实物模型三维扫描及数据处理技术的研究

基于实物模型三维扫描及数据处理技术的研究摘 要三维扫描已成为当今CAD/CAM领域内研究的热点之一，它在机械产品测量造型、计算机视觉、根据切片数据的医学图像重建等领域有重要应用。本设计重点介绍了利用三维软件根据实物的点云数据进行实物的模型重建并用FDM对其进行三维扫描加工的过程，在根据点云扫描设计中，结合设计需要进行了必要的正向设计修正，以得到理想的设计结果。设计内容贯穿数据采集、数据项预处理、文件读取、边界提取、曲面重构、实体生成、STL模型重构、三维扫描机的操作和注意事项，并对建模过程及STL文件处理作了系统的论述。选用三维 NX4.0软件的Unigraphics CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。由INSIGHT软件进行的数据切片处理可直接传送三维扫描机，无需进行其他处理。关键字：三维扫描，数据采集，STL模型重构，曲面重构目录1 绪论11.1 三维扫描原理11.2 三维扫描特点11.3 扫描建模的一般流程图21.4 三维扫描的应用领域22 三维扫描一般步骤42.1 实体三维数据的获得扫描42.2 点云处理52.3 曲面重构62.4 实体建模92.5 三维扫描102.5.1 三维扫描的发展102.5.2 三维扫描技术的应用领域102.5.3 三维扫描技术的优越性和特点123 三维扫描软硬件设备143.1 扫描设备143.2 点云曲面处理软件143.3 实体建模软件三维153.4 三维扫描设备174 实物模型构建194.1 模型分析194.2 曲面造型194.2.1 上表面的建立194.2.2 侧面的建立244.2.3 顶部衔接曲面的建立264.2.4 底面的建立294.2.5 片体的修剪及缝合304.3 实体外形修改314.3.1 实体边倒圆314.3.2 实体上表面变形314.3.3 面分析-反射324.4 各部件建模324.4.1 建立分模面324.4.2 底座、滚轮和滚轮轴的建模334.4.3 上盖的建模444.4.4 键的建模564.5 部件的装配与干涉检验604.5.1 部件的装配604.5.2 干涉检验634.6 小结635 三维扫描制作的原理646 基于INSIGHT三维扫描切片数据处理666.1 STL文件格式666.2 STL文件的分层处理 (slicing)686.3 支撑结构 (Support)707 实物的三维扫描过程737.1 工作原理737.2 加工操作过程737.2.1 标定737.2.2 上料737.2.3 加工位置的选定747.2.4 喷嘴插入海绵的深度确定747.2.5 加工过程的监控747.3 加工结果767.4 实际加工原型件时遇到的具体问题777.5 后处理77致谢78参 考 文 献841 绪论1.1 三维扫描原理在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，有时甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是三维扫描技术很好的解决了这一问题。随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物(产品原型或油泥模型)转化为计算机上的三维数字模型，并应用在CAD领域，这就是所谓的三维扫描(RE, Reverse Engineering)。三维扫描又称为反求工程、反向工程。广义的三维扫描包括(几何)反求、工艺反求和材料反求等诸多方面，是一个复杂的系统工程。目前，三维扫描的研究主要集中在形状反求方面。因此本设计提及的三维扫描，是指利用测量手段对实物或模型进行测量后的点云结果，根据测量数据采用三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程；是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及加工制造的全过程1。1.2 三维扫描特点传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产，这种方法俗称类比式(Analog Type)复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的三维扫描系统所取代。三维扫描系统专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：样品数据产品。三维扫描通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复制(Copy)出来。三维扫描是由三维扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合扫描软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行三维扫描或CNC数控加工。IGES数据可传给一般的CAD系统(如：三维、MDT等)，进行近一步修改和再设计。另外，也可传给一些CAM系统(如：三维、MASTERCAM、SMART-CAM等)，做刀具路径设定，产生数控代码，由CNC机床将实体加工出来。STL数据经曲面断层处理后，可以直接由三维扫描方式将实体制作出来3。1.3 扫描建模的一般流程图图1.1 扫描建模一般流程模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行点云数据处理建立需要的曲线建立曲面进行实体建模，如图1.1所示。1.4 三维扫描的应用领域三维扫描的应用很多，如三维实体重构、原始设计参数还原、产品性能及功能预测、装配及工作过程仿真等。