实验项目名称
基三维光学测量产品逆设计创新实验
实验学时
16
指导教师
张树生 白晓亮
实验点
2M#1楼测量室
实验象
科3～4年级学生
选数
10～15
基三维光学测量产品逆设计创新实验
实验教学纲
课程基信息（楷体三号加黑居中）
1课程名称：基三维光学测量产品逆设计创新实验
2学时学分：16
3开课院（系）：机电学院航空宇航制造工程系
4先修课程：机械设计机械原理计算机图形学
5面象： 科3~4年级
6教材教学参考书：
Reversing：逆工程揭密（美）艾拉姆著 韩琪等译电子工业出版社2007年09月
3D逆工程技术许智钦 孙长库 许智钦中国计量出版社2002年01月
二课程性质务
机械类课程机器测绘教学环节中传统测量手段游标卡尺螺旋测微仪直尺圆规等存测量效率低观意性测量误差等弊端着科技进步现代测量技术发展基激光结构光三维光学测量技术系统已逐渐成熟具数字化测量方便快速精度高等特点非常适形态结构复杂产品便CADCAM系统实现缝集成正逐步代传统测量方式特汽车航空航天船舶等国家国防支柱制造产业作更加明显力支持产品逆设计创新设计
课程基三维光学测量逆设计技术引入创新设计实验助学生解相关学科研究前拓展知识面提高学兴趣具重教学意义光学测量技术已逐步企业中应课程助学生学更先进技术手段更企业生产服务创新源已产品技术理解鉴已产品设计基础进行逆设计创新设计技术员更关注身创意更加益激发学生创新兴趣
三教学容
教学学时：6学时
目
介绍三维光学测量原理测量设备系统体系结构学测量设备完成课程实验学生基掌握ATOS II校准ATOS II扫描测量TRITOP参数校准TRITOP相测量ATOS IITRITOP综合测量续测量数预处理典型零件测量数拟合重建零件制造误差综合检测三维实物测量基础创新设计综合实验奠定基础
容：三维光学测量原理方法
1 基掌握ATOS II校准
2 ATOS II扫描测量
3 TRITOP参数校准TRITOP相测量
4 ATOS IITRITOP综合测量
四实验容
1：测量数预处理原理方法（2学时）
目：介绍测量数预处理流程基原理方法学掌握测量数预处理方法：网格化孔洞修补网格简化网格光解STEPIGESSTL等基数存储格式优缺点
容：解数预处理流程常算法学掌握ATOS带软件数预处理操作通该程完整逼测量实物网格模型
2：典型零件测量数拟合重建（2学时）
目：通实验学生解区域分割曲面拟合基原理产品样件测量CAD模型重建原理方法学生解产品样件测量CAD模型重建原理方法
容：选取包含类型面（常规机加面曲面等）典型实物样件利ATOS完成类型面光学测量通区域分割参数化二逼等步骤完成重构重构出型面导入CAD系统进行处理
3：零件制造误差综合检测（2学时）
目：通实验学生熟悉典型零件测量数CAD设计模型配准原理程独立完成误差分析生成零件检测报告学生解零件制造误差检测基程
容：测量数CAD模型配准测量数CAD模型误差分析
4：三维实物测量基础创新设计快速成型制造（4学时）
目：通实验熟悉掌握含曲面样件测量三维模型重构曲面导入UG IICATIA等CAD软件进行零件设计利快速成型设备完成零件制造培养学生综合利学知识创新设计种包含测量数曲面机械零件力增强学生动手力工程意识
容：含曲面样件测量三维模型重构曲面创新设计重构曲面通换添加等方式重新设计包含曲面零件模型设计包含曲面零件模型快速成型设备进行制造
五
实验需分组进行原组超5
撰写：张树生 白晓亮
时 间：20091024
基三维光学测量产品逆设计
创新实验
实 验 指 导 书
张树生 白晓亮 编 写
适专业：航空宇航制造工程
机械工程动化
西北工业学 机电学院
2009 年 4 月
前 言
机械类课程机器测绘教学环节中传统测量手段游标卡尺螺旋测微仪直尺圆规等存测量效率低观意性测量误差等弊端着科技进步现代测量技术发展基激光结构光三维光学测量技术系统已逐渐成熟具数字化测量方便快速精度高等特点非常适形态结构复杂产品便CADCAM系统实现缝集成正逐步代传统测量方式特汽车航空航天船舶等国家国防支柱制造产业作更加明显力支持产品逆设计创新设计
课程基三维光学测量逆设计技术引入创新设计实验助学生解相关学科研究前拓展知识面提高学兴趣具重教学意义光学测量技术已逐步企业中应课程助学生学更先进技术手段更企业生产服务创新源已产品技术理解鉴已产品设计基础进行逆设计创新设计技术员更关注身创意更加益激发学生创新兴趣
