品的样品。此时若样品不能满足要求,则需更改产
品和模具的设计,修改甚至重新制作模具,从而导致了产品的设计周期较长、 成本较高。为了在短时间内获得最优化的设计,一般可以先制作一个满足需 要的手工物理模型,然后用逆向工程方法从物理模型构造出优化的CAD模型。 例如,现在的许多家电产品的外壳加工就属于这剩-情况”3。 2、已有零件的复制

在某些情况下,有些零件的图纸不存在或者无法得到,这时可以通过逆 向工程的方法对零件进行复制“1。
3、损坏或磨损零件的还原 对于某些制造工艺复杂,成本较高的零件,如大型曲轴,当其部分表面 损坏或磨损时,应采用修补和还原的方法,达到降低成本的目的。在这种情

况下,可以直接采用逆向工程方法重构出CAD模型,对损坏的零件表面进行 还原和修补。由于被测零件表面的磨损,损坏等因素,会造成测量误差,这
就要求逆向工程系统具有推理,判断能力。例如对公称尺寸、对称性、表面

间的平行、垂直等特性的判断。最后加工出满足要求的零件,这样可以节省 大量的成本和时间“1。
4、模型精度的提高 设计者基于功能和美学的考虑,需要对一些产品进行概念化没计,然后 使用一些软材料,例如木材,石膏等,进行模型修改和精练,直到满足各种 需求。在这个过程中,由于对初始模型的改动非常大,没有必要花大量的时 间用手工的方法使模型的精度非常高 模型的精度”1。 5、可视化产品检测 对加工后的零件,进行扫描测量 再利用逆向工程方法对测量点云数据 这就可以采用逆向工程的方法来提高

进行处理,产生的模型与初始的CAD模型在计算机上进行数字比较。这样就

可形缘地显示,tlJDHI出来的零件与设计之问的差别,使制造加工精度可视化,
从而对提高和改善加工方法、加工:[艺起到指导的作用,同IV]电能提高效茄, 降低成本。

2.2产品质量检测标准
一般来既,对于机械产品或者相关的零部件的检验,我们主要是从产品 (i9性能、参数、结构和尺寸等方面进行检验。前面我们介绍了通过逆向工程 技术我们能获取到产品的数字化信息,主要是三维尺寸信息。之后我们就要

划获取的信息进行分析,判断制造的产品是否满足设计要求。这就需要我们
明确一个检测标准,并以该标准来对产品进行检测。在本论文课题中所讨沦 研究的产品质量检验主要是集中分析产品的尺寸方面的制造精度,考虑的是 产品的形位误差。 所谓误差是指实际测得值与被测的真值之间的差“”。若对某量的测得值 为a,该量的真值为x,则误差6为:
6=a—X

(2—1)

2.2.1形状误差及其误差值“5
形状误差是实际被测要素对理想被测要素的变动。形状误差值用最小包
容区域的宽度或直径表示。最小包容区域时与形状公差带的形状相同、包容

实际被测要素、具有最小宽度或最小直径的区域。 在给定平面内的直线度误差值是平行直线最小包容区域的宽度;给定方 向上的直线度误差值足两j12行平面最小包容区域的宽度;任意方向上的直线
度误差值是圆柱面最小包容区域的直径;平面度误差值是两平行平面最小包

容区域的宽度;圆度误差值是两同心圆最小包容区域的宽发;圆柱度误差值
是两同轴圆柱面最小包容区域的宽度。 在满足零件功能要求的条件下,允许采用近似的方法评定形位误差值。

2.2.2位置误差及其误差值“5
位置误差有定向误差、定位误差和跳动三种。 定向误差是关联实际被测要素对具有确定方向的理想被测要素的变动。

理想被测要素的方向由基准及理沦iF确尺-d(角度)确定。定i甸误差值用定
向最小包容区域的宽度或直径表示。

定位误差是关联实际被测要素列。具有确定位置的理想被测要素的变动。 理想被测要素的位置山基准及理沦正确尺寸(角度)确定。定位误差值用定
位最小包容区域的宽度或直径表示。 跳动又可分为圆跳动和全跳动两种。圆跳动是实际被测要素绕基准轴线 作无轴向移动回转一周时,由位置固定的指示删在给定方向一L_;91,LI得的最大与

最小读数之差。全跳动是实际被测要素绕基准轴线作无轴向移动连续回转, 同时指示器沿轴向(径向)连续移动,由指示器在径向(轴向)测得的最大
与最小读数之差。 在测量定向、定位误差时,在满足零件功能要求的条件下,允≯l:采用模 拟的方法体现被测要素。

2.2.3基准的建立和体现
基准是用来确定理想被测要素的方向或(和)位置的要素。 当只以一个要素来确定理想被测要素的方向或(和)位置时,该要素称 为单基准。当只以一个要素作为基准不能完全确定或不能可靠地确定理想被 测要素的方向或(和)位置时,应以一个以上要素作基准。若基准为若干问 断的几何要素,称为组合基准要素。

基准的体现方法有模拟法、直接法、分析法和目标法等四种o“。 1)模拟法
以具有足够形状和位置精度的表面体现基准平面、基准轴

线和基准点“”。模拟法是一种常用的体现基准的方法。当实际基准要素的形
位误差较小,又能与模拟基准实现稳定接触史,可以获得较高的精度。若基 准要素的尺寸较大,模拟基准的制造和使用都比较困难,就不宜采用模拟法。 2)直接法 当实际基准要素具有足够的形状和位置精度时,可直接作

为基准“…。直接法比较方便,但其测量结果受实际基准要素的形位误差的影 响较大。 3)分析法 对实际基准要素进行测量后,根据测得数据,用图解或计

算的方法确定基准的位置o…。分析法比较麻烦。多在测量精度要求较高,或 为分析工艺过程时采用。 4)目标法

当设训图样规定用基准目标建立基准时,可按图样标注的

要求,在规定的位置一k、按规定的尺寸和形状,以适当形式的支承来体现基 准㈣。

2.2.4基本几何元素的形状误差
基本JI,tlq元素指的是自然参数曲线曲面,即指二次以下的参数曲线曲而。

基本几何元素包括直践、平面、圆、椭圆、球、圆柱和圆锥等7个元素”’。 对应的,基本几何元素的形状误差包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、 圆锥形状误差、球度和椭圆度。其中球度和椭圆度在我们的国家标准中没有 规定,但在实际的测量中,对这两个形体的评价也很重要。 直线度误差是指实际直线对理想直线的变动量。直线度误差分为给定平 面内、给定方向和任意方向的直线度误差等三种形式。直线度误差可以采用
最小包容区域法、最小二乘中线法和两端点连线法等方法来评定。在 Imageware中我们利用软件提供的模块可以基于最小包容区域法测量直线度, 如图2—3所示。

图2-3直线度

平面度误差是指实际被测平面对理想平面的变动量。平面度误差可以用 最小包容区法、对角线平面法、三远点平面法和最小二乘平面法来评定。

图2—4平面度

圆度误差是指回转体的同~正截面上实际 被测轮廓对其理想圆的变动量。圆度误差以用 最小包容区域法、最小外接圆法、最大外接圆 法和最小二乘圆法来评定。 球度误差是指实际被测球对理想球的 变动量。由于国家标准《形状和位置公差》 中有把球度公差单独列为一项,而把球面
图2-5圆度

视为一般曲面,所以图样上对球面形状精
度的要求用面轮廓度公差来标注和表示。

相应的,球度误差也用面轮廓度误差来表
示。球度差可以用最小包容区域法、最小

外接球法(测球的外表面时)、最大内接 球法(测球内表面时)和最小二乘球法等方法
图2-6圆柱度

来评定。 圆柱度溟差是指实际被测圆柱面刑其理想圆柱面的变动量。圆柱度误差 是衡量实际柱在横截面和轴截面内的形状的综合指标。圆柱度误差可以用最 小区域包容法、最小接圆柱法、最大内接圆柱法和最小二乘圆柱法等方法来 评定,或者是采用几种方法的综合。

圆锥形状误差是指实际被测圆锥面对其理想圆锥面的变动量。圆锥的形 状误差包括圆锥素线的直线度误差和截面的圆度误差,圆锥的测量包括对它 的锥角和锥削度的测量。
椭圆的形状公差在我国的囝家标准中同样没有规定。因此,椭圆形状误 差的定义可以仿造圆度误差的定义,规定实际被测椭圆线对其理想椭圆线的 变动量。椭圆度的评价可以采用最小=乘法。

2.2.5形状和位置误差检测的基本规定
国家标准《形状和位置公差检测规定》(GB/T1985—1980)规定测量形
位误差时,应排除表面粗糙度、划痕、擦伤以及塌边等其他外观缺陷,并以 测得要素代替实际要素来评定形位误差“…。 国家标准规定了五条形位误差检测原则,在检测形位误差时,应根据被 测对象的特点和检测条件,按照这些原则选择最合理的方案”‘”1。 1)与理想要素比较原则 与理想要素比较原则是指将被测实际要素与理想要素相比较,在比较过

程中获得数据,按数据来评定形位误差。
2)测量坐标值原则 测量坐标值原则是指利用训量器具的坐标系,测出实际要素上各测点对

该坐标系的坐标值、再经过计算确定形位误差值。
3)测量特征参数原则 测量特征参数原则是指测量实际被测要素上具有代表性的参数来近似表 示该要素的形位误差。 4)测量跳动原则

测量跳动原则是指在被测实际要素绕基准轴线回转过程中,沿给定方向
测量其对某参考点或线的变动量,变动量是指指示器最大与最小读数之差。 5)控制实效边界原则

控制实效边界原则是指按最大实体要求给出形位公差时,给出一个理想 边界一最大实体实效边界,要求被测实体不得超越该理想边界。通常用位置
量规进行检验来判断被测实体是甭超越最大实体实效边界。