其应用领域大致可以分为以下几种情况：1在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型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。42当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用三维扫描的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风动试验)等建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外形，最终的试验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，例如汽车外形设计广泛采用真实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，此时需要三维扫描的设计方法。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，此时不需要对整个零件的原型进行复制，而是借助三维扫描技术抽取零件原型的设计思想，指导新的设计。这是由实物扫描推理出设计思想的一种渐进过程。5三维扫描与三维扫描技术相结合，即利用三维扫描得到的实体几何模型，驱动三维扫描系统快速制造出与实物原型相同的零件，是三维扫描的一个新的应用领域。三维扫描、三维扫描制造与网络技术结合，可实现远程制造新概念。另外，快速扫描系统可通过CT、MRI等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像，并将数据传送至三维扫描系统，制作出局部或内脏器官的模型。模型能显示出这些部位病变情况的实体结构，可用于临床辅助诊断、复杂手术方案确定、假肢制造，也可作为医学教学使用。52 三维扫描一般步骤2.1 实体三维数据的获得扫描在进行三维扫描时，三维扫描是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。原始点云数据是后面进行扫描处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到扫描建模的成功与否。三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描及数字化系统在三维扫描中发挥着巨大作用。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板、样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口相接，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或三维扫描设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。三维扫描设备是以三次元测量系统为主。基本上以接触式(探针式)和非接触式(激光、照相、X光等方式)两大类。在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度。激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建。三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见图2.1。三维扫描技术非接触式接触式光学式声学式磁学式触发式扫描式三角形法轮廓投影法成像法图2.1 三维扫描技术分类从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在三维扫描中应用最为广泛。2.2 点云处理通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云(Point Cloud)。扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和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面，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤：1去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整。2数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面扫描造型和基于点的曲面拟合技术。3数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。4数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性，边界上的某些特征点(边界折拐点)必须予以保留，而不能被视为“坏点”。5点云的重定位整合，在多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的CAD软件还都没有此项功能，需要手工“拼合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在CAD系统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。2.3 曲面重构曲面重构可以说是三维扫描的另一个核心及主要的目的，是依据扫描得到的点云数据恢复曲面形状建立CAD数学模型的过程。