实验 1 ：三维光学测量原理方法
实验学时：6学时
实验类型：综合实验
实验求：必修
实验目
介绍三维光学测量原理测量设备系统体系结构学测量设备完成课程实验学生基掌握ATOS II校准ATOS II扫描测量TRITOP参数校准TRITOP相测量ATOS IITRITOP综合测量续测量数预处理典型零件测量数拟合重建零件制造误差综合检测三维实物测量基础创新设计综合实验奠定基础
二实验容
1 基掌握ATOS II校准
2 ATOS II扫描测量
3 TRITOP参数校准TRITOP相测量
4 ATOS IITRITOP综合测量
三实验原理方法手段
1 ATOS流动3D光学测量仪简介
德国GOM公司独家研制ATOS流动式光学扫描仪目前市场先进非接触式三坐标扫描设备该设备采见光特定光栅条纹投影测量工件表面助两高分辨率CCD数码相机光栅干涉条纹进行拍利光学拍定位技术光栅测量原理极短时间获复杂工件表面完整点云独特流动式设计视角点云动拼合技术扫描需助机床驱动扫描范围达12m扫描型工件变高效轻松容易高质量完美扫描点云产品开发逆工程快速成型质量控制甚实现直接加工
ATOS扫描仪技术特点总结点：高质量扫描点云ATOS采高分辨率CCD数码相机采集数短时间获复杂表面密集点云（点距003～05mm）根表面曲率变化生成完美网格面便期曲面重建直接加工清晰获细特征方便提取工件表面特征（圆孔方孔边界线黑胶带线等）测量综合精度01mmm结构简单便携带整测量系统扫描头三角架控制器电脑组成放置两手提箱处携带设备安装标定工作10min完成需预热扫描环境进行测量n 测量效率高单幅扫描时间需8s两天时间完成整车外表面扫描测量范围时实现种测量范围单幅测量范围50´40mm2000´2000 mm测量工件10mm12m方便性稳定系统软件硬件均采模块化设计性稳定设备操作简单两天培训熟练操作软件提供完善线帮助批处理功适生产线检测
首创参考点拼合技术视角测量数粘贴工件表面公三参考点动拼合统坐标系获完整扫描数根工件尺寸选择直径参考点（1mm~8mm）参考点覆盖工件表面留空洞软件根周围点云曲率变化进行插补先进数码相机定位技术复杂型工件采数码相机拍整定位计算迅速测量出全部参考点空间三坐标值建立统参考点坐标框架利ATOS扫描头进行测量获完整扫描点云通种方式消积累误差提高型工件扫描精度ATOS扫描仪广泛应汽车摩托车模具电子产品玩具等行业
图11 ATOS II 流动式光学扫描仪
2 测量原理
采种结合结构光技术相位测量技术计算机视觉技术复合三维非接触式测量技术称三维结构光扫描仪采种测量技术物体进行相测量成谓相测量类似相机视野物体进行相相机摄取物体二维图三维光学扫描仪获物体三维信息传统三维扫描仪该扫描仪时测量面测量时光栅投影装置投影数幅特定编码结构光测物体成定夹角两摄头步采相应图然图进行解码相位计算利匹配技术三角形测量原理解算出两摄机公视区素点三维坐标
三维相测量仪意搬工件位置做现场测量调节成意角度作全方位测量型工件分块测量测量数实时动拼合非常适合种形状物体(汽车摩托车外壳饰家电雕塑等)测量
结构光非接触相测量原理图示：
图12 结构光扫描测量原理
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行2学时测量原理理学然学生分成干组进行训练实验训练4学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 讲述设备情况光学测量原理相测量原理
2 ATOS II校准实验
3 ATOS II扫描测量实验
4 TRITOP参数校准TRITOP相测量实验
5 ATOS IITRITOP综合测量实验
七思考题
1 利ATOS IITRITOP实现超物体外形精确测量？
2 测量程中数码点位置否移动？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 2 ：测量数预处理原理方法
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：选修
实验目
介绍测量数预处理流程基原理方法学掌握测量数预处理方法：网格化孔洞修补网格简化网格光解STEPIGESSTL等基数存储格式优缺点
二实验容
解数预处理流程常算法学掌握ATOS带软件数预处理操作通该程完整逼测量实物网格模型
三实验原理方法手段
1 网格化：
