基于CMM的注塑零件的尺寸和几何误差测量分析

南京林业大学本科生毕业设计（论文）PAGE51本科毕业设计(论文)题目:基于CMM的注塑零件的尺寸及几何误差测量与分析学院：机械电子工程学院专业:机械设计制造及其自动化班级：学号:学生姓名：指导老师：职称：二○一五年月日南京林业大学本科生毕业设计（论文）PAGEIII基于CMM的注塑零件的尺寸和几何误差测量分析摘要根据CMM的形状误差测量在工程应用中有着重要的价值。本次设计在利用CMM获取测量数据的基础上，根据国家标准中形状误差的定义和评定标准，充分分析了注塑零件的平面度、垂直度等一些形状误差，然后结合逆向工程技术，对注塑零件的三维重建进行了深入研究。首先，采用三坐标测量机对注塑零件测量零件的尺寸和位置以及分析形状误差，然后利用CATIA画出注塑零件的三维图。最后采用逆向工程技术处理对注塑零件的上表面以及侧面进行阈值分割，并表面重建后生成点云文件。然后，采用CATIA软件对点云文件进行降噪和过滤，获得注塑零件表面的精简点云，并经三角网格化和光顺处理后生成注塑零件模型。结果表明，基于三坐标测量机的零件的形状误差分析更精准、更快速，在工程应用中占有重要的地位。关键词：形状误差，CMM，误差处理，逆向工程，注塑零件南京林业大学本科生毕业设计（论文）ShapeErrorMeasuringandAnglicizingBasedonCMMABSTRACTTheformerrormeasurementbasedonCMMhasimportantvalueinengineeringapplication.ThedesignonthebasisofusingtheCMMformeasuringdata,analyzedtheinjectionpartsformerrorfully,accordingtothenationalstandardofthedefinitionandevaluationcriteriaofformerror,suchas，flatness、perpendicularity.Andthencombinedthetechnologyofreverseengineering,studiedthe3dreconstructionofinjectionmoldingpartsdeeply.Firstofall,Measuringthesizeandlocationoftheinjectionmoldingpartsandanalyzestheshapeerrorbythreecoordinatesmeasuringmachine，thenusingCATIAdrawinginjectionpartsofthreedimensionalfigure.Finally,thethresholdsegmentationofinjectionmoldingpartsonthesurfaceandprofileusingreverseengineeringtechnology,andinvolvescloudfileaftersurfacereconstruction.Andthen,NoisereductionandfilteringonpointcloudfilesusingCATIAsoftware,getsmallerpointcloudonthesurfaceoftheplasticinjectionparts,andthetriangularmeshandsmoothafterprocessingtogeneratemodelofinjectionmoldingparts.Theresultsshowthattheshapeofthepartserroranalysisismorepreciseandmorequicklybasedonthethreecoordinatemeasuringmachinewhichisveryimportantintheengineeringapplication.Keyword:formerror,CMM,errorhandling,reverseengineering,plasticinjectionparts目录8331摘要 I6504ABSTRACT II24451目录 III117921绪论 117861.1课题的背景 1309741.1.1几何误差的研究意义 134241.1.2三坐标测量机的应用 2119961.1.3逆向工程的应用与发展 252951.2国内外相关研究现状 345681.2.1国内研究现状 397661.2.2国外研究现状 3160791.3本文的研究内容与结构 4187621.4本章小结 6278792三坐标测量机的介绍 7142252.1引言 7314892.2三坐标测量机的基本组成及结构 7149972.2.1基本组成 7168032.2.2结构形式 7288742.3活动桥式测量机的构成及功能 854522.4控制系统的功能 9217782.5测座、测头系统 911042.6计算机和测量软件 1019422.7测量机的工作环境 11298702.8操纵盒使用说明 1127742.9本章小结 12106243基于三坐标测量机的注塑零件的测量步骤 12322063.1引言 13135523.2注塑零件的介绍 13257543.3系统启动 13171143.3.1测量机启动前的准备 14233113.3.2测量机系统启动 14188213.3.3测量机系统关闭 14105123.4进入PC-DMIS测量软件 14228093.5测头校验 15119543.5.1测头校验的必要性 15183573.5.2测头校验的原理 1536993.5.3测头校验的步骤 16100723.5.4观查校验结果 21281593.6特征 2171633.6.1测量特征 21108503.6.2构造特征 2470523.7建立坐标系 266693.7.1建立坐标系的重要性 26119473.7.2建立坐标系的三个步骤 2751023.8尺寸的测量和形状误差的分析 29164663.8.1距离 2975013.8.2平面度的评价 33153193.8.3平行度的评价 34276343.8.4垂直度的评价 35296753.9本章小结 3684094逆向工程技术 36252044.1引言 37162914.2三维激光扫描仪的简介 3742284.3CATIA的简介 38146624.4注塑件三维模型重建的步骤 40119614.4.1获取注塑件点云 40310794.4.2CATIA曲面三维重建 41270674.5逆向工程的发展前景 43295214.6本章小结 4391605总结与展望 44214835.1总结 45172485.2展望 4526650致谢 462192参考文献 47PAGE501绪论1.1课题的背景随着科学技术的快速发展和生活水平的提高，产品的快速更新节奏，人们对产品的功能要求越来越高，进而对零件各项精度要求也在提高，而且随着生产的快速发展和产品批量的增加，传统的尺寸公差测量已经不能满足产品装备的互换性要求，把形状和位置公差结合起来是必然的选择。