在得到产品的数据后，以三维扫描软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工。目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。在三维扫描的技术发展中重要的是建立产品的CAD 模型，并由此可再进一步的到CAM处理和三维扫描制造，而仿制出产品的外形。一般而言，CAD模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几何形状都有其特性。因此若要将产品应用三维扫描的技术，反求出此产品的原CAD 模型，并非单纯的使用一种方法即可完成，而须视此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可得出良好的几何形状，以满足产品外形的几何特性。由此可知，在曲面重构的过程中了解其曲面的特性及其曲面的数学模型，在对于我们重新建构曲面时可以帮助我们节省很多的时间以及提高生产效率。由于CAD/CAM系统的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论因应而生，如Bezier曲线、B-Spline曲面、NURBS曲线、扫描曲面(Sweep Surface)、Loft曲面(Loft Surface)、标准曲面(Construct Surface) 、旋转曲面(Revolved Surface) 、网格曲面(Net Surface)等。一般CAD/CAM系统较常用到的曲线、曲面作以下特点介绍：1Bezier 曲线 1962年时法国雷诺(Renault)汽车公司的工程师P.Bezier发展的一种完全用控制点坐标来定义的曲线如图2. 2。图2.2 不同控制点建构的Bezier曲线Bezier 曲线有以下的特点：(1) 控制点多角形(control point polygon)(2) 凸面被覆(convex hull property)曲线被包含在自由控制点所构成的多角形内，此性质对于处理曲线相交时相当有用。(3) 控制点末点与曲线末点重合(end points meet polygon end points)Bezier 曲线有以下的缺点：1) Bezier曲线无法做区域性的控制(no local control)。 2) 其曲线的次数和控制点的数目直接相关，定义比较复杂的曲线形状时，曲线的次数也随之提高。 2NURBS曲线 相较于Bezier曲线而言，NURBS曲线除了保有Bezier曲线的优点外，由于节点向量与加权数的加入，对曲线有更好的控制性，对于区域性的控制也能由改变节点向量与加权数而有更好的结果。对于NURBS曲线(non-uniformrational B-spline curve)方程式我们描述如下： 其中Pi：控制点N(u )：(P-1)阶B-Spline基函数w：加权数u：参数值Ri,p( u ) 为有理基函数(rational basis function)。由于加权值的加入，使得控制点对曲线/曲面的控制产生不同比例的影响力，当加权值修改时会使得曲线远离或接近控制多角形(control polygon)，使得曲面的控制有更大的空间。在三维扫描中的大部分时间会用到它。3 B-spline 曲面 B-spline 曲面乃由U、V参数方向二维的基底函数(basis function)及控制点所组成，基底函数是由多阶参数曲线组合而成，而控制点则在曲面的U、V参数方向上。在拟合B-spline 曲面时，方法是获得曲面U、V参数方向的控制点坐标值，以建立B-spline曲面。 对B-spline曲面以数学模式方程式表示如下：4 Loft曲面(Loft Surface)Loft曲面的拟合方式则不同于B-spline曲面，首先将其中一个参数方向的测量点数据拟合出最佳化的B-spline曲线，此时每条曲线的控制点数目必须相同。接着在另一个参数方向上用先前所得的曲线控制点，拟合出该参数方向最佳化的B-spline曲线，并得到另一组新的控制点。由此两组先后得到的U、V参数方向点，即可建立Loft曲面。因此Loft曲面的拟合方式是由两组一维的B-spline曲线拟合所组成。 基本上基底函数的阶数、节点向量(knot vector)、控制点的数目或控制点坐标值等的改变，都会影响曲面的形状。因此在拟合曲面时，为了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法时，或提高基底函数的阶数，或增加控制点的数目，以调整U、V参数方向的控制点坐标值，最后使得曲面偏差量在容许曲面偏差量的范围内。此种曲面拟合法对于自由曲面造型或有突点等曲率变化比较大的曲面，都可以拟合出很好的结果。然而对于平滑或有规则性，对称性的曲面，这种曲面拟合法会对产品在加工制造及量测上的误差明显的显现出来，以至于无法拟合出具有上述特性的曲面。8由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：一种是近似的方式，另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面。1 近似法(approximation) 以近似法来重建曲面，先指定一个容许误差值(tolerance)，并在U、V方向建立控制点的起始数目，以最小平方法来拟合出一个曲面后将测量之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。近似法的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于测量时的噪声将有抑除的作用。