测量散乱点直线段连接起形成互相重叠间隙三角网格网格化目形成连接测量点拓扑结构够表示点邻接关系模型正确全局拓扑中Delaunay三角剖分十年研究发展成三角剖分技术中应广泛技术Delaunay三角化方法三类：1)换边法首先构造非优化初始三角形然2边三角形形成凸四边形迭代换边优化2)加点法三角形开始次加入点保证步三角形局部优化3)分治法数域递分干子块然块实现局部优化三角形进行合谓局部优化三角形指生成三角形接正三角形图21a21b分测量点集三角化
图21a测量点集 图21b网格化
2 孔洞修补：
受物体身结构特点测量程完美光学测量设备视角限制形成测量盲区等素影响通常难直接完整物体表面数缺失数形成续三角网格模型中孔洞
孔洞修补利孔洞周围点信息插值逼出孔洞处顶点三角化求修复孔洞区域周围区域光滑连接图12显示孔洞修补程
图12(a)孔洞 12(b)修复
3 网格光：
扰动环境影响者测量设备身固缺陷测量获三角网格模型中避免带噪声提高模型质量相关续处理前必须进行光光目标剔噪声重建光滑曲面时保持网格模型特征尖锐边角体积等网格光方法中拉普拉斯光方法种常见简单种光算法基原理模型顶点应拉普拉斯算子拉普拉斯算子：
图23a光前 图23b光
设顶点三维模型进行磨光程做成扩散程通时间轴积分曲面细起伏噪声量快扩散邻域中整曲面变光滑图22a22b分光前模型
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 选中测量获散乱点集选择网格化命令完成点集网格化
2 根网格化模型选择动修复孔洞交互修复孔洞命令完成模型修复
3 选中整模型选择网格光命令光模型
4 终模型根需STEPIGESSTL等基数存储格式导出
七思考题
1 测量孔洞类型？
2 种类型复杂孔洞动修补？
3 修补孔洞应该什步骤修补？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 3 ：典型零件测量数拟合重建
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：必修
实验目
通实验学生解区域分割曲面拟合基原理产品样件测量CAD模型重建原理方法学生解产品样件测量CAD模型重建原理方法
二实验容
选取包含类型面（常规机加面曲面等）典型实物样件利ATOS完成类型面光学测量通区域分割参数化二逼等步骤完成重构重构出型面导入CAD系统进行处理
三实验原理方法手段
１ 区域分割
目测量模型划分成子集子集仅包含采样光曲面点代表面元面元面二次曲面等基曲面曲面分割基聚类思想基边基面两种基方法基边方法首先提取面面间特征线然根特征线分割面元基边方法优点非常方便根点线面连接关系确定模型拓扑结构种基边区域分割方法区特征线提取规已特征线提取规基面方法假设具相似属性点属面元(例：法失相点属面)通相似属性点聚合起完成区域分割基面方法包括底(buttomup)顶(top down)两种基方式底方法首先种子区域开始然某种区域生长规添加更点点集中直规法满足止顶方法假定点属面元然测试点效性属该面元点点集中直点集中点均属该面元图11a11b分原始模型分割区域颜色显示
图31a原始模型 图31b分割区域颜色显示
２ 曲面拟合
曲面拟合简单描述定限点集相关误差寻找参数曲面该曲面点集中点误差满足公式中某种量范数表示曲面距离点采二逼曲面拟合常方法作化问题曲面拟合程首先根边界构造张初始曲面然点投影该初始曲面接着根投影位置算出参数分布（解决散乱数参数分配问题）根点参数分配拟合出张新曲面点参数进行优化拟合曲面距离定点误差图31a区域分割获三角网格片图21b参数化图31c拟合结果
图32a原始网格 图32b参数化图 图32c曲面拟合
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 测量获单张曲面网格模型
2 网格模型参数化
3 网格模型曲面拟合
4 导出拟合曲面导入CAD系统中进行创新设计
七思考题
1 果拟合曲面精度没达求应该处理？
2 称曲面拟合程中保证期称性？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 4 ：零件制造误差综合检测
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：选修
实验目