2.2.6形位误差的评定和检测标准
形状和位置误差(简称形位误差)是指实际被测要素对其理想要素的变动 量,形位误差是形位公差的控制对象。

目前评定形位误差主要有两种方法,最小二乘评定及包容评定。所谓包 容评定是指:用理想要素去包容实际要素的误差图形,并使包容最小“”。 形位误差就是把理想要素对其实际要素进行比较的结果,这理想要素称 为评定基准。根据不同的检测对象,评定基准可以是一条直线、一个平面或 其他的几何要素。如果实际被测要素与理想要素在比较中能够处处重合,则
形位误差为零:倘若它们在比较中不能处处重合,则表示实际被测要素存在 形位误差。. 将实际被测要素与其理想要素比较时,实际被测要素各点对理想要素变 动量的大小不一定相等,理想要素的位置应符合最小条件。那理想要素处于 符合最小条件的位置时,实际被测要素对理想要素的最大变动量为最小。而

理想要素所处的位置应使实际被测要素对它的最大变动量为晟小。
最小条件是评定形位误差的基本原则,但在满足零件功能要求的前提下,

允许采用近似的方法来评定形状误差。最小条件可以理解为对实际被测要素 评定的误差值为最小。因此,按最小条件评定形状误差,就能最大限度地通 过合格件,不致于将合格件误废。显然,当实际被测要素的形位误差采用近
似方法评定时(如用两端点连线法评定直线度误差,用对角线平面法评定平面

度误差),这样评定的醒差值若小于公差值,就不一定需要再按最小条件评定
【【8]

2.3

3D扫描质量检测硬件系统
我们已经知道要对产品进行形状误差方面的检验,首先就需要获得产品

的三维数据,这样就必定要选定一个测量工具,也就是检测的硬件系统。目 前,用来采集物体表面三维数据的测量设备多种多样,其原理也各不相同。

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方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触,逆 向工程中物体表面三维数据的获取方法基本可分为两大类,即接触式与非接 触式。根据测头的不同,接触式又可分为触发式和连续式:非接触式按其原 理刁i同,又可分为光学式和非光学式。其中,光学式包括三角法、结构光法、 计算机视觉法、激光干涉法等;非光学式则包括CT测量法、MRI测量法、超

声波法和层析法等”…。各种测量方法的具体分类如图2 3所示”11。

图2~

三维测量方法分类图

根据图2—7中所提到的一些测型方式,我们就其测量精度、速度、可测
量轮廓的复杂程度、对材料是否有限制及成本等方面进行比较,结果如表2-1 所示“”。目前我们实验室可以选用的系统有智泰公司生产的三维雷射扫描控 制系统(3D
Laser

Scanner Control

System)和博维恒信公司的三维彩色数

字化系统——3D CaMega三维彩色数字化系统(结构光三维扫描仪)。
袭2-1各种测量方式的比较 测量方式 三坐标法 激光三角 法 结构光法 CT及超声 波法 精度 测量速度 慢 可测量轮廓 的复杂程度 较差 对材料是否 有限制 有限制 无 无 测量成本 较高

0.6~30¨n

±5帅

一般 快

一般 好

较高 一般

±1~4-3Pm

lmm

较慢





对于我们要进行质量检测的工作,因此我们希望选用的测量扫描系统能 有较高的测量精度,对被测对象的材质或者轮廓J髟状要求不要太高,能有较 快的测量速度,并且测量得到的数据能方便的导入到逆向软件中进行后序处
理。

目前我们实验室可以选用的系统有智泰公司生产的三维雷射扫拙控制系
统(3D
Laser Scanner Control

System)和博维恒信公司的三维彩色数字化

系统——3D CaMega三维彩色数字化系统(结构光三维扫描仪)。

2.3.1激光扫描系统(智泰)
该系统的主要性能特点021: 】)零级精度200ram厚花岗石平台作机身,稳定不变形,精度持久保持; 2)单独控制柜集成没计:

3)全闭环式运动控制,提高抄数机的定位精度; 4)双CCD取点,消除扫描死角:
5)采用线激光扫描,速度快:

6)四轴CNC全自动扫描。
型号LSH400(女N图2—8)的技术参数:

1)有效行程(mm)600(Y)*800(Z)
*400(X)*360。:

2)外形尺寸(Jn【11)1400.1200.2000:

3)扫描量测精度(nlm)0.01; 4)机台定位精度(mill)O.005;
5)文件输出格式ASC,STI,,OBJ,
IGEs,DxF,vRML:

图2-8 LSH型三维抄数机

6)扫描方式:平面扫描,旋转扫描,2相位扫描,混合扫描;
7)量测景深(mm):150: 8)机台结构零级精度200mm厚花石平台: 9)CCD感测器2组。 同时,该系统还配有自带的控制系统,主要控制设定界面如图2-9、2
10

所示,在这个界面内我们能方便的对测量工作进行参数设置,主要的参数设 置有:选择何种扫描方式,对被测样件进行测量范围的设嚣,调整最佳的测
量状态。通过良好的参数设置,我们才能很好的完成测量任务。

图2-9扫描前的参数设置主界而

19

例2.10扫描后的点云显示

2.3.2光栅扫描系统(博维恒信)
3D

CaMega三维彩色数字化系统(光学三维扫描仪),采用了光学照相式

的快速摄影方式,与高精密数控旋转台配合使用,从不同方位自动对被测物

件进行图像采集;经三维图像处理软件的计算,自动生成具备各像素对应点 空间坐标(x、Y、z)和色彩(R、G、B)复合数据的三维彩色数字图像。
该系统的主要特点““: 1)精度与速度同时获得
3D

CaMega三维彩色数字化系统可以在0.4秒之内完成单幅图像的采集,

获得百万点以上高精度的点云数据,最高精度可达0.015mm。
2)所见即所测
3D

CaMega就像人的眼睛一样,只要能够看到被测物体表面的部分就可以

提取到图像进行计‘算,获得点云数据。
3)完美的原始数据
3D

CaMega可以在采集数据的同时自动识别被测物体的轮廓,自动屏蔽周

边的无效数据,并且可在二维图像中进行编辑,任意取舍数据,为点云数据 后处理赢得了更多更宝贵的时间。 4)真实彩色三维数据 无需采用贴图的方法就可得到 24bit的三维彩色数据,每个数据点除具 备x、Y、z的信息之外,同时也有R、G、

B的特征,真实的再现现实世界中的物
体。
3D

CaMega便携系统——CS系列的
图2-J1
3D

CS一400型(如图2一¨),它的主要技 术参数如下:

CaMega便携系统一
CS-400

”单次拍摄范围(咖):400×320;

2)拍摄距离(啪):1000:
:3)景深(inffl):一120~+120; 4)X、Y分辨率(IIl『n):0.312; 5)测量精度(Iillll):0.04;

6)图像分辨率(pixe]):1280x

1024;

7)纹理色彩(bit):240嗽8
8)快17(秒):0,4。 同时,改系统配有白带的控制系统(如图2一12,2一】3),能方便的对测量 工作进行参数设置,较好的完成测量任务。

图3-12博维恒信系统启动界面

图2一13博维恒信系统扫描界面

2.3.3智泰系统与博维恒信系统比较
在实际使用过程中,这两种系统各有优缺点。
对于智泰扫描系统,它对被检测件的形状、材质、颜色要求不高,并且

它配有旋转平台,能对样件进行360度旋转扫描,能够减少拼合的工作,以 达到保证对样件的测量精度。另外,智泰系统的测量精度相比博维恒信系统 的精度要高,刑于质量检测,我们强调的就是测量精度,以避免减少引入不
必要的误差。但是智泰系统的扫描时间相对3D CaMega系统偏长,如果考虑 现场在线检测,这样的扫描时间是不能满足要求的。3D CaMega系统,它列形

状要求不高,但是对样件表面的光学性有一定要求,对1二反光强烈的表面进
行扫拙拍摄必须先列样件表面进行处理,如喷漆或显影剂等。另外,由j一该

系统没有配备旋转平台, 对于一些需要进行360 度扫捕拍摄的样件,需要 手动旋转,虽然可以通过

在物体上进行做标记点
的方式来进行多次拍摄 的拼合,但是对于质量检 测无疑又会产生一定的 误差量,这样将极大的影 响检测精度。此外,博维
幽2一¨两系统剥菜冲压件扫描点云图

恒信系统对被测样件的定位不够理想,它没有一个较好的对被测物体定位的 参数设置,对于要进行拍摄的样件获取最佳的测量位置需要手动不断调整, 这给测量带来了极大的不方面,也会影响到测量的精度。图2一14是用两套系

统对某冲压件进行的拍摄图。从图中的点云数据我们也可以看出,智泰系统
测量得到的点云数据相比博维恒信系统要好,智泰系统测得的点云相对比较 全,测量得到的信息也就更加丰富,这对于我们进行质量检测,显然智泰测 得的点云更加能方便我们的检测工作。

两套系统对于具有深孔或者通孔的位置扫描都不能获得满意的数据。 根据对两套系统的使用情况,在本论文的研究过程中,主要采用的是智
泰扫描系统。

2.4

3D扫描质量检测软件系统
伴随着逆向工程及其相关技术的理论研究的深入进行,其成果的商业应

用受到重视,而逆向工程技术的工程应用的关键是开发专用的逆向工程软件。
在专用的逆向软件出现之前,CAD模型的重建都依赖靠于正向的CAD/CAM/CAE

软件,如:UG、CATIA和Pro/E等。由于逆向得特点,正向CAD/CAM/CAE软件
不能满足快速、正确的模型构建的需要。目前,面市的产品类型已达到数十 种之多,较具有代表性的主要有:EDS公司的Imageware软件、Raindrop Geomag]c公司的GeomagiO Oualjfy软件、DELCAM公司的Copy CAD软件、INUS Techno]ogy公司的RapidForm软件等。