CMM是高效率的精密测量仪器，它是顺应生产发展的需要和电子技术的发展而崛起的。目前它广泛应用于机械，仪器，电子，国防和航空工业等各部门。20世纪60年代以来，随着电子工业、航空航天业、机床、机械、汽车等的兴起，各种复杂零件的生产急需先进科学的仪器进行检测，并且随着产品更新节奏的加快，生产率低下，生产成本高，对产品的检测速度需求也提高，三坐标测量机正是集中了上述多种优点，从而在测量领域得到广泛应用，并发挥了其重要性。随之产生的还有逆向工程技术，它利用三维激光扫描仪对零件实体进行扫描，生成零件的点云，并通过相关软件对其进行三维重建，塑造出零件完整的三维模型用于生产，这种技术不仅快速高效而且生产出的产品质量好。逆向工程技术在生产制造中发挥了极大的作用，克服了早期生产中生产率低、成本高等缺陷。1.1.1几何误差的研究意义形状和位置误差是评定生产零件的重要指标之一,现代坐标测量技术是伴随着现代电子、航天、机械等工业兴起的新的测量技术,基于三坐标测量机测量数据的形状误差评定方法的研究具有十分重要的价值与意义。根据国标GB1183-89的规定，形状误差包括:直线度、平面度、圆度、圆柱度，单一的形状误差测量已经满足不了生产中检测零件的精度要求，而形状误差评定又是位置误差评定的基础，所以必须把形状误差与位置误差结合起来。几何误差的来源主要有两方面:一是由产品制造过程中引起的;二是由产品检测所引起的。无论是什么工件,只有通过对测量的数据进行误差评定才能确定其形位误差是否符合设计的要求，是否满足生产。因此,只有对工件形位误差进行准确评定,才能为产品验收提供依据,而且可以提高零件的加工精度和装配精度。多年来，我国大多数机械加工企业的几何误差检测设备和方法改进不大,并且落后于快速发展的科学技术,这一现象严重制约了我国各工业的发展。因次,研究开发适合产品检测的几何误差测量与分析方法是制造产品的需求,这不仅提高产品质量，而且降低了测量成本、提高了测量效率。几何误差是保证零件实现互换，满足使用性能所提出的一项重要技术要求，是评定产品质量的一项重要指标。1.1.2三坐标测量机的应用三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）是一种测量零件三维尺寸的精密测量仪器，主要用于检测零件的尺寸、形状和相互位置。三坐标测量机是目前测量工件获得尺寸数据的最有效的方法之一，同时也是国内外应用最广泛的方法之一，优点在于它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并且大大减少了检测的时间，提高效率的同时也提高了精度。三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据和分析形位误差，为操作者提供关于产品生产状况的有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。将被测物体置于三坐标测量空间，自动进行数据采集，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，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。三坐标测量机以通用性强、测量范围大、精度高、效率好、能与柔性制造系统相连接的优点，被称为“测量中心”。三坐标测量机应用相当广泛，主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具。1.1.3逆向工程的应用与发展逆向工程(RE)也称逆向制造,即接受用户的样品,然后迅速、有效地对其进行仿制。一件产品传统的制造过程主要经过"设计-加工-检测",产品形成后对其进行检验,检测是整个过程的最后一步也是最重要的一步，就如上述的三坐标测量机。而逆向工程技术是在已知零件实体的条件下先通过测量机(CMM)测量获取零件表面离散得点,然后将零件的点云文件导入进行相关软件中进行样品的几何造型设计,最后生成自动加工指令通过加工中心复制出样品。整个过程为测量设计制造。与早期产品生产过程相反，因此称为逆向制造。目前的模具制造、样品复制、以及复杂零件的加工几乎都采用逆向工程技术，因为其快速、精确、无图纸的优点，提高了效益。随着世界科技水平的不断提高,国际市场竞争越来越激烈。快速开发及制造高质量、低成本的产品是提高企业竞争力的重要手段。采用逆向工程技术,不仅可以缩短产品开发周期,而且可以提高产品质量,提高生产率,降低产品成本,从而增强企业的竞争能力,使企业获得最大的经济效益。作为新技术,逆向工程必将在未来的制造中发挥重要作用。1.2国内外相关研究现状零件的形位误差对机械产品的质量有很大的影响，因此准确测得和评定零件的形位误差一直是国内外普遍关注的问题。一直以来有关形位误差的评定理论、评定方法等都备受国内外广泛的关注。与长度测量、角度测量及其误差评定相比，形位误差测量和评定有较高的难度，我国开始着手研究的时间较短，但它已经对我国的工业生产和科学技术进步起到了很大的促进作用，关于形位误差评定的理论方法、数学模型及解算方法的研究，已达到了国际先进水平。1.2.1国内研究现状中国从1970年代末和1980年代初开始对形状和位置误差进行更系统的研究。形状和位置公差自国家标准颁布以来,几何误差理论的测量和评价研究进展迅速,由第一个直线度、平面度、圆度和圆柱度评估渐渐扩展到对圆锥度,对称度、平面孔的位置度和圆跳动误差的项目的评定，针对不同类型,形式和位置误差的测量方法、数据处理方法的研究和发展也在向着不同的地方发展。理论上,一个对象的数学模型逐步发展到多个对象的数学模型,建立一个线性模型的发展到建立一个非线性模型;评估算法中的最小二乘法从最初的发展到近似的最小条件评价方法,从简单应用优化理论逐步发展到结合形式和位置误差的特点改进现有算法来提高处理速度和精度,同时继续提出一种具有实用价值的新的算法，在理论研究的基础上，根据实际生产需要利用计算机控制系统开发几何误差测量装置。虽然国内三坐标测量机发展迅速,但是仍有不足,主要有以下几个方面:系列品种少；产品生产周期长,主要原因是元素和材料匹配困难导致加工周期长。产品的稳定性较差,尤其是电子控制系统，不仅可靠性差,而且故障率较高。此外,软件功能也相对较少,尤其是专有软件,和计算机工作站和数控机床联网存在问题,只有少数测量机得以应用,因此这项工作的大部分机器,都需要进一步发展。1.2.2国外研究现状总的来说,国内对形位误差的研究在短短二十多年里取得了骄人的成绩,但与国际接轨还需要一段时间。在中国还没有特别关注形位误差时，国外一些国家就已经对其进行研究了，已有一百年的历史了，从最初的直线度误差,到对平面度、圆度、圆柱度、圆锥度、球度等越来越复杂的形位误差的测量评定,都卓有成绩。国外三坐标测量机起步较早，技术更为成熟，这也是其在国际市场上具有较强竞争力的原因。国外三坐标测量机制造商较多，因此系列品种也较多，大多数都有划线功能。