通实验学生熟悉典型零件测量数CAD设计模型配准原理程独立完成误差分析生成零件检测报告学生解零件制造误差检测基程
二实验容
测量数CAD模型配准测量数CAD模型误差分析
三实验原理方法手段
零件测量程中设备坐标系空间分辨率装夹角度定位精度等综合误差素重构出模型CAD模型间避免会存空间位置角度差异样利测量设备测量典型零件表面时环境等素影响典型零件测量点集CAD模型间必然会存位置差异测量坐标系设计坐标系间存偏差偏差必然会影响续模型设计模型评估必须首先通配准测量数点集CAD模型匹配起实际测量点接理点进行误差分析检测等工作
1 测量数CAD模型配准技术
图41 配准流程
模型配准作取时间传感器者视角场景两数集合准程测量数CAD模型通常坐标系中模型配准程实际寻求测量数CAD模型间映射程测量数模型CAD模型中相应空间位置数点联系起配准流程图41示
配准般包括两步骤首先提取出原始数模型特征信息组成特征空间然根提取特征空间搜索系列空间变换集直满足相似性测度条件获优空间变换原始数模型通优空间变换新数模型实现配准
配准程通常分两阶段粗配准精配准初配准精配准提供初始位姿估计ATOS软件首先测量数设计CAD模型中选取三标记点然通三标记点齐实现模型粗配准然运成熟配准算法实现模型精配准
航空发动机涡轮叶片模型例图42(a)中左边模型CAD模型右边模型配准模型通配准配准模型移动CAD模型位置配准模型数点移动CAD模型相应位置（参见图42(b)）
初始配准
(a) 初始配准前模型位置
(b) 初始配准模型位置
配准前数点
配准数点
图 42 模型配准示意图
2 测量数CAD模型误差分析
配准完成进行误差分析评估必少通误差分析评估够进步验证配准算法效性更表现配准算法精度
零件进行测量测量数进步重构模型重构模型CAD模型进行配准获取模型间匹配偏差信息便进行分析评估匹配偏差模型配准模型CAD模型间偏差基础建立起思想样应逆工程中制造精度分析重构精度分析仿制精度分析误差分析功图图43示
偏差体视化
匹配
原始数模型
配准数模型
CAD模型
计算偏差
匹配偏差模型
图43 偏差体视化功图
ATOS软件测量数模型工件设计三维CAD模型进行整体便工件处误差简明显示出三维彩图显示数表格等形式输出效果图图44示
图44匹配偏差模型体视化
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 模型读入：首先样件设计CAD模型CAD软件里导出STL文件然STL文件导入ATOS软件中测量数模型处坐标系
2 测量数CAD模型配准：CAD模型基准测量数粗配准精配准齐基准模型两模型处空间相位置达匹配目
3 误差分析：配准模型进行误差分析获匹配偏差模型工件处误差会简明显示出三维彩图显示数表格等形式输出生成零件检测报告完成零件制造误差检测基程
七思考题
1 表示三维模型误差方法？
2 三维环境模型公差粗糙度标注方式？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 5 ：三维实物测量基础创新设计快速成型制造
实验学时：4学时
实验类型：设计实验
实验求：必修
实验目
通实验熟悉掌握含曲面样件测量三维模型重构曲面导入UG IICATIA等CAD软件进行零件设计利快速成型设备完成零件制造培养学生综合利学知识创新设计种包含测量数曲面机械零件力增强学生动手力工程意识
二实验容
含曲面样件测量三维模型重构曲面创新设计重构曲面通换添加等方式重新设计包含曲面零件模型设计包含曲面零件模型快速成型设备进行制造
三实验原理方法手段
1 曲面样件测量三维模型重构
具体实验原理方法手段实验三里已详细说明处细说图51示重构手机外壳曲面模型
图51 手机外壳曲面模型
2 零件创新设计
机械创新设计指充分发挥设计者创造力利类已相关科学技术成果（包括理方法技术原理等）进行创新构思设计出新颖性创造性实性机构机械铲种实践性活动建立现机械设计理基础吸收科技哲学认识科学思维科学设计方法学发明学创造学等相关学科益成分交叉成种新设计技术方法
实验中含曲面机械零件提取出曲面然曲面导入CAD软件中图51示曲面模型导入CATIA软件中
零件创新设计采取方案：
提取CAD模型中曲面曲面进行缝补整合成完整零件模型图52示利图52曲面进行添加形成手机模型
图52 重构手机模型
3 零件快速成型制造
快速成型制造技术指计算机理控制根零件CAD模型采材料精确堆积（点堆积成面面堆积成三维实体）方法制造原型零件技术种基离散堆积成形原理新型制造方法离散堆积制造流程图53示