剥于软件的选择,我们主要考虑的是它能否对我们前面扫描荻得的点云 数据文件进行读取,并且能提供丰富的点云处理模块,同时能提供质量检测 的相关检测功能。 考虑到我们所使用的智

泰系统,以及我们的建模工
作所使用到的UG软件,在做 点云处理的软件选用上,我 们选择了EDS公司的

Imageware软件,如图2一15。
首先,它有良好的数据接口, 能实现不同系统之问的良好 通讯,并且智泰系统测量的 点云能很好的被其兼容,另

函2-15

Imageware主界而

外uG软件与Imageware本身 就是一家公司的产品,它们之间的数据兼容性也很好。我们从智泰系统扫描
后获得的数据文件格式是aSC的后缀名文件,而从UG建模后得到文件格式是

prt的后缀名文件,Imageware对两种文件格式都兼容,能很好的保证工作进 行。另外,Imageware软件具有强大的测量数据处理、曲面造型和误差检测的
功能;可以处理几万至几百万的点云数据:根据这些数据构造的A级曲面具

有良好的品质和连续性;其模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲 面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、圆度等几何公差。“,同时它
的检测原理也是基于最小包容的原理,符合我们前面所说的产品质量检测标 准。基于以上的情况,我们选择了该软件作为测量后的处理软件。

2.5

3D扫描质量检测的误差分析
对于3D扫描质量检测的误差分析,主要考虑的是测量当中所产生的误差。

一般影响测量精度的因素很多,如测量的原理误差、测量系统的精度以及测 量过程中的随机因素等,都会对测量结果造成影响,从而产生测量误差。影 响数据测量的误差及精度的因素主要有以下几点。
l、物体自身的因素 在样件测量中,被测物体本身的材料、粗糙度、颜色、光学性质及表面

形状,对光的反射汞I吸收程度有很大的差异,尤其是物体表面的粗糙度和折 射率等因素对测量的精度产生重大的影响。例如:在进行物体轮廓测量时, 若被测物体表面上入射光点处的法线与入射光轴不重合,则散射光场的空间

分布发生变化,导致光斑重一LI,偏移,从而会直接影响测量精度;不同颜色、 材料、光学性质、表面相糙度及面型特征的物体表而,在同一光源入刺时列

光的反射和II及收不同,特别是物体表面的粗糙度及折射率等因素严重影响物
体表面的光散射,从而使通过成像透镜获得的光斑图像像质差别很大l…。一 般处理这样的情况,我们主要根据被测物体来选择扫捕系统;对于需要进行 表面处理的就进行适当的表面处理,使其符合测量要求;选择适当的夹具或 者进行多次拍摄。另外,被测样件在按照设计要求制造时也会存在制造误差。 2、标定的因素 所有的测量方法都需要标定。对于光学测量系统而言,由于光学测量系

统的制造和装配时必然存在误差,因此,对于物点到像点的非线性关系的标
定技术更是获取物体三维坐标的关键。由于,测头的变形以及标定时对光学 系统进行了许多理想假设,因此都会带来一些很复杂的非线性系统误差,影

响测量数据的精度。但是,它们有一个的特性,即一旦系统确定,这些影响 因素电就确定。通过对系统参数的实际标定,可以将这些影响因素消除或减
小到允许的范围内。 3、摄像机的分辨率

CCD摄像机的分辨率主要是靠尺寸和像素问距大小来决定的。对整个测量 系统的分辨率而言,它主要取决于测量的范围。此外,扫描系统的运动装置 的移动误差也会降低测量精度。因此,在激光扫描测量系统中,采取有效方
法,通过光束细化以减小入射光斑尺寸、提高光斑聚焦景深、增大通光孔径、 减小散斑对比度、控制光强、光斑中心提取前对图像进行滤波处理等来减小 被测物体表面特性所;带来的测量误差。改进光斑中心提取算法以减小算法误 差使之具有高精度。 4、可测性的问题

在采用CMM或光学系统测量时,都存在着可及性的问题。尽管多数情况
下,可通过加长测杆或采用多个视点扫描的方式来解决。但在处理如贯通孔 之类的不可及表而时,采用光学扫描的方法无法获取完整采样数据。阻塞问 题是由于阴影或障碍物遮挡了扫描介质而引起的。除了自阻塞外,固定被测 物体的夹具也会引起阻塞问题,夹具体表面成了测量的一部分,而被夹具覆 盖的那一部分被测物体表面则未测到。 5、参考点的误差

在对物体进行多次测量,然后进行拼合的情形中,参考点引起的误差。
因为,我们即时设置了特征点、特征线、特征面来进行拼合,但是由于软件

本身的计算以及多次拍摄中拍摄条件的变化,电会不可避免的产生一定量的
误筹。

6、测量探头半径补偿误差 主要发生在接触l式CMM测量系统。

7、测量人员视觉和操作误差
测量人员视觉和操作误差主要是在手动测量过程中,特别是进行基准点、 表砸棱线和轮廓测量时。 8、数据处理误差

数据处理是指对测量数据进行平滑及其转换。数据平滑有时会损失特征
点的信息,而数据转换又称数据坐标变换,主要用于多视数据的重定位,受 测量范围的限制,当零件的外表和内腔(或零件的上下面)都需要测量时, 测量过程要分多次装夹完成,因为每次测量的坐标系是不同的,而造型必须 统一在一个坐标系下进行,这就存在一个数据的坐标转换(重定位)。

本章小结
本章内容主要讨论的是在本论丈课题中所采用的原理和使用的系统工具, 首先从逆向工程的概念导入,在介绍质量检测要达到的指标系统的基础上, 引出了基于3D扫描使用的硬件系统和软件系统及其功能,最后介绍误差分析
和误差处理原理。

参考文献
[1]殷国富等.计算机辅助工艺设计技术与应用[M].科学出版社,2000. [2]Papstel
Proceedings

Jyri,Saks
of SPIE—The

Alo.Virtual

manufacturing Soci ety

in for

reality. Optical

Intjrnational

Engineering[J].2000(Nov 6):p 123~133. [3]ganerjee
Amarnath.Behavioral virtual
CS

layer

archi tecture

:for

telecollaborative Transactions
013

manufacturing

operations[J].IEEE

Robotj

and Automation.2000

IEEE(Jun 3):P 218~227.

[4]张巨香.反求工程存模具制造中的应用[.J].机械工人,2002(11):46—47. [5]周永强,华林.正逆向集成设计在对讲机外壳造型中的应用[J].金属成形 :[艺,2003,21卷5期.

[6]查雪梅.基于激光360度回转测量和Pro/Scan—Tools集成逆向工程系统
研究[D].四川I大学硕士学位论文,2003. [7]Mayrom J h a]es,M.,Mason,.T.,Westori,w
:for t}le
manu

A case of reverse engineering


facture 0f Wi cle chord

fan blacles(WCFB)IJSed j

FO¨S R()yce

aero

engines[J].Journai

of MaterJal



Processing Techno]ogy,2003,134

(:3):279—286.

1.8]Fine,L.,Leon,,工A

reverse

engineering approach foI fi



J te e]emen t

model generation of。historical constructions and j ndustrial Proceedings of the Th Jrd International Conference
On

paz’ts[J].

Cng[neer J ng

Computationa]Techno]ogy,2002,p9—10.

[9]金涛,童水光,颜永年.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社,2003. [10]|=|=f晓东,史桂蓉,阮雪榆.复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术[J].
机械没汁与制造工程.2000,29(4):1~3. [11]孙福辉,席平,唐荣锡.复杂产品集成逆向工程系统及其关键技术[|]. 北京航空航天大学学报.2001,27(3):351—353. [12]孙超.逆向工程技术在船模数字化检测中的应用研究[D].武汉理工大 学硕士学位论文,2004 [13]戴静.逆向工程数据处理关键技术研究[D].南京理工大学硕:l=学位论 文,2002. [14]甘永立.形状和位置误差检测[M].北京:国防:[业出版 社,1995:209—242.

[15]刘巽尔,于春泾.机械制造检测技术手册[M].机械工业出版社,2003,3.
[16]李世阳.形位误差检测[M].西安:陕西科学技术出版社,1988:卜6
89—93.

[17]郑鹏.形位误差计算机评定系统的研究[D].郑州大学硕士论文,2003,
9.

[18]杭媛.逆向工程方法及其在轿车门板检测中的应用研究[D].燕山大学硕
士学位论文,2004.

[19]金涛.反求工程中产品三维模型重建技术及应用研究[D].浙江大学博士
学位论文,2000.

[20]潘俊伟.三维面形数字化技术及可视化研究[D].南昌大学硕士学位沦
文,2004. [21]王霄,刘会霞,梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版 社,2004. [22]http://www.3dfamily.corn.cn/chinese/pz
oduc Ls一】sh.asp.

[23]http://www.3dcamega.coIn/pr()duct/product2.htm.

[24]李德龙.物体三维轮廓激光扫描测量技术研究[D].吉林大学硕士学位论
文,2001.