1.3本文的研究内容与结构本课题是基于三坐标测量机测量形状误差在工程中有着重要的价值与意义，对零件进行尺寸、距离等的测量，并对其平面度、垂直度等一些形状误差进行分析，最后利用逆向工程对其进行三维重建。本课题以注塑零件为例，对其进行基于三坐标测量机的特征测量与分析，然后利用三维激光扫描仪对其进行三维扫描，为工件的质量检测奠定了基础。课题研究内容包括：（1）利用三坐标测量机测量零件的尺寸并以报告的形式输出注塑零件的一些形状误差。（2）根据CMM测量的数据利用CATIA软件画出三维实体图并导入CAD进行几何尺寸的标注，三坐标测量机会对其进行自动测量。（3）采用三维激光扫描仪扫描注塑零件，重建出精确的曲面和实体模型。（4）导入CATIA进行三维实体重建。随着计算机技术和计量软件技术的引入，三坐标测量机的应用领域愈加宽广，己经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。三坐标测量机对零件进行尺寸及几何误差的测量，根据报告中每一栏显示出的颜色可以判断出哪些形状误差在精度范围内，哪些不在，并对其原因进行分析。在利用相关软件（如CATIA）画出注塑零件的三维图导入CAD中，将其数据导入计算机测量软件，计算机测量软件会对CAD模型进行自动测量。本研究将逆向工程技术与之相结合，通过三维激光扫描仪对零件进行扫描并在电脑中显示出不完整的三维实体图，并通过多次拼合获得尺寸较完整的三维图，最后再导入CATIA中对其不完整的地方进行修补。通过这种手段实现了对零件的精准快速检测和模型三维重建，在工程中发挥着重要的作用。依据上述研究内容，本文组织结构安排如图1.3所示。第五章第五章总结与展望第四章逆向工程技术第三章基于三坐标测量机的测量步骤第二章坐标测量机的介绍绪论图1.3论文组织结构图第一章，作为全文的绪论，主要介绍课题研究的背景与研究意义，包括形状误差的研究意义、三坐标测量机的运用、逆向工程的运用；另外，对国内外相关研究现状进行了介绍与概述；对本文的研究内容、思路和布局做了大体的说明。第二章，主要介绍三坐标测量机的基本组成及结构、活动桥式测量机的构成及功能、控制系统的功能、测坐测头系统、计算机和测量软件、测量机的工作环境以及操作盒的使用，主要涉及到在三坐标测量机中的一些具体介绍，以便于更快速的掌握其使用方法。第三章，主要介绍三坐标测量机测量零件的具体步骤以及每一步骤的具体细节和注意事项，首先是系统的启动、进入PC-DMIS测量软件、测头校验，然后开始测量特征或者通过构造特征来建立坐标系，正式进入测量，并进行形状误差的分析，导入CAD，三坐标测量机对有CAD模型进行自动测量。第四章，主要是根据第三章的讲解，针对注塑零件实体进行尺寸及几何误差测量与分析的实例测量与分析。第五章，主要是逆向工程技术，首先利用三维激光扫描仪对零件实体进行三维扫描，并在电脑中出现不完整的三维模型，通过多次不同角度的扫描获得多个三维模型，通过拼合获得近乎完整的三维模型，最后导入CATIA中进行三维重建。第六章，对全文进行总结，并对进一步研究作出展望。1.4本章小结本章主要概述了全文的整体框架结构，包括现在国内外相关的研究现状，形状误差的研究意义，三坐标测量机的组成构造和工作原理和逆向工程技术的步骤。形位误差的测量在几何量精密测量中占有十分重要的地位，坐标测量机测量就是基于此而诞生的一种高精密测量仪器，在工程质量检测中发挥了极大的作用，使生产的零件误差更小，精度更高，使产品在国际上更具竞争力。逆向工程技术是从实物原型到三维数字模型的转换,是反求工程技术实现的关键技术,它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分。逆向工程可以迅速、精确、方便地获得实物的三维数据及模型,为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。2三坐标测量机的介绍2.1引言三坐标测量机是高效精密的仪器，在使用之前我们要详细的了解的其组成结构、各部分功能、工作环境以及使用方法，这样会避免很多盲目测量带来的需许多弊端。了解三坐标测量机的三种结构形式及每个结构形式的构成和功能，能帮助我们快速决策针对某一零件采取哪种结构形式可以满足零件的精度。控制系统是三坐标测量机的中枢，要详细了解其工作原理，方便我们使用。计算机和测量软件是数据处理中心，主要功能是控制系统参数、进行测头定义和校正、零件找正核对数据进行计算和统计。了解操作盒的使用可便于手动测量，避免测头碰到工件。2.2三坐标测量机的基本组成及结构了解三坐标测量机的基本组成及结构形式是掌握其工作原理和动手实践的基础。根据零件的的几何特征以及精度要求选择合适的结构形式。本节着重介绍目前被广泛应用的活动桥式测量机。2.2.1基本组成坐标测量机由测量机主机、控制系统、测头测座系统、计算机（测量软件）几部分组成。如图2.2.1所示。图2.2.1基本组成2.2.2结构形式三坐标测量机有活动桥式、固定桥式、和单边高架桥式三种结构形式。其中应用最多的就是活动桥式。如图2.2.2所示.图2.2.2活动桥式测量机2.3活动桥式测量机的构成及功能活动桥式测量机是目前应用最广泛的。其优点是结构简单、视野开阔、开敞性好、上下零件方便。而且精度高运动速度快。如上图2.2.2所示。1、工作台，用于摆放零件支撑桥架；工作台放置零件时，一般要根据零件的形状特征和检测要求，选择适合的支撑或夹具。要求零件摆放要稳固，不受外力变形而导致坐标系移动，影响测量精度。在工作台上大零件可垫等高块，小零件可以放在方箱上固定后测量即可。2、桥架，支撑Z滑架，形成互相垂直的三轴；3、滑架，使横梁与有平衡装置的Z轴连接；4、导轨，具有精度要求的运动导向轨道，是测量基准；5、导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。空气中的灰尘和油污水分会污染导轨，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。因此要定期对导轨清洁，可采用工业酒精擦拭导轨。6、光栅系统（光栅、读数头、零位片），是测量基准；7、零位片的作用是使测量机找到机器零点。机器零点也就是机器坐标系的原点，既是测量机误差补偿的基准，也是测量机行程终控制的基准。8、驱动系统由直流伺服电机、减速器、传动带、带轮等组成。9、空气轴承气路系统，由过滤器、开关、传感器、气浮块、气管组成；10、支承（架）、随动带。2.4控制系统的功能图2.4控制系统图2.4是测量机的控制中枢，主要功能：1、控制和驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；计算机指令通过系统控制单元，根据事先设置好的速度、加速度，驱动直流伺服电机转动，并通过光栅和电机的反馈电路来控制运行速度和电机的转速，使三轴同步平稳的按指定轨迹运动。