2插补法(interpolation)以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。以插补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过测量数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。 2.4 实体建模近年来，运用绘图软件进行二维图形的绘制已经得到很大的普及。但是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，而三维实体造型能满足这些要求。越来越多的三维设计软件如MDT，Solid Works、ProE、三维等，已在三维建模工程方面得到了广泛的应用。建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。2.5 三维扫描2.5.1 三维扫描的发展三维扫描技术又称快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术，它无需准备任何模具、刀具和工装夹具，三维扫描设备可直接接受产品设计(CAD)数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。快速成形(Rapid Prototyping&Manu facturing：RP)技术突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。三维扫描技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology)，例如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等；基于喷射的成型技术(Jetting Technoloy)，例如：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷( 3DP)、多相喷射沉积(MJD)。2.5.2 三维扫描技术的应用领域目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品(包括产品的更新换代)开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计(或改型设计)造型设计结构设计基本功能评估模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。 1三维扫描的应用主要体现在以下几个方面： (1)新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。 (2)可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，三维扫描技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。 (3)单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接三维扫描，满足使用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。 (4)快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。三维扫描应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。 2. 三维扫描技术主要在各行业的应用状况如下：汽车、摩托车外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制；各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传；通讯产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造；航空、航天特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验；玩具、鞋类产品的设计、验证、装配，市场宣传及模具的快速制造；医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制；各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。 总之，三维扫描技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。随着RP技术本身的发展和完善，其应用领域在不断拓展。2.5.3 三维扫描技术的优越性和特点1产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越，这是传统方法无法比拟的。2加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上。3产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。4整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。5与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。快速制造技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。目前，大多数的快速成形制造系统中，3D的CAD模型首先要转化为标准STL格式模型，即采用所谓面型化处理方法对实体曲面进行近似处理，用平面三角面片近似模型的表面。