第三章基于3D扫描的质量检测的 工艺流程设计
3.1基于3D扫描的质量检测的工艺流程
上一章我们已经介绍了检测的硬件及软件,并且对检测依据进行了分析 介绍。现在要完成对一个样件的3D扫描,并完成其质量(形状公差)检测, 需要完成的工艺流程可以分为以下几个步骤:

1、实物样件在测量前的准备以及在扫描平台一k的定位
测量前首先要对样件进行分析和测量系统的归零回位。由于样件的形状 不一,或者需要扫描的部位要求不一样,以及测量系统本身的要求(景深、 测量范围、测量精度等),我们需要剥样件进行分析,以保.iiEN量的效果最佳, 获得的测量数据能保证检测的要求。例如以下几种样件(如图3一1)的测量,

我们就需要根据其具体的形状和测量要求进行定位分析和布置等。例如,冲
压件由于存在几处曲率变化大的地方,在一次扫描后获得的点云数据是不能 够充分描述样件的几何信息的,因此需要对其进行多次扫描。

(c)齿轮

幽3—1几种不同样件

2、启动扫描系统进行扫描获取点云数据 在完成样件的定位工作后,我们就要开始启动系统进行扫描测量工作了。 但是,由于样件需要测量的不同,为了能准确的测量,在测量前,一般需要 对测量系统参数进行设置。例如:根据样件的长、宽、高设置系统行走的x、

Y、z三个方向行走的限程,一般x(转台所在的轴向)的位置主要是从景深 考虑,保证被测件能在测量系统的参考面内,Y(立柱的横向)和Z(立柱的
纵向)的位置主要是考虑将被测件 完全扫拙到;根据样件需要判断是

采用旋转测量还是平面测量j自动
测量还是手动控制转台测量(如图 3—2)。另外,由于有时候我们会采

用旋转平台来对具有回转体形状 的样件测量,因此一般会按旋转角
度分几步测量,例如:分三步每次 旋转120度;分四步每次旋转90
图3—2三方向辅及转台图

度等,这种选择要根据你测量的需要来定,对于较复杂的旋转曲面,为了获 得更多的点云数据可以将每次旋转的角度选小些,对于一般的回转曲面来说, 旋转角度的选择可以不用太强调。 3、点云数据导入Imageware软件

获取点云数据后,我们显然需要梅获取的数据进行处理,因此就需要将
点云导入Imageware软件中。智泰系统提供给我们的一般的点云数据格式是 aSC后缀格式的文件。对于政格式,imageware完全兼容,且能保汪测量的信 息不会丢失。 有时候,对于非规则的旋转曲面扫描测量时,我们会采取平面扫描的方 式,但是通过设定旋转平台也能对曲面的形状完成测量。这删的样件测量后 得到的数据是分几个独立文件存储的,当我们需要列样件进行整体分析处理

点云数据的时候,我们需要将几个独立的文件一起导入到Imageware软件中。 因为之前扫拙时候的旋转是在一个坐标系完成的,所以虽然是几个独立的文 {,1:,导入Imageware后,它们仍然是在一个坐标系中,因此,不存在拼合的 工作,这为下一步的点云数据处理提供了很好的便利,也减少了因为拼合而 造成的误差。

另外,对于一些样件可能~次扫描不能获得最佳数据,因此需要多次拍
摄,这时就会出现坐标系的变化,扫拙完后的文件导入到Imageware中时, 将不会是一个坐标系,这就需要在ImagewaFe中进行拼合。 4、分析、处理点云数据 产品的几何外形数据是通过测量来软取的,一方面,测量殴备不可避免 地会引入数据的测量误差,尤其是尖锐边、曲率变化大、样件边界附近的测 量数据。测量数据中的坏点,可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲丽。同

时由于实物JL何和测量手段的钳j约,在数据测量时,会存在部分测量茸区和 缺口,给后续的工作带来影响。因此,需要参照被测件来对测量数据进行一
定的分析和处理。另外,由于激光扫拙,测量时会产生海量的数据点,这样 也需要对数据进行精简处理。另外,由于一些样件的扫描是在变化了的坐标 系内扫描完成的,因此对于这科一情况,我们还需要寻找特征点,对它们进行

拼合,以保证能够获得最佳的数据,真实的反映样件的几何形状数据。 5、设计CAD模型导入Imageware软件 要完成检测,我们就需要有一个基准或者是一个参照物。~般来说,样
件的设计模型就是一个最好的基准或参照。因此根据设计尺寸构建的样件的 3D模型就能作为质量检测的一个基准。一般,我们根掘原设计尺寸在UG中完 成对样件的3D建模。然后,我们将该模型文件导入到已经前面已经处理好的 点云数据的界面中。

6、点云数据和CAD模型的对齐
对任何产品进行质量检测都需 要~个标准,在本论文的研究对象主 要是一些具有各种外形的样件。通过

三维测量,我们获得了样件的三维坐
标数据以及特征信息,这时我们需要 一个标准来检验前面所测量的结果。 在这个阶段,我们主要是通过前面步 骤导入的设bi—CAD模型作参考,需要 做的主要工作是将测量数据和CAD模 型进行对齐,依据前面提到的检测标

嘿攀冀睽鬻黧慧纂篆

D‘u…1p

n口ut‘

I到3-3 Imageware拼合菜单

准进行拟合达到最小包容。对齐的方式Imageware中的Modify下的Align菜 单提供了很多方式(如图3-3),我们需要依据具体的情况来选择。 7、设定检测标准完成比较

在测量数据和CAD模型对齐后,我们可以,。l‘始进行检测,主要是形位和
尺寸方面的检测。我们可以根据设计中提出的公差要求在Imageware设定需 要检测的形:状和尺寸的公差范围。

8、输出比较结果并进行分析
在Imageware中完成检测:[作后,我们可以利用Imageware的检测结果 的报表功能输出检测结果,通过对报表的分析完成对测量结果的分析。 在整个工艺流程中,对被测零件的数据获取(零件表面数字化)、CAD模 型和点云数据的对齐、检测分析是其中的几个重点。

3.2基于3D扫描的质量检测的零件表面数字化技术
基于3D扫描的质量检测的零件表面数字化技术主要包括两个方面:零件 的测量和测量后数据的处理。

3.2.I零件的3D扫描测量
当用测量设备获I殴零件形状数据时,为使得到的数据真实、完整,应重 视以下问题。 1)标定:所有测量系统都需要精确的标定,以便确定坐标原点,在测量

过程中,由于环境的影响,会使标定值发生偏移,这时应重新进行标定。当 更换被测件时,系统也应重新定位。在对于拍摄旋转物体时,需要将被测零 件与转台中心尽量重合。
2)精度:精度表示测量设备的测量误差范围以及可测分辨率。精度与测 量设备和测量状态有关,如光学测量的精度取决于影像系统的解析度,离被

钡4表面的距离以及扫描系统的精度。系统分辨率是与测量精度有关的参数, 系统分辨率越高,越能真实反映人体表面细节,但是过高的水平和深度分辨
率会对CCD摄像头和图象采集卡提出更高的要求,而过高的垂直分辨率会导

致扫描时间过长或使同步扫描系统速度太快,由此而来,会使整个系统数据量
太大,数据处理速度缓慢…。 3)可测性:由于零件的几何结构及拓扑的干扰,部分区域的扫描数据不 容易测到,即发生测量干涉现象。这种情况主要是对于比较陡峭的面的测量, 这时通常采取多次扫描来解决。但在某种测量方法下,比。如激光或者光学测

30

量,它们的可测性是有限的,一些数据仍然不能完全获I双,如通孔的数据。,

4)阻碍:主要发生在光学、声、磁测量方法中,被测物体形状表面的阴
影和障碍对扫描介质产生阻碍,通常可采取多种扫挑设备来解决这个问题”1。 但如果是由于装夹造成,夹具和被测零件的接触部分是无法测量的,此时只 能改变夹具装夹部位再进行扫描,这样刘同一个零件就会存在多个测量数据 (多视问题)。多视问题一般由下面测量方法引起:当测量零件的位置在测量

过程中发生改变,如由于零件的可测性和夹具的影响,需移动或转动零件,
以及零件须分别进行装配和单件测量时。同一个零件的所有测量数据必须统

一到一个坐标下,因此应将多次测量数据进行对齐,此时多视问题会带来数
据对齐误差。

5)数据通信问题:测量设备得到是点的坐标值,与现有的逆向软件系统
存在~个接口问题。为了保汪测量信息的布丢失,需要确定存取文件格式, 并能为下道-ii)芋所使用。

3.2.2数据处理
一般CAD模型重建之前均应进行数据预处理,工作包括数据平滑、排除

噪声数据和异常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、多次 测量数据及图像的数据定位列齐和对称零件的对称基准重建等[3—5]。因为样 件外形数据是通过激光三维测量仪来获取的,不可避免地会引入数据误差,
尤其是尖锐边和产品边界刚近的测量数据,测量数据中的坏点,可能使浚点 及其周围的曲面片偏离原曲面。同时由于实物几何和测量手段的制约,在数 据测量时,会存在部分测量盲区和缺口,给后续的造型带来影响。在进行质

量检验前应进行数据预处理,工作包括数据平滑、排除噪声数据和异常数据、 压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、多次测量数据及图像的数据
定位对齐和对称零件的剥‘称基准重建等“…。 1、异常点处理 在曲面造型中,数据中的“跳点”和“坏点”对曲线的光顺性影响较大, 判断的方法有:

直观检查法:通过图形终端,用肉眼真按将偏离较大的点或存在于屏幕
上的孤点删除: 曲线检查法:通过截面的数据的首术数据点,用最小二乘法拟合得到一

拟合曲线,然后分别计算中间数据点到样条曲线的距离,如果I
[e]为给定的允差,则认为Pj是坏点,应以删除。1,见图3—4。

ei

I≥[e],

图3—4曲线检套法

弦高差法:连接检查点前后两点,计算Pi到弦的距离,同样的,如果 ei≥[e],[e]为给定的允差,则认为l,i是坏点,应以删除。这科叻‘法适合 于测量点均布且点较密集的场合,特别是在曲率变化较大的位置,见图3—5。