2、在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；当通过操纵盒控制运动的测头与被测零件接触时，测头就会发出被触发的信号,随后传送到控制单元，根据测头保护功能立即令测量机停止运动，同时锁存此刻的光栅读数。这就获得了所测的点的坐标。3、根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿；测量机在制造组装完成后，都要使用相关检测工具对21项系统误差如各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置误差，三轴之间的垂直度误差等进行检测，并用软件进行补偿，以保证测量机精度符合产品加工要求。4、采集温度数据，进行温度补偿；2.5测座、测头系统测座、测头系统是数据采集的传感器系统，测座分为手动和自动两种，主要功能：图2.5（1）测座测头系统1、测座旋转到指定角度；本研究采用手动控制，只能由人工手动方式旋转测座调整到指定角度。本研究在程序运行过程中没有更换过测针，只是在测量开始前选定合适的测针即可。并且根据需要可安装加长杆。2、测头工作方式转换；测头转换工作方式是靠测头控制器来实现的，测头在测量机高速运动时处于不灵敏状态，只有触发时才能进入灵敏状态。以操纵盒的“LOW”键进行控制状态转换，即低速运动时是测头的灵敏状态。3、测头传感器在探针接触被测点时发出触发信号；测头根据其功能有：触发式、扫描式、非接触式等。触发式测头是本次研究采用的一种测头，也是应用最广泛的测头，其工作原理是当测针与零件产生接触时，发出一个开关信号，这个信号传送到控制系统后，控制系统锁存此刻的光栅计数器中的数据，经处理后传送给测量软件PC-DMIS，及所测的点的坐标就得到了。图2.5（2）测头2.6计算机和测量软件计算机和测量软件是数据处理中心，主要功能：1、对控制系统进行参数设置；2、进行测头定义和测头校正；不同的测头角度所测得坐标值是不一样的，而零件的尺寸是固定不动的，因此在测量前必须进行测头校正，以使无论什么型号的测头都能获得相同的结果。此外，还可以进行测头半径补偿，并把不同测头角度所测点的坐标都转换到基准测头位置上。3、建立零件坐标系；为使测量能更方便的进行，测量软件要以零件的基准建立坐标系，即零件找正，称为零件坐标系。4、计算、统计和处理测量数据；测量软件可以根据需要进行构造或拟合等计算，也可以对零件各项形位公差进行计算、评价，并生报告。5、输出测量报告；在测量软件中，操作员可以按照自己需要的格式设置模板，并生成检测报告输出。2.7测量机的工作环境本次研究是在学校的实验室7D103，坐标测量机工作时所需要环境要求基本满足。下面对此进行简单介绍：1、环境温度环境温度：20℃±2℃2、环境湿度一般要求：40％～60％为最好。3、电源除使用机型特殊要求，一般测量机使用电源为220V±10V50HZ；要求有稳压装置。4、单独接地线要求有单独接地线，接地电阻≤5Ω；要求周围没有强电磁干扰。2.8操纵盒使用说明图2.8操作盒上图2.8为操作盒图片，下面将详细介绍其具体功能：1.SERVOPWRON：电机加电按钮，按下后电机上电指示灯亮；2.Joystick：方向摇杆，左右为X轴方向，前后为Y轴方向，旋转摇杆为Z轴方向；3.E-STOP：急停按钮，按下后三轴电机掉电，顺时针旋转1/4圈，急停按钮弹起；4.SERVOREADY：指示系统已准备进入自动模式；5.SERVOPWRON：指示所有的电机都已激活；6.RECORD：删除测量点；7.DRIVE：添加移动点；8.XLOCK：灯亮时，指示X轴方向不能手动移动；9.YLOCK：灯亮时，指示Y轴方向不能手动移动；10.ZLOCK：灯亮时，指示Z轴方向不能手动移动；11.SLOW：移动速度切换键，灯亮，慢速，速度为19.05MM/S。12.PART：此按键灯亮时，测量机按工件坐标系移动；13.JOY：激活操纵盒摇杆，灯亮，摇杆可以使用；2分钟不用，此指示灯自动熄灭；14.AUTO：自动测量模式键，测量机由软件程序来控制；2.9本章小结（1）本节介绍了三坐标测量机的基本组成和三种常见结构形式，并且分别介绍了活动桥式、固定桥式和单边高架桥式的各自的特点，其中活动桥式测量机是使用最广泛的，结构简单，开敞性比较好，视野开阔，上下零件方便。运动速度快，精度比较高，可使产品精度大大提高。（2）本节主要介绍了控制系统的三种主要功能：控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿；采集温度数据，进行温度补偿。（3）本节介绍了三坐标测量机的测座测头系统，测针的工作原理是一个高灵敏的开关式传感器。（4）本章了解到测量机的工作环境要求，以及操作盒的使用。只有熟练的掌握了测量机的基础知识才能为动手实践奠定好的基础。3基于三坐标测量机的注塑零件的测量步骤3.1引言在上一章节主要介绍了三坐标测量机的组成及结构和各部分功能，主要是理论知识，没有结合实际测量，本章主要讲解三坐标测量机的测量步骤，并详细讲解每一步骤的具体内容及注意事项。本课题的测量流程步骤如图3.1所示。系统启动测头校验系统启动测头校验测量特征/构造特征建立坐标系尺寸测量和几何误差分析自动测量图3.1测量流程3.2注塑零件的介绍随着注塑成型技术的不断发展,对制品的尺寸精度要求越来越高。但在生产实践中,经常会因制品尺寸偏差给装配造成困难,导致资源浪费。如何提高注塑制品的尺寸精度,是成型加工领域中非常重要的课题之一。本研究采用手机支架注塑件对其进行几何误差的测量与分析。其三维图如图3.2所示。图3.2注塑件的三维图3.3系统启动3.3.1测量机启动前的准备测量机启动前有以下几项准备工作：1、检查机器的外观及机器导轨是否有障碍物，电缆及气路是否连接正常；2、对导轨及工作台面进行清洁；3、检查温度、气压、电压、地线等是否符合要求，对前置过滤器、储气罐、除水机进行放水检查；4、接通电源系统、除水机电源，打开气源开关。3.3.2测量机系统启动1、打开计算机电源，启动计算机；2、打开控制系统电源，操纵盒所有指示灯全亮，系统进入自检状态；3、启动PC-DMIS软件系统；4、进行回机器零点的操作。5、回机器零点过程完成后，PC-DMIS进入正常工作界面，测量机进入正常工作状态。3.3.3测量机系统关闭1、关闭系统时，首先将Z轴运动到安全的位置和高度，避免造成意外碰撞；2、退出PC-DMIS软件，关闭控制系统电源和测座控制器电源；3、关闭计算机电源，除水机电源，关闭气源开关。3.4进入PC-DMIS测量软件启动PC-DMIS软件，建立零件程序名。如图3.4所示。图3.4选择“文件新建建立零件程序名”在弹出来的窗口输入零件名“liangbing”修订号和序列都输入liangbing。根据文件名就可方便的寻找到自己所测得零件。如果要调用以前的程序，在程序启动时选择相应已存在的文件名，之后程序进入工作状态。3.5测头校验3.5.1测头校验的必要性1、三坐标测量机在测量零件时，是用测针前端的红宝石球与被测零件表面轻轻接触，尽管红宝石很小，但是接触点坐标与红宝石球中心点的坐标还是相差一个红宝石球的半径。