这样处理的优点就是大大地简化了CAD模型的数据格式，以便于后续的分层处理，为制造过程准备数据。STL文件格式是由美国3D System公司于1987年提出的，由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成形制造领域中CAD系统与快速成形机之间数据交换的准标准格式。表达一个三维实体模型的STL文件是用大量的空间小三角形面片来表示实体模型的表面，如图2. 3所示，对每一空间小三角形面片用三角形的3个顶点坐标及三角形面片的法向量来描述，法向量由实体的内部指向外部，3个顶点的次序与法向量满足右手规则。此外，STL文件中两个相邻的三角形只能有一个公共边。图2.3 STL文件样式3 三维扫描软硬件设备3.1 扫描设备三维扫描技术能够完整及高精密度的重建实物或实景、三维实体模型及原始测绘数据。最大特点就是：精度高、速度快、逼近原形。3.2 点云曲面处理软件目前市面上常用的三维扫描软件系统采用的基本都是NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，其共同特点是先构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区域，先生成曲面片，然后通过拼接构成完整的曲面模型。其优点是NURBS曲面的应用在CAD/CAM领域内相当广泛，因而，这些系统与其它CAD/CAM系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。然而，通过交互定义特征线费事费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。扫描软件主要用来做三维扫描，它处理点云数据的流程遵循点曲线曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作容易，对系统性能要求也不高。1. 点云处理(1)读入点云数据,将分离的点云对齐在一起。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。扫描软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。(2)对点云进行判断，去除噪音点(即测量误差点)。由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点， 扫描软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。(3)通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙片处理，就可以考虑截取点的分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。(4)根据需要创建点的网格或点的分段。2. 曲线创建 (1)判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的(捕捉点云代表的曲线主要形状)、或介于两者之间。(2)创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。 (3)诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。 3.曲面创建 (1)决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。根据产品设计需要来决定。 (2)创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲线通过蒙面、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其他例如圆角等生成曲面。(3)诊断和修改曲面。比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。3.3 三维扫描设备本次使用的是美国“Stratasys”公司生产的FDM，它是目前最具商用价值的三维扫描系统，它能为你减少开发周期，改良产品设计，减低生产成本和加快产品新版本，快速制造出复杂而又精确的立体样品。我校的FDM3000三维扫描系统，具有新加水溶支撑头，新开发支撑材料现遇水(碱性)即溶，特别适合制造通心及微细特征样品。该系统操作简易、速度快，开发周期减少；高精度、成型表面质量佳；使用无毒材料，能在办公室环境使用，是产品设计及开发之间的理想联系工具。主要技术指标：最大成品尺寸：254254406mm精确度：0.127mm原料：ABS、ABSi、investment Casting Wax、Elastomer分层阔度及厚度：阔度0.254 to 2.54mm 厚度0.05 to 0.762mm应用范围：适合产品设计、开发、改良，特别适合制造通心及微细特征样品、模具。来料加工、产品设计、开发、改良零件价格视具体情况定。 4 实物模型构建4.1 模型分析针对实物的外形观察，发现其实体表面主要分为四个曲面围成。它们分别是上表面，下表面，侧面和连接上表面与侧面的倒角面组成。而且下表面，侧面有共同的曲面特征，都可以使用同样的拉伸方法直接来生成。然后分别进行裁剪，就得到了想要得曲面。4.2 曲面造型4.2.1 上表面的建立1.上表面曲线的建立通过桌面快捷方式或Windows程序中的执行文件启动三维 NX4.0，启动后界面。选择【文件】【打开】命令或者单击工具条上的图标,系统弹出“打开部件文件”对话框,如图4.2所示。