幽3-5弦高羞法处理方法

2、数据平滑 数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法,高斯滤波能较好地

保持原数据的形貌,平均滤波取各数据点的统计平均值。中值滤波取各数据 点的统讨中值,消除数据毛刺的效果较好,应用时可根据数据质量,在
Imageware中灵活选择滤波方式,见图3-6“…。


/\
(n)原始点集 (b)高斯


3、数据精简

/、



L“冷
/\
(d)中值

图3-6三种常用的滤波方法

数据精简的目的是压缩不必要的数据点,在保证精度的前提下生成适合 于后续拟台的结构,故而并不产生新点,只是简单地对原始“点云”中的点
进行删节,并尽可能多地保留原始数据点的形状特征…1。不同类型的点云可

以采取不同的精简方式,如:散乱点云可以选择随机采样的方法来精简:扫
拙线和多边形点云可以采用等『刈距缩喊、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方

法;网格化点云可以采用等分布密度法和最小包围区域法等。数据平滑和精
简存在的问题是有时会丢失:向’用的数据信息,特别是尖锐角、棱线以及曲率 变化大的区域的数据。 4、数据定位对齐 逆向工程的目标是从实物模型生成完整的数学模型,单个视图很难提供 精确的信息,多个视图经过数据对齐和拼合,可以形成完整点云数据“…。由

于测量仪器及被测零件几何的限制,测量过程有时需多次才能完成,造型时 应将多次测量数据转换到一个坐标系统中实现测量数据及图像的重定位或对
齐,这在进行质量检测同样非常重要。方法是通过不同图像或数据子集中的 剥应关系计算移动及旋转矩阵。

3.3基于3D扫描的质量检测的3D对齐比较技术
在完成了对样件测量后的数字化:[作后,我们需要对测量的结果进行评 判。这时,我们采用设计模型作为理想参考,采用最小包容方法进行检测。

由于设计模型和测量后数字化的点云不在同一个坐标系内,因此我们首 先就需要对两个模型进行对齐,然后进行比较。

3.3.1对齐
对齐的目的在于将点群移动到已知的CAD模型,也就是将样件扫描所得 到的点云数据,定位到原始的CAD模型,这样就可以进行检测,这就是电脑 辅助检测(Computer 之一‘“3。 imageware定位对齐所用的方式可分为点群与模型的直接定位,或是样件
Aid

Verdict)简称CAV,这也是Iinageware的重要功能

的几何特征,如:圆心、轴线、圆柱、平面等,只要我们在样件上能找出这 些几何特征,便可以进行定位对齐。而这些几何特征主要分为三部分:点、
线、面。其中点可以为单一的点、圆心、弧的中心或是球的圆心等。线又可 分成无方向性的线和有方向性的线,包含直线、圆锥中心轴线、圆柱中心轴 线。而平面则有平面和圆两种形式,如图3—7,3—8。”。

图3—7样件的几何特征

|墨【3-8样件的几何特征

如果以点为定位特征则定位对齐后两点会呈现共点状态。以线为特征则 无方向性的直线会共线,也就是在同一直线上。 有方向性的线除了共线之外会将两线的方向改为 一致。另外还有一种固定式直线,除了有上述两 种情况外,定位对齐后曲线的起始点会在同一点。
以面为特征则会共面。

在选取定位对齐的特征的同时,需要把握住 如何将样件的自由度给限制住,通常我们以最少 定位特征将样件定位对齐,会得到较好的定位对
齐结果。
图3-9点云检测菜单

3.3.2检测比较
点云数据与CAD模型数据剥齐后,我们就可以进行点去和曲面的比较判
断质量。

Imageware提供了良好的检测模块。选取要对齐后的点云数据和CAD模型
数据,设定要产生的误差图形形式与Checking Distangce(最大计算范围)、
Max

Angele(最大计算角度)值。若检测时,点云与CAD模型之问的距离超

过设定值,则会忽略此范围内的结果。在误差对比完成后,会有误差显示框, 会显示误差值。其误差值包括正向曝差、负向误差、几何误差、侧向误差等 数值。这些误差值都有平均误差及最大误差的显示。 另外,对于点云可以直接利用Imageware提供的评估模块Eva]uate,单

独对点云进行直线度、平面度、同心度、圆柱度等进行分析评估,并显示评 估结果,以判断样件的质量,如图3-9。

3.4基于3D扫描的质量检测的分析报表技术
在完成了检测并显示分析结果后,利用Imageware提供的分析报表输出 设置功能(如图3一】0),该功能提供了两种输出格式PDF和err格式,分别用
Adobe Acrobat 7.0

Professional[和Exce]打开。具体的输出结果,我们可

以根据需要在框图中选择。参数设置好后,我们可以咀PDF文件格式输出点

云各点与CAD模型的比较结果(如图3一11),这些参数主要是显示了各个对应
点之间的位罱偏差,从图中我们可以看到相应的点云的点坐标值与曲面上相 对应的点的坐标值,通过对一些特殊点或关键点的比较我们就能对浚扫描曲 面的形状情况作出一定的判断。因此,这些数据可以作为我们对样件制造质 量的重要评估依据,并能反馈制造部门完善制造,提高制造水平。

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图3一10报表改置框图

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图3-11 PDF报表

本章小结
本章主要从基于3D扫描的质量检测硬件系统、软件系统的使用入手,分 析相关的工艺流程、技术难点、注意事项以及处理措施。

参考文献
[1]孙明睿.三维数字可视化技术的研究[D].天津大学硕士学位论文,2004.
[2J Motava]li,Sand Bidanda,B.A
reverse

part

image reconstruction

system for

engineering

0f

design?modificatiOil[J].Journal

of

manufacturing

system,10(5),1991.

[3]吴华杰,杜玉明,国永红.实物反求设计中尺寸精度的控制『J].机械设 计,2001,(2):15—18.
[4
T.C Woo,R.1iang.Dimensiona]measuremen卜of'surfaces and their

sampLlog[J].CornD Jter—Aided Design,t993,25(34):233—239. [5]
Eng:i I。Iosni Yasser.Laser Based Sys tern for Reverse

neering[J].Computers Ind.Engng;1994,26(2):387—394.

[6]吴华杰,杜玉明,国永红.实物反求设计中尺寸精度的控制[j].机械设 计,2001,(2):15-18. [7]T.C.Woo,R.1iang.Dimensional
measurement of surfaces

and their

samp]ing[J].Computer—Aided Des]gn,1993,25(34):233—239. [8]Hosni
Yasser.Laser Based Sys tom for Reverse Engineering

[J].Computers Ind.Engng.,1994,26(2):387—394. [9]金涛,童水光,颜永年.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社.2003. [1 0]杭嫒.逆向工程方法及其在轿车门板检测中的应用研究[D].燕山大学硕 士学位论文,2004. [1】]戴静.逆I向工程数掘处理关键技术研究[D],南京理:[大学硕士学位沦 文,2002. N2]鞠华.逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D].浙江大学 博二L学位论文,2003. [1 3]林瑞璋,王万强,陈文贤.逆向工程软体使用手册[M].台湾:全华图书公
司.2002.

第四章基于3D扫描的质量检测的 软件系统集成
软件是计算机系统中与硬4'-'l:,fN互依存的~部分,它是包括程序、数据及
其相关文档的完整集合…。采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护 软件,把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术 方法结合起来”I,这样对于我们的工作和学习将提供极大的帮助。本章将主要 介绍基于3D扫描的质量检测的工艺流程及检测过程中所要使削的软件而建

立的一个导向平台。利用这个平台将能对使用者起到一个良好的指导作用。 在我们基于3D扫描的质量检测当中,我们需要使用到多种软件、硬件及
控制系统,因此我们有必要对它们进行合理的整合和规划。

4.1软件系统集成需求设计
需求分析是软件开发的第一步,也是非常关键的一步,它直接影响软件
的开发质量和开发速度,随着软件规模的扩大和日益复杂化,需求分析越发

显得重要。需求分析的目的是了解和分析用户的各种需求,知道系统必须作 什么,并且用简明、准确和无二义性的方式表达出来,通常以需求规格说明
书的形式来定义待开发系统的所有特征”1。

需求分析是一项繁杂、耗时的工作,它是一个循序渐进、不断深入的过
程,其中可能要经过许多反复。在需求分析的时候,应考虑所需功能的实现 问题,并且根据用户对软件功能和性能提出的初步要求,把用户“做什么” 的要求最终转换成一个完全的、精细的软件逻辑模型。 在本系统的开发中,我们采用了传统的结构化方法进行了需求分析。首 先进行对问题的识别,其次进行了分析研究。对问题的识别是了解应用领域

的现状,分析是在对问题的认识的基础上定义目标系统所需实现的具体功能, 并用清晰、简洁和准确的方式表达出来。
l、3D检测扫描系统的调查 当前我们的测量和检测:E作一般都是独立的,在测量平台对样件完成了 扫描测量之后,我们又需要转入新的检测平台对样件进行扫描数据处理及其

质量分析,同州,由于检测:[作需要多方协同工作也降低了检测工作效率(如
图4一])。因此,整个3D扫描检测不是一个整体的、系统的、高效率的工作, 所以考虑建立一个检测导向平台,将检测工作集中化,系统化,并且减少:[ 作人员,提高检测工作的效率。