因此要通过测头校验，把这个半径值准确的修正到测量点，保证测量的正确性。2、不同测头角度、长度和直径不同的测针测量零件得到的坐标值是不同的，因此必须经过测头校验来保证在不同型号的不同角度下的测量结果都是相同的。方式就是根据测头校验得出不同测头位置之间的关系，以方便软件系统能够进行换算。图3.5.1测针测量零件3.5.2测头校验的原理由上述介绍可知，测头校验是测量过程的第一个环节，也是必经的环节，它影响之后的测量精度，因此必须高度重视。测头校验首先主要是知道不同角度测头测点的位置关系，好方便测量软件能进行快速转换，因此第一个校验的测头位置是所有测头位置的参照基准，校验测头位置，实际上就是找到其他测头与参照基准之间的关系。此外，校验时测针和标准球都要保持清洁以避免误差。测针、测头、测座等包括标准球都要固定牢固，不能有丝毫间隙。测头校验的速度要与测量时的速度保持一致。每次在测座、测头、测针的拆卸操作后都要重新对使用的所有测头进行位置校验。并定期进行检查以减少环境变化对测头的影响。3.5.3测头校验的步骤在测量零件时，进入PC-DMIS软件后，软件会自动弹出测头功能的窗口。在进行测头定义前，首先要根据零件外形特征以及测量特征要求选择好配置测头、测针，并规划好测座的所有使用角度。然后按照实际配置定义测头系统。一、定义测头文件名PC-DMIS的测头以文件的形式管理，每进行一次测头配置，都要用一个测头文件来区别。文件名在测头功能窗口选择以前已使用过的测头文件进行测头校验。本次测头文件名为TEASTAR1。图3.5.3(一)测头功能二、定义测座将光标点击“未定义测头”的提示语句，在测头说明的下拉菜单中选择使用的测座型号，在右侧窗口中会显示该型号的测座图形。本次研究选用测座型号如下图所示。图3.5.3（二）选择测座型号三、定义测座与测头的转接测座定义后，继续从下拉菜单中选择测座与测头之间的转接件。四、定义加长杆和测头如果在转接件后面有加长杆，则要在下拉菜单中选择相应长度和型号后，再选择相应测头。如图3.5.3（三）所示。图3.5.3（三）定义测座与测头的转接五、定义测针在下拉菜单中按照测针的红宝石球直径和测针长度选择相应的测针。如果在测头与测针间有加长杆，则要先定义加长杆后再定义测针。提示：配置测针和加长杆，要根据测头的承载能力。如果测针和加长杆的重量超出测头承载能力，会造成误触发或缩短测头寿命及精度。测针定义后，会在测头角度窗口中自动显示A0，B0角度位置。图3.5.3（四)定义测针六、添加测头角度如需要添加测头角度，在测头功能窗口中点击添加角度的按键，即出现添加新角度的窗口。图3.5.3(五）添加测头角度在C区的矩阵表中，纵坐标是A角，横坐标是B角，其间隔是当前定义测座可以旋转的最小角度。该注塑零件选择A90B90、A0B0、A0B90、A90B0、A0B180、A180B0、A45B45。这些角度的测头位置定义后，将使用其A角B角的角度值来命名。在使用这些测头位置时，只要按照其角度值选择调用即可。七、测头校验测头定义后，要在标准球上进行直径和位置的校验。点击测头功能――测量，弹出校验测头窗口。输入校验测头的点数和速度测量点数：校验时测量标准球的采点数设置为9，缺省设置为5点。逼近/回退距离：测头触测或回退时速度转换点的位置，可以根据情况设置，一般为2～5mm，本次设定值为2.54mm。移动速度：测量时位置间运动速度为20mm/s。触测速度：测头接触标准球时速度2mm/s。控制方式：一般采用DOC方式。操作类型：选择“校验测尖”。校验模式：一般应采用用户定义，在采点数为9点时，层数应选择3层。起始角和终止角可以根据情况选择。一般起始角为0℃，终止角为90℃。柱测尖标定：对柱测针校验时设置的参数，偏置是指在测量时使用的柱测针的位置。参数设置：用户可以把校验测头窗口的设置，用文件的方式保存，需要时直接选择调用。可用工具列表：是校验测头时使用的校验工具的定义。点击左下角“添加工具”，弹出添加工具窗口。在工具标识窗口添加“标识”，在支撑矢量窗口输入标准球的支撑矢量（指向标准球，如：0，0，1），在直径长度窗口输入标准球检定证书上标注的实际直径值，按下确定键后，就可准备测头校验。图3.5.3（六）测头校验实施校验在校验测头窗口设置完成后，进入测量。如果按下测量键前没有选择要校验的测针时，PC-DMIS软件会出现提示窗口，选择校验全部测针，点击“是”。如图a所示。图aPC-DMIS在操作者选择了要校验的测针后，弹出提示窗口，警告操作者将测座旋转到A0、B0角度，这时操作者应检查测头旋转后是否与零件或其它物体相干涉，如有请及时采取措施。同时要确认标准球是否被移动。如果点击“否”，PCDMIS会根据最后一次记忆的标准球位置自动进行所有测头位置的校验。如图b所示。图b如果点击“是”，PC-DMIS会弹出另一窗口，提示操作者如果校验的测针与前面校验的测针相关，应该用前面标准球位置校验过的一号测针T1A0B0，以使它们互相关联。选择“确定”后，操作者要使用操纵杆控制测量机用测针在标准球与测针正对的最高点处触测一点，测量机会自动按照设置进行全部测针的校验。如图c所示。图c若操作者需要指定测针校验顺序，在测头功能窗口中选中“用户定义的校验顺序”选框，点击第一个要校验的测针，然后在按下“CTRL”键的情况下顺序点击其它测针，在定义的测针前面就会出现顺序编号，系统会自动按照操作者指定的顺序校验测针。3.5.4观查校验结果测头校验后，点击测头功能——结果键，会弹出校验结果窗口。在校验结果窗口中，理论值是在测头定义时输入的值，测定值是校验后得出的校验结果。其中“X、Y、Z”是测针的实际位置，由于这些位置与测座的旋转中心有关，所以它们与理论值的差别不影响测量精度。“D”是测针校验后的等效直径，由于测点延迟的原因，这个值要比理论值小，由于它与测量速度、测针的长度、测杆的弯曲变形等有关，在不同情况下会有区别，但在同等条件下，相对稳定。“StdDev”是本次校验的形状误差，从某种意义上反映了校验的精度，这个误差应越小越好。如图3.5.4所示。图3.5.4校验结果3.6特征3.6.1测量特征点空间点的特征是：X、Y、Z坐标值，测头回退的矢量空间点的特征是：X、Y、Z坐标值，测头回退的矢量平面面的特征是：表示面所在位置的特征点X、Y、Z值和与面垂直的法向矢量。面的特征是：表示面所在位置的特征点X、Y、Z值和与面垂直的法向矢量。(面最少测3个点)图3.6.1测量点的过程无论是测量平面还是测量圆柱圆锥等都是要先手动测量多个点，因此掌握测点的过程很重要。手动测量特征使用手动方式即操纵杆测量零件时，要注意以下几个方面问题：1、要尽量测量零件的最大范围，合理分布测点位置和测量适当的点数。2、测点时的方向要尽量沿着测量点的法向，避免测头“打滑”。3、测点的速度要控制好，测各点时的速度要一致，不可太快避免撞坏测针。4、测量时要选择好相应的工作平面或坐标平面。1）手动测量点使用手操盒驱动测头缓慢移动到要采集点的位置上方，尽量保持测点的方向垂直于工件表面。如图（1）所示。图（1）测量点2）手动测量平面使用手操盒驱动测头逼近接触平面。