选择已经处理好的点云文件后，单击【OK】按扭选择部件。点击菜单选择【建模】进入建模模式，选择【格式】【图层的设置】设置图层1为工作层，图层3为可选然后点击“确定”。在设置好的工作环境下点击进行曲线的建立，具体步骤是：在弹出的对话框内选择“通过点”会弹出对话框如图4.3所示。“确定”后选择“点构造器”如图4.4。然后有选择性的选择部件中的点，尽量使构造的曲线平滑，如果点选的过于密集可能会改变原来表面的形状出现凸凹不平的现象。“确定”指定的点后对即将生成的曲线选择“赋斜率”完成曲线的初步建立。如图4.5所示。点击对以做好的样条曲线进行延长输入长度为20mm，并删除原来的曲线。如图4.6所示。点击对曲线进行修剪，先选择要修剪的线串，“过滤器”选择“点”点中线图4.2 “打开新部件”对话框 图4.3 “通过点生成样条”对话框 图4.4 “点构造器”对话框串上稍偏离中心位置的点，剪掉较长的部分。点击对剩余部分曲线进行镜像。先选择要镜像的线串，再点击以ZC-XC面为基准面完成曲线的镜像。如图4.7所示。点击对两部分曲线进行桥接。分别点击两条曲线，连接方式选择”曲率”形状控制选择”端点”。经过两次”确定”后玩成曲线的桥接。如图4.8所示。图4.5 三维 NX4.0界面图4.6 三维 NX4.0界面点击进行曲线的合并。选择要合并的曲线，与其接触的可以合并的曲线会自动变成红色，点击”确定”。曲线的重新输出选择”删除”，如图4.9所示。完成曲线的合并。按以上方法完成上表面的其他曲线的绘制，再曲线绘制过程中曲面过度平缓接近平面的地方可以做的稀疏些，过度曲率较大的地方要密集些。如图4.10所示。 图4.7 曲线的镜像 图4.8 曲线的桥接图4.9 “合并曲线”对话框 图4.10 上表面曲线2.上表面曲线分析选择曲线并点击对所有曲线进行”曲率梳”分析。曲线是由扫描出的点构建的，打开”曲率梳”会发现它高矮不齐疏密不均，这会影响到面分析时的”折射”效果。具体操作步骤：选择曲线变红呈现被选状态，点击打开”曲率梳”，【自由曲面成型】【X成型】或点击弹出对话框如图4.11所示，此时被选曲线上会出现可以移动的绿色的节点，选中其中的点并对对话框中的数值进行相应的设置调节”梳”的高矮与远近及相应位置，当要调节的曲线下方无可选绿色节点时点击【X-成型】对话框中的插入节点以为基准选择放置的位置，增加节点后继续调节直到所有曲线达到理想的高度过度平缓疏密均匀，如图4.12所示。图4.11 “X-成型”对话框图4.12 上表面曲线调整结果3.上表面的建立点击弹出”通过曲线组”对话框，逐一选择要添加到当前线串的曲线，要注意的是在选择曲线的时候要在一再同一侧选择如图4.13所示，并对对话框并进行设置：取消”V向封闭”和”垂直于终止面”完成曲面的建立，如图4.14所示。点击弹出”修剪和延伸”对话框如图4.15所示，选择要延伸的目标边缘输入延伸长度25mm延伸方法为”自然曲率”点击”确定”完成上表面的延伸，如图4.16所示。图4.13 上表面线串选择 图4.14 上表面延伸前图4.15 “修剪和延伸”对话框 图4.16 上表面延伸后4.2.2 侧面的建立 1侧面曲线的建立 先进行工作环境的设置：为了操作方便，把暂时不用的图层设置为不可见。选择【格式】【图层的设置】把图层2设为工作层，图层1和图层3设置为不可见，显示如图4.17所示。图4.17 建立侧面的工作层 图4.18 侧面曲线点击绘制样条曲线，方法和技巧与上表面各曲线相同画出一侧的样条曲线。点击镜像样条曲线以为镜像基准面。点击进行曲线的桥接 。点击进行曲线的合并如图4.18所示。2侧面曲线投影点击对已连接的曲线进行投影，弹出“投影曲线”对话框后点击整条曲线使之变为红色被选状态，继续点击对话框中的选择要投影的面或小平面体选择对话框中”平面方法”的以XC-YC面作为投影表面然后点击“确定”如图4.19所示。之所以对曲线进行投影是因为由点直接构造的曲线属于空间的不便于下一步的曲线分析时”曲率梳”的调节以致于影响到实物得外形美观。图4.19 曲线投影3侧面曲线分析选择投影后得到的曲线点击按钮再点击变换视角显示俯视图，如图4.20所示。点击用X-成型命令对”曲率梳”进行调节。调节后如图4.21所示。图4.20 调节前 图4.21 调节后4.拉伸关闭对调整好的投影曲线的“曲率梳”按钮并选中曲线，点击弹出“拉伸”对话框，选择矢量方向为Z向并输入起始值-45结束值10，体类型选择“片体”如图4.22所示，然后点击“确定”按钮完成曲线的拉伸。图4.22 曲线拉伸界面4.2.3 顶部衔接曲面的建立【格式】【图层的设置】把图层1和图层3设置为可选。点击显示图形的静态线框，如图4.23所示。点击弹出基本曲线对话框如图4.24所示，点击对话框中按钮准备创建圆弧，点方式选择“已存点”，生成方式选择“起点，终点，圆弧上的点”然后点击点云中上表面与侧面呈圆弧形过度的五个点中的“起点，终点，圆弧上的点”，当圆弧上的点被选中后圆弧绘制成功。按以上方法连续绘制四至五段圆弧，如图4.25所示。图4.23 静态线框显示图4.24 “基本曲线”对话框图4.24 圆弧绘制打开【信息】【对象】弹出选择以上绘制圆弧中的某段，对话框显示为点击确定。显示信息对话框如图4.25所示。图4.25 圆弧信息分别对各段圆弧进行分析半径长度为：综合以上取要建立的衔接曲面的半径为4mm。点击重新显示着色。点击按钮弹出对话框进行面倒圆操作，横截面选择“圆的”半径设置为恒定值4mm如图4.26所示。图4.26 “面倒园”对话框“面倒园”操作过程中要注意两面选择面的时候实物要点在准备保留的一侧“相遇时添加相切面”的箭头方向要指向圆弧的圆心一侧。然后点击“确定”按钮完成“面倒园”操作，如图4.27所示。4.2.4 底面的建立打开【格式】【图层的设置】把图层4设置为“可选”。