图4—1检测体系

2、分析研究

从图4—1我们知道要完成~个检测任务需要多个环节,而且检测工作可
能是需要多个人来完成,这就增加了工作环节降低了工作效率。 在沦文的第三章我们介绍了基于3D扫描的质量检测的工艺流程以及相关

的一些技术,由于相关的检测工艺流程及~些相关数据处理比较复杂,并且 还没有规范化,因此对于操作者来说熟悉测量、检测的相关工艺和要求是很
重要的。另外,在整个工作中,我们需要多次使用不同的软件系统,如:智 泰测量系统、uG建模系统、AutoCAD设计系统、Imageware数据处理及质量分 析系统,对于使用人员来说,这就显得繁琐。

因此,为了更好能将基于3D扫描的质量检测方法:[程应用就有必要考虑 建立一个平台来将多个软件平台进行规划集中到一个导向平台,让一个人就 能独立完成相关的工作以达到对检测工作的简化、便利。

4.2软件系统集成系统详细设计
详细设计阶段的根本目标是要确定应该怎样具体地实现所要求的系统, 得出对系统的精确描述,从而在代码阶段可以将这个描述用某种语言书写成
程序Ⅲ。

我们的检测平台将以工作流程及相关的工艺为导向,以要使用的软件平 台为支撑,为操作者提供工艺指导和软件启动。按照工作流程,在导向平台
建立相关的启动按钮,并针对每个步骤提供一个相关的说明帮助。

在前而的需求分析中,我们已经明确了检测系统的框架。现在我们依据 对完成一个样件的检测工作的工艺流程的步骤(如图4—2),来对3D扫描质量 检测系统重新规划集成。 首先对样件分析、智泰系统复位、样件定位、智泰系统测量参数设置、 启动测量、保存数据,这部分的工作我们可以在智泰测量系统中完成,可以 设置一个智泰系统的启动控制按钮。

其次,由于我们的质量检测判断选择的是样件的CAD模型作为一个检验 标准,因此,需要对设计的样件的尺寸以及其他的要求了解,并且根据设计 要求的尺寸建立数字模型,所以设置AutoCAD和uG两个启动按钮用来分别启 动两个软件,分别完成调用设计文件和建立数字模型的工作。

接下来我们的工作主要集中在Imageware软件平台来完成,主要的工作
包括从智泰系统导入的点云数据的分析、处理,以及将UG的数字模型导入与

点云数据完成对齐比较的工作,最后输出比较报告。因此,我们设置一个
Imageware的启动按钮来完成上述的工作。 由于有分析比较报告,为了方便浏览,我们在窗口再设置了~个报表浏 览工具的启动按钮。另外,还设置了一个对平台的介绍按钮,对整个导向平 台进行总体的介绍。 根据平台流程图,我们建立的导向平台的界面结构(如图4—3)主要设置 五个控制按钮,控制按钮分别用以控制要用到的智泰系统、AutoCAD系统、UG 系统、imageware系统和报表,作为几个系统的快速启动通道。另外,测量工

作的步骤比较多,其中需要注意的情况比较多,为了对测量工作提供实时指
导,我们根据工艺流程以及需要注意的事项而建立一个同步的说明。

图4-2

3D检测流程圈

广……磊磊磊孬F…………


墅星j里j 四国需j
L一旦一jl i,!竺竺!一||隆!麟蓦爿
图4-3导向平台主界面

在整个检测过程中,我们碰到的文件格式主要有asc格式文件、dwg文件
格式、pr c文件格式、igs格式文件、imw格式文件以及pdf文件格式。对于

asc格式文件Imageware软件完全兼容;dwg文件只是给我们提供建模的依据;
pc

c文件格式是在uG建模后生成的文件格式,在我们导入到Imageware之前

我们可以利用uG提供的转译器转换为igs格式,Imageware软件兼容igs格

式;pdf文件格式是我们的报表格式。因此,总体来观整个检测过程不存在数
据通讯的问题。

4.3软件系统集成程序设计
目前,用于软件开发的程序设计语言已有数百种之多[1],比较流行的有
Visual

c+十,Visum Basic,Delphi和C¨Buil der等。在本系统的程序编

写中,选用了Visual C++6.O。Visua]C+十6.0是微软的Visual C/C++编译器 的最新且最好的版本,它包括了综合的微软糕本类库(MFC Library),这使

得开发Windows应用程序变得简单而高效;它提供有复杂的资源编辑器,可 以编辑对话框、菜单、工具栏、图像和其他许多Windows应用程序的组成元 素;它还有一个非常好的集成开发环境——Developer Studi0,用它可以编
写C”程序时对程序的结构进行可视化的管理“,。 依照我们想实现的目标,利用Vi S08]c++6.0建立‘个对话框程序界面, 上而分别设置相关的进程按钮,以实现我们的要求,程序发计框图如图q一4

所示。

图4.4系统程序设计框图

1、进程控制程序设计:
voi d CQual i fyDlg::Onlmageware





//TODO:Add
TCHAR

your

control notification

handler code here

zsPath口=TEXT(””):

PROCESS—INFORMATION pi;

STARTUPINFO

S i:

sj.cb=sizeof(Si);
si.1DReserved=NULL: s1+.ipDesktop=NUI.1。: S1’.1pTitie=NULL: S1。.cbReserved2=O:

S1’.1pReserved2=NULL;
si.dwFlags=sTARTF_USEPOSITION sTARTF—usEsIzE:

CreateProcess(”D:\\Program Files\\Imageware\\12.OO.000\\imageware.exe”,NULL,NULL,NULL,FALSE,

0,NULL,NULL,&si,&pi);//浚函数用于控制Imageware的启动进


m_help=”该阶段任务是对智泰激光扫描仪扫描后获取的点云数据进 行杂点删除、数据精简,以及完成点云数据和CAD模型数据的对齐比较。主 要工作是:去除点云的杂点、修补空洞以及精简点云数量,需要注意的是去 除过程中不要破坏点云的特征点;对齐比较两种模型以判断产品的加工质量。
42

”;//该变量用于实现说明框中对该步骤的二1=作内容的说明和要求
UpdateData(EAI..SE); 2、报表控制按钮程序设训:
void

COualifyD]g::OnPapez 0



{ {//TODO:Add
CStr J ng CStri rlg
your

control noti ficatiOn hand]er code here

filename; file—directory;

char*szFi lter=”Loglj¨e({.pclf)h pd:f i”; CFileDialog

//文件后缀过滤

dlg(TRUE,”}.%”,TEXT(一.¥”),//默认文件名称

OFN—HIDEREADONLY OFN~OVERWRITEPROMPl、,szl%i 1 ter):

dlg.DoModal0;

filename=dlg.GetFileName0:
file—directory=d】g.getPathNmne Invalidate

0;

0;

} ShellExecute(this一>m_hWnd,”open”,”d J g.GetPathName 0”,NULL, NULL,Sw_SI{OwNORMAL):

3、按钮工序说明提示代码设计。3:
BOOL


tooltip::PreTranslateMessage(MSG*pMsg)


//T000:Add
ClasS

your

speci alized

code

here and/or ca]1

the base

m_tooltip.RelayEvent(MSG*pMSg);
return

CToo]‘I'ipCtrl::ProTra rIslateMessage(pMsg);

) //添加按钮说明 m—tooltip.Create(thi S): nLtooltip.Actirate(TRUE): //TODO:use
one

of

the following forms add controls

m_tooltip.SetTipBkColor(RGB(255,255,255));//设置提示工具条 的背景色 m_tooltip.SetTipTextColor(RGB(0,0,200))://设置提示工具条的

文字景色

m_tooltiP.Setl)elayTiille(100)://设置提示的弹出}l引刮

m—tooltjP.AddTool((;eⅢ】gf kem(IDC CAD),”建模二[序1”);
m_tool t№P

AddTool(GetDlgI tem(】:Dc

u(;),”建模:[序2”);

m_tooltip.AddTool(GetDlgltem(IDC~3D),”测量工序”): m_tooltip.AddTool(GetOtgltem(IOC—Imageware),”检测工序”)


tooltip:AddTool(GetDigltem(IDC—Paper),”报表杖0览”):

m—tooltip.AddToo](6etDlgItem(IDC—Introduce),”平台介绍”) rtLtOO]tip.AddTool(GetDlgltem(IDC_Help),“工序沈叫”); In-tooltip.AddToo](GetDlgItem(IDOK),”关闭平台”);

4.4软件平台集成存在的问题及可能解决措施
该软件平台存在的问题主要是:各个进程按钮只是控制相关软件的启动,

并没有实现工作环境的集成统~,这也就导致了工作界面的友好性不够。
对于这个问题可以考虑利用Visual c++中的Active控件,创建一个窗口 式的操作界面,将几个不同的软件嵌套在该窗El以完成相关的工作。

本章小结
本章从单纯的软件工程开发的角度完成基于3D扫描的质量检测的集成软 件系统的设计开发,利用Vc++建立一个基于31)扫描质量检测工艺和所要使用
软件的导向平台。

参考文献
[I]郑人杰,殷人昆,陶永雷.实用软件工程[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]张海藩.软件工程导论[M].北京:清华大学出版社,1999.

[3]孔繁利.机车检修质量管理信息系统的发计与实现[D].西南交通大学
硕士学位沧文,2003.
f 4]JOl7 Bates,Tim Tompkins.实用V:i sual
2002.

c十+6.0[M].:Ib京清华大学出版社,

[5]网冠科技.Visum C-}r6.0时尚编程目例[M].机械工业出版社,200I.