测量平面的最少点数为3点。为使测量的结果真实反映零件的形状和位置，应选取适当的点数，并尽量使测点位置分布均匀，点数和位置分布对面的形位误差都有影响。如图（2）所示。图（2）测量平面3）手动测量圆使用手操盒测量圆时，PC-DMIS将保存在圆上采集的点，因此采集时的精确性及测点均匀间隔非常重要。测量圆的最少点数为3点，多于3点可以计算圆度。如图（3）所示。图(3)测量圆如果要重新采集测点，点击手操盒上的DELPNT键，删除测点重新采集。一旦所有点数被采集，点击手操盒上Done键即可。通过测量特征，注塑零件测得了平面1、2、7、10、11。下图为所测量的特征。图3.6.1（2）特征名称3.6.2构造特征当测量面太窄，所测圆弧太小，会由于误差测出来一条直线或一个圆，这时可根据测出来的点来构造相应的特征。注塑零件的凹槽部分和四周内圆角测针不好测量，此时需要构造特征。命令形式均为：“插入——特征——构造——点/线/圆/面”1）构造平面12图3.6.2（1）平面12如上图3.6.2（1）所示，测针移动范围小，直接手动测量得到平面是不可能的，因此需要构造特征，但是仍要测到三个以上的点，才可以构造出平面。为后续测平面度和距离做好准备。2）构造圆图3.6.2（2）圆角如上图3.6.2（2）所示，该零件的四个角的部位都是以圆角相连接，且内圆角非常小，测针能测量点的范围极小，每次测出来都是一条直线，因此通过构造特征来达到测量圆半径的目的。通过上述测量特征和构造特征，得到下图3.6.2。图3.6.2各特征名称3.7建立坐标系3.7.1建立坐标系的重要性当上述内容一切准备完善之后，接下来就是测量零件了，然而要想最终得到正确的检测报告，在测量之前就必须建立一个正确的零件坐标系来获得测量尺寸的参考方向。零件在检验前必须要有正确的装夹固定住、足够的检测空间。坐标系的建立是后续测量零件尺寸的基础，若坐标系建立的有差错，将直接导致零件所有尺寸和几何误差分析的错误，那测量任务就无法完成，因此，要了解如何建立一个正确的坐标系。图3.7.1三轴关系图选择“插入——坐标系——新建”，此刻弹出坐标系功能框。图3.7.1系统用功能框3.7.2建立坐标系的三个步骤建立坐标系要按以下三个步骤进行：零件找正旋转轴设置原点。下面详细介绍。一、零件找正第一步：测量平面，找正零件，即确定第一轴线。选择垂直于零件轴线的平面而不是选择垂直于机器坐标轴的平面。要保证所选平面干净无灰尘且放置水平、牢固，这样可避免带来误差。一般情况下，均选择测量平面比较好的平面，使测点能够均匀分布到整个平面上，这样精度较高，测量一个平面至少要测三个点，测得的平面在计算中显示出的是一个三角形。该注塑零件以平面1的法向作为Z轴。选中“平面1Z正找正”即可。如图3.7.2（一)a所示。图3.7.2（一）aZ轴找正框图PC-DMIS软件将用在零件上测量出的平面1的曲面矢量方向作为Z轴的正方向。在程序左上角的窗口里显示“Z正找正到平面标识=平面1”，如下图3.7.2（一）b所示。图3.7.2（一）b二、旋转轴根据已有的第一轴线和参考平面，然后继续进行建立坐标系的第二步：旋转轴，即确定第二轴向Y轴。在刚才讨论的坐标系下，要将机器的轴向与零件的一个轴向联系起来，这就是要做的，但是要告诉软件怎么去联系起来。针对注塑零件，用平面8的方向矢量来确定第二轴向，在软件中，利用这条线进行旋转，这将引起测量机坐标轴的旋转，旋转到平面7，与零件坐标系的方向一致。由此确定Y轴正方向。如图3.7.2（二）a。图3.7.2（二）a旋转轴因为X、Y、Z三个轴线是互相垂直的，因此一旦确定了两个轴线，第三轴线也就是唯一不变的。也就没有必要再确定第三个轴线了。虽然坐标系的三个轴都确定了，但是在计算机中可以看到三条坐标轴的交点在一直晃动，没有固定下来，因此我们还要对其进行原点设定。如图3.7.2（二）b。图3.7.2（二）b三、设定原点将原点定位在平面1上。在计算机中原点处于红色标记处，它的坐标值为X=0，Y=0和Z=0。如图3.7.2（二）b所示。图3.7.2(二）b设定原点设置了零件的正确的三个轴向和原点后一个零件坐标系就建好了。接下来就进入测量特征。3.8尺寸的测量和形状误差的分析3.8.1距离测量机中最为常用的一项功能就是测量元素之间的距离，可以快速的知道零件的尺寸。测量距离分为二维（2D）距离和三维(3D)距离。根据图纸要求可设置距离公差大小，根据具体情况选择距离的关系，是按特征测量还是某一轴，根据不同元素确定不同的关系，是垂直于还是平行于，下面将进行详细的介绍。如图3.8.1（1）所示。图3.8.1(1)距离框图二维距离的方向总是平行于工作平面，三维距离是元素间的空间距离，所以距离的测量不是那么直观，因而也容易出现明显的错误。因此，注意到二维三维的关系将非常重要，因为大多数的计算错误基本都跟选择参数时忽略了二维、三维的判断有关系。下面将具体详细的介绍它们的含义，首先了解总体的步骤：一、使用“距离”选项标注距离1、从子菜单中选择插入――尺寸――距离，此时将弹出距离对话框；2、在特征列表框中选要计算距离的特征元素，如平面5和平面6；3、在上公差框中输入上公差值，在下公差框中输入下公差值，注意正负号，如平面5到平面6的距离上公差为0.00，下公差为-0.40；4、指定距离类型，选择2维或3维选项，例如平面5和平面6的距离是3维；5、在单位区域选择毫米mm；6、选择要将尺寸信息输出到何处，选择统计、报告、两者或无选项；7、选择按特征、按X轴、按Y轴或按Z轴选项，以确定用于定义距离的关系；8、选择垂直于或平行于单选按钮；9、如果要在“图形显示”窗口中查看尺寸信息，请选中可选的显示复选框；10、在分析选项中选择文本复选框或图形复选框。如选择了图形复选框，在倍率框中输入增益值；11、如果需要，选中尺寸信息区域中的显示复选框并单击编辑，以选择希望在“图形显示”窗口中显示的尺寸信息格式；12、单击创建按钮。二、距离的公差公差区域允许操作者沿着正负方向输入正负公差带。其中距离尺寸的理论值并不都是基于CAD数据或测量数据。有时候数据来自于硬拷贝，可以使用理论值框输入理论距离。如图a所示。图a距离公差框图一、距离类型如果一个元素是平面而另一个元素是点，PC-DMIS将提供点和平面之间的最短距离；如果两个元素都是平面，PC-DMIS将提供第一个平面的特征点到第二个平面的最短距离。如图b所示。图b距离类型框图二、关系对话框关系区域中的复选框用于指定在两个特征之间测量的距离是垂直于或平行于特定轴，还是垂直于或平行于第二个或者第三个所选特征。图c距离关系框图当选择按“特征”复选框垂直于或平行于选项在方位区域中就可以选择了。例如在列表中仅仅选择了二个特征，PC-DMIS计算的是特征1和特征2之间的平行于或垂直于的关系，基准为特征2。三、方向对话框关系区域中的复选框用于指定在两个特征之间测量的距离是垂直于或平行于特定轴，还是垂直于或平行于第二个或者第三个所选特征。如图d所示。图d距离方向框图•测量第一个元素特征平行或垂直于第二个元素特征的距离。•测量第一个元素特征和第二个元素特征之间平行或垂直于特定轴的距离。