打开【插入】【曲线】【直线】或点击绘制直线，起始位置和终止位置的点分别选为图层4中点云里中间一排最下方的两点，并分别输入限制值-10和115，点击“确定”按钮完成直线绘制。点击对绘制的直线拉伸。输入起始值-40和结束值40，按“确定”完成底部曲面创建，如图4.28所示。图4.27 衔接曲面图4.28 底面4.2.5 片体的修剪及缝合点击弹出对话框如图4.29所示。分别选择其中一片体的保留部分以另一片体作为修剪对象完成片体的修剪。图4.29 “修剪的片体”对话框 点击分别选择两片体对两片体进行缝合使其生成实体，如图4.30所示。图4.30 片体缝合后4.3 实体外形修改4.3.1 实体边倒圆点击弹出隐藏对话框点击弹出”类选择”对话框，在过滤方式中选择“类型”，在新弹出的“根据类型选择”对话框中选择“曲线”和“点”然后点击“确定”按钮回到“类选择”对话框。点击“全选”按钮此时界面中的曲线和点都变为红色被选状态，点击“确定”完成隐藏点与曲线操作。点击对对实体下边进行”边倒圆”。选择实体下部的边缘，在“边倒圆”对话框中输入半径R值2mm点击“确定”按钮完成操作，如图4.31所示。4.3.2 实体上表面变形图4.31 实体点击对实体上表面进行修改。弹出对话框后选择实体上表面，由于实体的变形会导致特征参数的变动，系统会提示：选择实体显示如图4.32所示。图4.32 实体X-成型 图4.33 实体变形后通过对绿色网格中的点和线的空间位置的调节完成外形修改，如图4.33所示。4.3.3 面分析-反射点击对实体进行面分析对弹出对话框进行相应设置后点击“确定”按钮，如图4.34所示。通过该反射线条可以很好的看出实体表面的平滑过渡情况。各表面斑马线越光顺对接性越好实体的表面越符合要求。图4.34 “反射”效果4.4 各部件建模4.4.1 建立分模面打开【格式】【图层的设置】把图层2设置为工作层隐藏实体和其他图层中的点如图4.35所示。图4.35 分模面点云打开【插入】【草图】或点击进入草图，选择以ZC-XC面作为工作平面并点击确定。打开【插入】【艺术样条】或点击绘制艺术样条曲线，使其轨迹尽量与实物分模面的蓝色点云相重合如图4.36所示。图4.36 分模面艺术样条曲线点击退出草图。点击对绘制好的艺术样条进行拉伸。输入”限制”的起始值为-40终止值为40。取消实体的隐藏如图4.37所示，并对该文件另存备份。图4.37 分模面的建立4.4.2 底座、滚轮和滚轮轴的建模打开【插入】【裁剪】【修剪体】或单击对实体进行修剪。以实体为要修剪的目标体，分模面为修剪面，保留下半部实体，如图4.38所示。点击“确定”按钮。图4.38 三维NX4.0 “修剪体”界面打开【编辑】【隐藏】或单击隐藏图形中的片体、曲线和点云。点击对底座实体进行”外壳”操作，弹出对话框如图4.39所示。选择切割面为要移除的面，输入厚度值2mm并点击“确定”按钮。如图4.40所示。图4.39 “外壳”对话框 图4.40 底座“外壳”效果打开【编辑】【隐藏】【取消隐藏所选的】或点击后选择分型面，取消对分型面的隐藏。点击创建相交曲线，两组面分别选择体的外表面与分模面。“相交曲线”对话框如图4.41所示。点击对两面相交后得到的曲线在分模面上实行偏置，偏置方向选择内部，距离设置为1mm“在面上偏置”对话框如图4.42所示。 图4.41 “相交曲线”对话框 图4.42 “在面上偏置”对话框点击对偏置得到的曲线进行拉伸，起始值为-10，结束值为20mm，点击“确定”完成拉伸。点击对曲面进行偏置。弹出对话框后对其设置输入偏置值1.3mm，选择分模面为“新集合面”然后点击“确定”完成曲面的偏置。点击隐藏实体、分模面及曲线。点击对两片体进行修剪，对拉伸得到的曲面保留上部，偏置得到的曲面保留下部，如图4.43所示。点击对两片体进行缝合。在系统默认情况下对两片体缝合系统提示如下：修改“缝合”对话框中的缝合公差值，改为0.2mm完成片体的缝合。图4.43 片体修剪后点击在弹出后选择实体，点击取消对实体的隐藏。点击对实体进行修剪，修剪工具面选择缝合后的片体，剪掉片体内部的实体。点击隐藏片体，如图4.44所示。图4.44 边沿的切割点击在进入草图界面，在中选择以XC-YC面作为工作平面。点击绘制矩形，在中选择用两点式进行绘制。点击对矩形的尺寸及位置进行确定。其大小为10mm4mm，使其上边距XC轴-6mm左边距YC轴32mm如图4.45所示。图4.45 矩形的绘制点击退出草图。点击对在草图中绘制的矩形“镜像”，对称面选择ZC-XC平面并点击“确定”完成镜像操作。点击对两矩形拉伸绘制滚轮轴的支架。在拉伸对话框中输入“限制”的起始值14结束值32如图4.46所示，并完成拉伸操作。图4.46 “拉伸”对话框点击回到草图的XC-YC平面，点击绘制直径为4mm和6mm的两圆。具体位置为：距YC轴-30mm,距YC轴的距离为0。点击退出草图。点击对两同心进行拉伸，“限制”的起始值为20mm结束值为33mm并退出草图。点击对图中的4部分实体合并成一个整体。点击进入草图的XC-YC平面。点击绘制直径为5mm的圆。位置：距XC轴-18mm，距ZC轴37mm，如图4.47所示。点击退出草图。图4.47 滚轮轴草图定位点击隐藏图中的所有实体，然后点击对直径为5mm的圆进行拉伸，起始值和结束值分别为-10mm和10mm。点击对以拉伸的圆柱”割槽”，对话框如图4.48所示，选择”矩形”。(a) (b)(c) (d)(e)图4.48 “割槽”对话框矩形沟槽的沟槽直径为3mm，宽度为4mm。沟槽定位分别选择圆柱和切割体的最外边，“创建表达式”输入值为0mm。重复上述操作继续对直径5mm的圆柱面进行割槽，“矩形沟槽”对话框设置沟槽直径为4mm，宽度为10mm。“定位沟槽”选在上次切槽的边缘“创建表达式”值仍为0mm。滚轮轴模型的初步建