44

第五章基于3D扫描的质量检测的

应用实例
5.1检测目的
现在大量的产品的形状都是不规则的,这给产品的尺寸形状位置检测带

来了很大困难。用常规手段一般是很难完成这样的工作,因此采用3D扫描设
备来完成测量的工作,利用Imageware软件完成检测的工作,以此来完成对

不规则形状样件的检测,通过应用实例来验证3D扫描质量检测的可行性a

5.2检测内容
用智泰3D扫描设备和Imageware完成对石膏球、扇叶和冲压件的检测。

5.3检测硬件软件
智泰LSH4003D扫描设备和Imageware软件。

5.4检测步骤
l、启动导向平台,依据导向开始检测。
2、样件分析,主要判断样件的可测性以及规划测量方式:平面扫描、旋 转扫描、平面旋转组合扫描。

3、智泰系统复位、样件定位、智泰系统测量参数设置、启动测量、保存
数据。

4、将测量数据导入h¨ageware进行数据的允析与处理。 5、获取样件的设计参数(AtuoCAD)、依据数据在UG中完成样件的三维
建模。

6、将处理好的点云数据文件和uG建模的文件一起导入Imageware、两个
数据完成对齐比较检测的任务。

7、输出比较结果、分析结果,报表反馈。

5.5应用实例

5.5.1石膏球
我们所测量的石膏球是模具烧灌出来的,主要是用来做绘画用的对象。 作为我们的测量对象的原因是它的表面是不光滑的,而且有一定的缺损,那

就显然与最初的设计是不完全符合的。同时,它是球体,要判断它的球心采
用常规测量手段是不方便的。同时,用常规手段是不能对球的每个位置的数 据都做出数字化检测的。有了这样的前提,因此我们采用3D扫描测量检验的 方法来完成测量工作。 首先,我们启动检测导向平台(如图5一1),依据平台说明开始对样件进 行分析。我们所面对的石膏球是一个规则的旋转曲面,因此在测量时,我们 可以采用旋转扫描的方 式进行测量。另外,通过 目测和工具的大概测量, 它的形状尺寸是符合测 量设备的要求(XYZ:300、 400、300)。因此,我们 可以确定使用智泰测量 系统开始埘它进行测量。
图5-1导向平台

明确了测量对象,我们现在需要的是设定测量时的参数。将石膏球放在
旋转平台后,我们首先确定扫描模式是旋转扫描(Rotation Scan)。接下来, 我们主要设置的参数是z轴扫描的起点,为了保证能将石膏球全部扫描到, 我们设置Z轴的起始扫拙位嚣要略微低于石膏球的最底部。另外,由于设备

的Z轴一次扫描最大扫描范围是50mm,而前面我们大概量测的球的直径是
90mm左右,因此我们对于z轴的扫描行程需要规划,可以设置为Z轴的行程 一次移动是40ram,分3次扫描完成。

完成了z轴的殴定,我们还需要做的
工作就是将T轴(旋转轴),T轴与激 光线对中的对中主要是调节Y轴与X 轴的位置,同时归位到系统设定的0

度。另外,由于我们是要对球进行全 部扫描因此扫描旋转范围要设置为O

~一360度。如果我们需要获得的数

图5-2石膏球的点云数据

据比较多,我们可以通过设置旋转的转角,这里我们设置的是转角是l度。 参数设置好后,我们可以刀:始启动扫描|0 测量后,我们将数据导入到[magewame软件中。 我们获得的数据如图5—2,从图中我们可以发现在 一侧存在一些杂点,造成这些杂点的主要原因是摆 放球的平台。因为,激光头扫拙的z轴行程的限制, 我们必须在转台上而放置一个增高平台以保证测 虬..i“。。 i二nij耐
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{一::?”“’: |Ⅲ篆≥。l
娑 l麓=。“ 。訾:
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量时能够将被测石膏球完全扫描。我们获得数据后
发现出现了杂点,这时候我们需要刺点云进行一定 的处理,主要工作是删除杂点,将点云数据精简并 且有序化,这些工作通过Imageware软件提供的功

I到5.3M。difv菜单

能完成,主要包括菜单条Modify—F的Trim、Scan Line、Smooth等,如图5—3。 完成这些工 作后,我们 新得到的点 云如图5—4, 现在的新点 云数据明显

墨坚墅
的,而且基

巨1 5-4处理后的点云数 处理后的点云数



5- DAC的球膏石柏嚣球的

模型

本显示了样件的所有几何特征信息。 这时,我们可以依照导向平台提示启动AutoCAO获取石膏球的几何信息,

图5—6对齐前

图5—7对齐后

然后启动uG,完成对石膏球的建模工作,得到的CAD模型如图5—5。 将石膏球的CAD模型导入Imageware,开始做比较并判断质量的工作。由 于两种模型是在不同的坐标系内完成的,因此两种数据导入到Imageware后 (如图5—6)可以看到它们是没有对齐的,我们茸先的工作就是完成对齐工作, 对齐的依据主要是两个模型的特征点(球心)作为定位标准,对齐后的结果,

如图5-7。对齐后我们可以依据设计时的要求来设定参数进行相关的尺寸及形 状误差分析,最后输出分析的结果报告。对于该石膏球的检测主要检测的是 偏心和各个点云坐标与之相对应的CAD模型之间的偏差。 偏心的检测我们是通过截取点云的最大截面处的点云,然后将CAD模型 的最大截面,也就是球的直径圆对齐来进行比较来得出结果,如图5—8。在偏
心检测中,我们设定的检测范围是2mm,通过对比检测我们得到的结果是点云

与最大直径的偏差是1.448mm,实际偏心最大距离是0.724mm。图中表格中的
Euclidean是几何误差,Lateral是测向误差,Normal是法向误差,对于各种

误差的关系如图5—9。通过这样的比较我们能很快的得到石膏球的偏心情况。 并且输出了误差报告,如图5—10,图中所示的只是随意选取的几个坐标点之 间的比较结果,如果我们需要作全面的比较可以设置更多的点进行比较,以
获取更加多的信息。

图5-8偏心检测

图5-9误差关系图

销。
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Cloud Actual 30327 52 H2 .12949

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‘q岳捂搿o ulagnosuIGr£ ;epor_【
TotaI Horma Late口: .9 07 22 .0 07 .0 8e ∞47 ,0 07 1e 063 O 00 TotⅢ NOf[1la] La,.eral T呲al Norma: Lak∞2

£ um目4冉2

30,1 53 53 36 .12940 302 83 5713 .12940 300 94 6084 .12940

O∞ l∞
Oo。
1 34 34

N0000000i2 30I 60

S8驯
.129 49 N000000013 299 76 60 21

O∞

.129柏

图5—10偏心I:E较报告

石膏球扫描点云与CAD模型进行比较主要是进行形状误差判断,通过对 齐后设定检测的最大距离是2mm,对比之后的结果如图5—1_O。从图中我们可
以看到,最大的几伺误差是1.02ram,法向偏差是一l_02ram,数据显示被检测的 石膏球主要存在方向负偏差。检测后的结果都用PDF文件格式输出检测报告, 如图5-11。


图5-1l形状检测
AcruelI N000090001

NotmaI
78 10 .2{8 e6

Summary
.0 00 .0 00 ,O 37 -0 37



220 78 f8I§
一218 51t

220 10

0 00 0 00 ,}00 O 03

旺工五五j圈
Tot3I n托mTro{

O∞
.0 36

N000000002 X

223 02 18 5f ,21日47 222 52 19 63

223 18

03 5l

-001
.0 00

-218鼬 222雒
19啊

L101 -1 00
002 0 02 -1 00

Latera}
Total Normal Late*aI

.036 000 ,0
3e

0 36 .O 01 .0 0}
0 36

N000000003


五五IJii—i

。O∞
0 00



幽5 12形状比较报告

从这两份PDF报告,我们能对石膏球各个具体的位置进行分析判断,尤 其是可以选I敬一些特殊点或则是关键点进行比较判断。这样剥于某些其他不 规则形丽的样件进行分析是能提供很强有力的帮助的。

5.5.2扇Ⅱf
扇¨1。是一种非规则性的型面 的模板进行拟合检测,这显然增 加了检测成本,且检测精度完全 要依靠模板的精度:或者只是检 测扇叶的一部分尺寸,不能实现 对扇II’r的整体检测。现在,我们 通过3D扫描检测的方式,能准 对于它的检测,常规的手段都是制造专用

确、全面的实现列扇叶的尺寸、
形状误差检测。 我们测量的扇叶选择的是落 地电风扇的扇叶(如图5—13),并且只是对其中一片扇叶进行测量检测。 首先,我们还是启动导向平台,按照导向平台的导向说明开始检测。
图5-】3扇叶

由于我们只是对该叶扇三面中的一块进行扫描,因此我们要对扇叶进行
测量必须对扇叶的定位进行安排,通过一个夹具,我们将扇叶固定摆放在测

量平台上s这里需要注意的是扇叶的定位应尽量使得被测面与激光线垂直, 否则由于激光线与被测面出现的角度会使得扫描线出现歪曲,这样会造成杂
点,同时影响测量数据的准确性。另外,由于扇叶是比较薄的透明塑料材质, 激光很容易穿透,这样电会影响测量精度,因此需要剥、扇叶进行表面处理,

进行喷漆。另外,经过简单的量测扇[I-『‘的外形尺寸,我们可以判断,对该扇
叶进行测量是符合设备的要求的。 在完成测量前的准备后,我们可以开始对扇叶进行测量。通过观察,我 们可以知道,我们所要测量的知识扇叶