根据上述知识，基于注塑件的三坐标测量的多个距离得到如下结论。如表格1所示。表1公差类型关系方向平面5到平面60.43维按特征垂直平面7到平面80.353维按特征垂直平面9到平面100.23维按特征垂直平面11到平面70.23维按特征垂直点13到平面120.23维按特征垂直最后生成的报告形式如下图3.8.1（2)所示。图3.8.1(2)各距离报告七、圆弧半径该注塑零件的四周圆角太小，测针移动范围小，如前面所述，采用构造特征，可计算出圆的直径。下面左图为电脑中显示的构造出的圆。图3.8.1(3)构造圆由此可知内圆角半径大约为5mm。根据所测得的平面之间的距离、点到平面的距离以及圆弧直径的大小就可以知道零件的长宽尺寸，凸台的定位，面与面之间的连接圆角，为我们分析零件结构、画零件的三维图提供了便利。3.8.2平面度的评价计算一个平面的平面度，测针至少应测3点或者更多，点数越多越能反映其真实的平面度。公差只给出一个值，此值表示两个包容测量平面的平行平面间的最大距离值。如图3.8.2（一）平面度特征控制框。图3.8.2（一）平面度特征控制框1、选择“插入――尺寸――平面度”，此时将显示平面度对话框：2、在特征列表中选择测量过的特征进行评价（注意：在程序中把光标的位置放在程序的最后才可以显示所有测量过的特征，如果选错想要评价的特征，点击清除所有可以删除选择的特征，点击重置可以重新选择想要评价的特征）；3、在公差框中键入公差值；（如果需要在这个测量平面上选择一个小的单元进行评价，选择特征控制框选项特征控制框选项中的每个单元选项，在特征控制编辑器窗口会出现一个小的平面范围供选择输入）4、在选择高级特征控制框单位部分中选择毫米。5、选择输出设备。选择高级特征控制框中统计、报告、两者都或无选项；6、如果想在图形显示窗口中浏览尺寸信息请选择尺寸信息框；7、选中文本复选框或图形复选框，以选择所需的分析选项，以便在报告或图形窗口进行分析。如果选中图形复选框，请在倍率框中输入增益值。如果需要，选中尺寸信息区域中的显示复选框，点击编辑以选择在“图形显示”窗口中显示的尺寸信息格式；8、点击创建按钮，可以得到需要的平面度尺寸信息。下图3.8.2（二）是所测的平面4的平面度的报告。图3.8.2（二）平面度报告报告中显示平面4的平面度误差为红色，说明其误差大于设定的公差值，其误差主要来源于塑料注塑成型加工过程中，由于模具承受着各种外界因素的复杂影响,常常导致模塑产品的畸变,这种畸变最常见的表现形式即为塑料材料溢流产生的飞边。既有模具受力变形工艺条件如温度等外因,也有材料流动、收缩等内因。原因分析归纳如下:(1)注射工艺参数的选择不当;(2)模具分析面的制造缺陷;(3)模具自身承受变形的能力不足。图3.8.2（三）注塑件成型加工过程3.8.3平行度的评价评价平面之间、面线之间、线线之间的平行状态。一平面（边）相对于另一平面（边）平行的误差最大允许值。平行度评价选项计算两个平面的平行情况，必须有一个平面作为基准。平面被限制在3D的视平面，而不需要参考坐标系。本章节研究面与面之间的平行度。菜单：插入――尺寸――平行度该注塑零件以平面5为基准A，来考量平面6其平行度是否在公差范围内，公差为0.15。图3.8.3平行度报告报告显示平面5和平面6的平行度误差在公差范围内，说明在产品制造过程中所造成的误差较小，满足加工精度，提高了产品质量，满足装配的互换性。3.8.4垂直度的评价垂直度可以应用在线，平面，圆柱，圆锥，或任一种槽元素。适合的基准元素可以是另一个线，平面，圆柱，圆锥，槽，或标准参考平面元素XA,YA,ZA,XY,YZ和ZX平面。平面被限制在3D的视平面，而不需要参考坐标系。本章节主要研究面和面的垂直度。该注塑零件以平面1为基准B，来考量平面2与其垂直度是否在公差范围内，公差为0.2。图3.8.4（一）垂直度报告报告显示平面1和平面2的垂直度误差在公差范围内，说明在相互参照下平面比较平整，满足产品的互换性，产品质量较高。下图3.8.4（二）为计算机中显示的报告结果。图3.8.4（二）计算机显示报告图3.9本章小结本章详细的简述了三坐标测量机的测量步骤，包括系统启动前后应注意的事项、测座测针的选择、控制系统的功能、特征测量、构造特征、建立坐标系和误差分析的过程。根据不同的零件选择合适的测针以便测量，并且根据需要可安装加长杆达到更好测量特征的目的。本研究主要是采用手动测量多个点（3个以上）来达到测量平面、圆半径的目的，其中有个别平面太窄，圆弧太小，难以测出真实的特征，这时就可用构造特征命令来克服此困难，三坐标测量机不仅是方便的，而且高效准确。我们能快速的知道零件的尺寸，以及几何误差的大小，能够在短时间判断出零件是否满足精度要求，缩短了工业中零件检测的时间，提高了产品质量，增强了市场竞争力，现代三坐标测量机应用范围最广泛，制造业，机床、电子业等方面都发挥了极大地作用，是现代产品检测最先进的仪器，其快速高效的优点提高了国际竞争力。4逆向工程技术4.1引言逆向工程也称逆向制造，是在没有设计图纸以及没有CAD的情况下对现有零件实体进行迅速、有效的仿制。传统的产品制造过程主要是“设计加工检测”，其中检测是整个制造过程的最后一步，就如上述三坐标测量机测量零件一样。而逆向工程是在已知零件实体的情况下，通过特定设备对其进行扫描，获取零件表面离散点，在经过多次拼合，呈现出大概完整的三维点云，再倒入CATIA中，对其进行修补，得到近乎完整的三维实体图，最后进行加工。逆向工程技术大大缩短了产品开发周期，从根本上改善了传统的产品制造模式，以反求的方式实现了以实体模型为出发点，通过对零件原形的测量，生成设计图纸和三维模型，进而加工零件。逆向工程技术近年来发展非常迅速，它是消化,吸收和提高先进技术的一系列分析方法及应用技术的组合，它的出现改善了技术水平，提高了生产率进而提高了经济效益，增强了在国际上的地位。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给世界带来了很大的影响。本研究还是以上述注塑件为例，对其进行三维模型重建。首先，将零件固定在光线尽可能好的位置，寻求尽可能将零件实体全部扫描到且越接近完整越好，然后用三维激光扫描仪对零件进行多视角的扫描，以获取多个不同角度不完整的图像，接下来就是对这些三维图像进行处理，全部拼合完最后得到的三维图像仍就是不完整的，存在漏洞，最后将拼合后的点云文件导入到CATIA中，进行漏洞修补，得到近似完整的三维图。4.2三维激光扫描仪的简介随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描，为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。激光扫描仪的基本结构包含有激光光源及扫描器、受光感测器、控制单元等部分。三维扫描仪按照信息获取方式的不同可分为接触式和非接触式两大类。本研究是非接触式的。非接触式主要基于计算机视觉原理,从摄像机拍摄的图像中获取目标的三维信息。三维激光扫描仪的优势：三维测量：已经逐渐的代替二维，三维激光扫描仪每次获取的测量的数据既包含X,Y,Z点的信息，也包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是传统测量手段无法做到的。快速扫描:三维激光扫描仪的诞生改变了在传统测量手段里测量每一个点耗时长的缺点，满足了测量的需求，符合快速发展的时代。采用三维激光扫描技术可大大缩短产品设计和生产周期，提高产品质量，降低成本。从飞机、汽车、轮船到大型钢结构。三维激光扫描仪在工业中的应用：一、工业逆向建模

通过三维激光扫描仪可以快速完成机械零件的仿制和结构研究。通过高精度扫描获取完整准确的外形数据，经过处理直接生成三维模型，可快速完成模具设计或机械加工方案，实现复制。对已有零部件的扫描，也可以精确获取曲面、特征，用于汽车、轮船、飞机等复杂形状和结构的研究。二、零部件外形检测

铸造或机加工的零件，以及装配完成好的部件，可以通过三维激光扫描仪进行完整的外形检测，可以关心到每一处细节，进行详细的误差统计，全面判断加工或装配的质量，并可以据此调整加工或装配工艺。三、装配和搭接控制

对预装配部件进行扫锚，可实现计算机中的虚拟装配，进行装配部件的尺寸调整及验证。通过对装配前的基础进行扫描，可基于真实三维空间进行虚拟搭接设计，保证设计质量，缩短工期，降低成本。4.3CATIA的简介CATIA在世界行业领域中处于主导地位。无论V4和V5，CATIA在曲面造型方面相对来说比较精准。其中，创成式曲面设计（GenerativeShapeDesign，GSD）模块帮助设计者在线架、多种曲面特征的基础上进行强大、多功能的曲面造型设计，V5中的数字化曲面编辑（DigitizedShapeEditor，DSE）和快速曲面重构（QuickSurfaceReconstruction，QSR）模块是逆向工程的专用模块，可以提供多种格式的点云输入和输出数据，除了具有对点云数据进行处理的功能外，还提供了强大的曲面、曲线直接拟合功能。另外，CATIA对于曲面与测量的点的偏差大于0.1mm的CLASSA曲面完全可以胜任，因此，通过CATIA软件进行曲面重构可以满足医学建模的精度要求，并可在处理效率上提供改进的新思路。模块化的CATIA系列产品提供产品的风格和机械设计、外型设计、管理数字样机、设备与系统工程、分析和模拟、机械加工。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA系列产品在八大领域里提供3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造。本研究中使用的CATIA版本为V5R20。作为世界领先的CAD/CAM软件，CATIA在过去的二十多年中一直保持着骄人的业绩，并继续保持其强劲的发展趋势。CATIA在汽车、航空航天领域的统治地位不断增强。同时,CATIA也大量地进入了其他如机车、摩托车、家电、通用机械等行业。国际上一些著名的公司如波音、空中客车等制造公司，奔驰、奥迪等汽车制造公司都将CATIA作为他们的主流软件。国内十几家大的飞机制造厂和飞机研究所选用了CATIA，上海大众集团、一汽集团、二汽集团等十多家汽车制造公司都选用CATIA作为创新的开发平台。在以往的研究中，大部分是采用先将每层CT图像转化为线条图，再按照CT的扫描层厚将每层以线条连接起来，其光滑程度受到层厚的限制。尤其牙齿根部分叉区是由多个复杂曲面间的光滑连接构成，其结构难以用简单的线来进行表现和描述，造成连接区域失真。本研究采用的方式为点云输出，即将初步建立的模型外表面以关键点的方式输出为密集的点云。然后使用CATIA对点云按照选定的精度进行拟合为多条曲线定义的曲面。CATIA的主要功能模块（介绍本文使用的模块）：DigitizedShapeEditor，简称DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。除了一些必备的工作条之外，还包含了9个工具按钮，包括云处理对象显示设置，编辑云对象，导入云对象，操作云对象，创建初始云对象，排列云对象，云对象生成网格，创建曲线，创建scan对象。QuickSurfaceReconstruction，快速曲面重构，根据输入的点云数据或者mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。其中包括创建轮廓，云对象分段。4.4注塑件三维模型重建的步骤随着计算机软硬件和图像处理设备精度的提高，使图像原始数据保存更加完整，细化了扫描时的参数，提高了图像处理技术和方法。因此，三维重建技术应用更加广泛。对三维激光扫描仪系统进行了理论研究和技术实现,重点研究了三维信息获取和逆向工程中的几个关键技术:系统定标、数据修补、点云压缩、三维重建、网格简化等。其建模流程大致如下图4.4所示。获取注塑件点云获取注塑件点云曲面三维重建点云处理三维实体原型加工图4.4建模流程图4.4.1获取注塑件点云三维激光扫描仪的原理：三维激光扫描仪是对零件实体的整体或局部进行完整的三维坐标数据测量,这就意味着激光测量单元必须进行从左到右,从上到下的全自动高精度扫描测量,进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据。因此零件在工作台的摆放位置至关重要，尽可能保证零件的几何特征被激光扫描完全，获得清晰完整的三维图像。由于该注塑零件较复杂，每次扫描出的图像非常不完整，且很多面都扫不到，甚至扫描出的三维图像在零件的相同位置找不到同一点，因此必须对零件进行多角度的测量，且每次旋转角度要尽可能小。因此在扫描过程中一定要注意转换视角来进行观察。将扫描得到的零件数据是离散的点，需要在电脑软件中进行处理，有的图像旁边会有多出来的无用的部分需要删除，但更多的是有很多漏洞不完整的面，需要将有咬合的地方进行拼合，获得最后的零件的三维图像。下图就是对此拼合后的零件三维图像。图4.4.1注塑件点云由上图可以看出，通过拼合过的零件三维图仍旧有很多漏洞以及尖角，不能满足我们的要求，这些问题要由CATIA来解决，因此将该点云文件导入到CATIA中，进行建模。4.4.2CATIA曲面三维重建首先进行网格面修补，选中需要修补的网格面，系统将自动寻找网格面的缺口，根据孔洞周围环境并结合指定的曲率进行拟合修补，控制其表面光顺度。补洞的过程尽量多补几次，以减少空洞。如图4.4.2（一）所示。图4.4.2（一）漏洞修补修补工作完成后，如图4.4.2所示，修补前后的曲面对比还是很明显的，再利用点云过滤将过于密集导致扭曲或是清除不干净的部分噪点移除一定的比例，控制有效点的数量，确保曲面的顺利拟合。图4.4.2（二）漏洞修补前后对比在补洞完成后可以通过CATIA的MeshSmoothing命令对已经补好洞的曲面进行光滑处理，得到的曲面光滑程度以及拟合程度更高，但是此树不要过多，否则将导致处理的表面失真。填补完之后，其实是一个三维的视图，并不是真正意义上的一个曲面，所以进行的三维建模是曲面上的一个建模，必须生成一个曲面模型