的一个面,因此采用平面扫描能获得良
好的效果。这样,我们在设定测量参数 的时候,首先选择平面扫描的模式,然

后确定扫描的范围,首先调整x轴的位
置,以保证获取最好的测量效果,然后 调整的主要是Z轴和Y轴的行程,以保 证能完全的扫描测量到被测物体的数
幽5


4扇}j|.点云

据。测量后得到的点云数据如图5-14。从图中我们可以看到在底部存在一些 杂点,这些杂点一部分是多扫描的转轴产生的,~+部分是由于转剁I位置与扫 描激光产生了倾斜,形成了一定的角度而导致激光在扫描丽产生了偏差和光 晕而造成的。为此,我们需要剥点云数据进行处理,删除这些不要的杂点, 主要的方式可以通过Imageware菜单条Modify下面的Extract和Scanline 中的选项来完成…,去除杂点后得到的点云如图5一15。

图5—15处理后的扇叶点云

图5-16扇l。I的CAD模型

这时我们按照导向平台的提示,将扇叶在uG中完成的建模数据(如图 5-16)导入Imageware与处理好的点云数据进行对齐,对齐的依据是扇叶的 轮廓线(如图5-17a,5-17b),对齐之后我们可以判断其形状误差。

图5-17a扇口。I对齐前

图5-17b扇n1。对齐后

由于扇叶是不规则的型面,要检测其形状误差,最好的判断方式就是用 点云与CAb模型相对应的点进行距离偏差比较(如图5一18)。从图中我们可以 看到最大的几何误差是1,03mm,正向误差最大值是1.03mm,负向误差最大值 是0.82mm,测向误差是0.02mm,这些数据都在我们设置的1.5ram的检测范围 内。比较后输出的PDF报告,我们抽取了部分点的数据来分析检测结果(图 5一19),从图中能更加准确的描述形状误差的大小,通过设置我4fJ还能够通过 报告对一些具体位置点或者是关键点、特殊点的情况进行分析。 另外,我们再对点云数据的轮廓度和CAD模型的轮廓度进行比较,设置 的参数范围仍然是【.5ram,比较后得到的结果,如图5—20。从图中,可以看 到最大的几何误差是1.09mm,这仍然满足检验要求。

图5—18形状比较结果



韫孺

。‰

Summary

图5—19比较结果PDF报告

幽5 20轮廓度比较图
52

5.5.3冲压件
现在的工业生产中,有许多零部件都是冲压而成,囚此对于¨,压件的检 测任务也越来越多。一般的冲压件都 是形状不规则的,采用常规的测量手 段肯定是不能完成的形状检测的,因 此,我们也考虑采用3D扫描的方式

进行测量检测。现在我们44-对如图
5-21所示的冲压件进行形状检测,主 要榆测的位置是上部区域。 首先,我们还是启动导向平台, 按照导向平台的导向说明开始检测。 由于该冲压件的形状比较复杂 所以通过一次扫描是不能获得较满 意的数据,因此我们考虑对其进行2 次扫描,然后将两次扫描的数据进行
图5-21冲压件

拼合。 对该冲压件,通过简单的尺寸测

圈5-22冲压什点云图

量,我们能确定其符合我们设备的测量范围,根 据其形状,我们采取平面扫描,分三段完成整体 扫描。两次扫描后得到的点云数据如图5—22所

示。从图中可以看到两次扫描的点云都不是满意
的,但是我们可以通过对其进行拼合,彼此弥补 不足来获得一个较好的点云数据。 完成了扫描,我们现在启动Imageware软件,

开始对点云进行处理。通过点云的杂点清理和数
据精简后,我们可以对图5—22中的两个点云数据

进行拼合工作。拼合前,我们可以对点云先进行
一定的处理这样可以为拼合计算节省时间,如图

图5—23 Orient菜单

5—23所示的菜单。经过处理后,我们得到新坐标空间的点云图,如图5—24 所示。这时,我们可以开始进行拼合,拼合采用Best
合结束后得到的点云如图5-25所示。
Fi

t模式进行拼合。拼

点云数据处理好后,我们可以开始进行形状的检测,由于该冲压件我们
没有具有CAD模型,因此,我们采用对点云数据进行CAD模型的重构来获取, 重构好的模型如图5—26所示。由于我们在重构过程中会作一定的处理,因此

得到的模型和点云数据还是会有一定的误差,但是我们选用重构好的CAD模 型作为基准来检测还是能既明该方法是可行的。比较的结果如图5—27所示。

我们检测设嚣的偏离误差范围是3mm,从图2—27比较的结果可以看出最 大的偏离距离是2.33mm,但在我们要检测的区域偏离的距离大概是0.3mm, 因此得出的结果还是满意的。

本章小结
本章内容是介绍不同形面结构的零件,从简单g-0复杂实例,说明如何从实 验准备一)3D扫描一)点云数据处理一)3D比较一)报告生成一)报告分析 的软硬件系统操作的全过程,以验证基于3D扫描的质量检测方法的可行性。

参考文献
…林瑞璋,王万强,陈文贤.逆向工程软体使用手册[M].台湾:仝华图书公
司,2002.

第六章结论与展望
6.1研究工作总结
本文以产品的质量检测应用为背景,以实现产品的尺寸及形位检测为目
标,围绕提高效率、缩短产品质量检测的周期,提高检测精度为基本需求,提 出了基于3D扫描的质量检测方法及应用。本文深入研究了基于逆向工程技术

利用三维测量来对样件表面的数据采集、基于Imageware软件完成对样件的 质量检测及分析,设计开发了质量检测的导向平台。
本文的主要研究工作总结如一F:

1、总体方案的设计 在分析了当前产品质量检测以及检测中存在的问题,尤其是对复杂曲面
造型的产品质量检测问题的基础上,根据南昌大学的现有设备,本文提出了 一种较为简单而实用的检测方法,即基于3D扫描的质量检测方法,并且深入

研究了实现该方法的基本策略及主要的技术思想。通过对具体实物的测量检
测实验,证明该方法是方便、可行的,完全可以应用于实际的生产中。

2、基础理论及关键技术的研究
对洲量中的主要技术和方法以及检测标准,’本文进行了分析和研究。对

于基于3D扫描的质量检测流程进行了明确的划分,完善了一个测量的整体方 案,使之可以用于工程应用。 在数据采集和处理方面,对可能影响测量结果的因素进行了分析,通过
具体的样件来对测量数据的分析与处理进行了介绍。对测量中的检测标准进

行了深入的研究和分析,结合Imageware给出了几种样件的尺寸、形位误差
的检验。对最后检测结果的彩色误差图以及分析报表技术进行了分析研究, 并给出了相应的报表结果。 3、系统集成的实现 本文在分析和研究问题的基础上,利用现代最新的科学知识以及本领域 和其它学科的研究成果,互相结合,相互渗透,对文中提出的基于3D扫描的

质量检测的方法进行了系统集成,设计开发了基于3D扫描的质量检测导向平 台,以便于测量数据能方便处理。
4、实例验证

本文在第五章通过对三个典型的自由曲面形状的样件进行扫描测量检测
来验证了基于3D扫描的质量检测的方法的科学性和可行性。

6.2工作展望
3D扫描检测技术是一项新兴的、横跨多个领域的技术,本文研究的基于
3D扫描的测量方法涉及到先进测量技术、CAD技术及计算机编程技术的各个 领域。尽管我们对基于3D扫描测量检测方法做了比较广泛的、深入的研究。 但是由于本人的学术水平和研究时间的限制,本文的研究工作在很多方面还 只是阶段性的研究成果,离一个完整实用的、高精度的检测系统还有一定的

距离。作者认为,以下与本文相关的问题还有研究的价值,并可能对本项目
的进一步研究工作产生积极的影响: i、数据测量 如何更加高效和高精度的获取产品的三维信息将是产品质量检测的关 键,实现高效准确、柔性化、自动化的测量对于实时监控产品的加工质量将

会使的产品加工的水平提高到新的水准。 2、扫描检测系统的精度
扫描系统是检测的关键,它的精度对于扫描后的结果将会有极大的影响,

如何提高扫描检测系统的精度以保证扫描结果的可靠性也将是一个值得研究
的重点。

3、3D检测系统应用软件开发 3D检测系统是一个复杂的系统,涉及的领域较多,建立一个独立专门的 检测系统,将不同的模块整合在一个系统中完成检测工作,将是一个研究的
热点方向。

致谢
本论文是在导师饶锡新副教授的精心指导和关怀下完成的。导师在课题
进展过程提出了许多宝贵的意见和建议,并及时帮助解决了所遇到的种种困 难,从而保证了研究工作的顺利进行。在作者三年的求学生活中,导师以其

严谨、求实的治学态度,高度的责任心,崇高的敬业精神一直鼓舞和激励我
克服困难、奋发向上、积极进取,并为我今后的研究工作打下了良好的基础。

在此向导师表示衷心的感谢。
衷心感酣机电工程学院众多老师对我的支持和帮助,给我提供了良好的 学习、实验环境。

我还要感谢张亚蜂、孟亮、陈丽军、吕宏、涂文斌等同学给我提供的帮
助,课题的日益完善与他们的帮助是分不开的。 没有家人的全力支持和默默奉献,我不可能完成今天的学业。父亲、母 亲的爱是我前进的动力。衷心感谢我的父母,正是他们对我各方面无微不至

地照顾、理解和支持,给了我永攀高峰的信心和勇气。 最后向所有在我成长道路上给予我关心和帮助的人表示最诚挚的谢意。

钊r春华 2006年5月

攻读硕士学位期问发表的学术论文
1、饶锡新,钟春华.3D扫描的产品质量检测方法.江西冶金,2006,第二期

58

基于3D扫描的质量检测与应用
作者: 学位授予单位: 钟春华 南昌大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y928694.aspx


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