图53 离散堆积制造流程图
基原理成形程：首先设计出需零件三维模型然根工艺求定规律模型离散系列序单元原三维电子模型转变二维面信息分层数进行定处理加入加工参数生成数控代码计算机控制数控系统面加工方式序连续加工出薄层层片动粘接成形复杂三维成形问题变成系列简单面成形问题降低加工难度成行程难度成形物理实体形状结构复杂度关
实验环节SL(Stereolithography)工艺称光固化（见图54）完成零件快速制造SL工艺早出现种RP工艺采激光点点射光固化液态树脂固化方法成形前应广种高精度成形工艺液槽中盛满液态光固化树脂定剂量紫外激光射会定区域固化成型开始时工作台液面聚焦激光光点液面计算机指令逐点扫描层逐点固化层扫描完成射方固化未射方然液态树脂然升降架带动台降层高度面布满层树脂便进行第二层扫描新固化层牢固粘前层重复知道整零件制造完毕
图54 SL示意图
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 利测量设备含曲面样件进行测量
2 利点云数重构样件曲面模型
3 导出曲面模型STEPIGESSTL 数文件
4 曲面数文件导入CATIA零件设计曲面设计模块中
5 曲面进行拼接整合设计出含曲面新CAD模型
6 导出CAD模型STL文件
7 CAD模型STL文件导入快速原型系统中进行快速原型制造
七思考题
1 快速原型制造应领域？
2 航空制造程中快速原型制造途？
八实验报告
具体格式见附件2
附录1：综合性实验报告格式：
综合性实验项目名称（黑体四号全文15倍行距）
实验容（级标题：黑体四号）
正文部分（宋体四号）
部分需描述：实验项目包含相关知识点联系实验原理（包括实验电路图实验系统框图实验流程图等）格式求：
（）二级标题（黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）二级标题
（三）．．．
二实验目求
正文部分
三 实验仪器设备
正文部分
四 实验实施步骤
（）实验调试步骤（二级标题：黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）实验原始数记录
（三）实验调试程中存问题解决问题思路办法
五实验总结
附录2：设计性实验报告格式：
设计性实验项目名称（黑体四号全文15倍行距）
实验容（级标题：黑体四号）
正文部分（宋体四号）
二实验目求
正文部分
三实验仪器设备
正文部分
四 实验方案设计
包括原理描述（包括电路图系统框图流程图等）实验程设计实验观测点观测指标结果假设等格式求：
（）二级标题（黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）二级标题
（三）．．．
五 实验方案实施
包括：实验调试步骤实验原始数记录实验调试程中存问题解决问题思路办法格式求：
（）二级标题
1三级标题
正文部分
2三级标题
3 ．．．
（二）二级标题
（三）．．．
六实验总结
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基三维光学测量产品逆设计创新实验
实验学时
16
指导教师
张树生 白晓亮
实验点
2M#1楼测量室
实验象
科3～4年级学生
选数
10～15
基三维光学测量产品逆设计创新实验
实验教学纲
课程基信息（楷体三号加黑居中）
1课程名称：基三维光学测量产品逆设计创新实验
2学时学分：16
3开课院（系）：机电学院航空宇航制造工程系
4先修课程：机械设计机械原理计算机图形学
5面象： 科3~4年级
6教材教学参考书：
Reversing：逆工程揭密（美）艾拉姆著 韩琪等译电子工业出版社2007年09月
3D逆工程技术许智钦 孙长库 许智钦中国计量出版社2002年01月
二课程性质务
机械类课程机器测绘教学环节中传统测量手段游标卡尺螺旋测微仪直尺圆规等存测量效率低观意性测量误差等弊端着科技进步现代测量技术发展基激光结构光三维光学测量技术系统已逐渐成熟具数字化测量方便快速精度高等特点非常适形态结构复杂产品便CADCAM系统实现缝集成正逐步代传统测量方式特汽车航空航天船舶等国家国防支柱制造产业作更加明显力支持产品逆设计创新设计
课程基三维光学测量逆设计技术引入创新设计实验助学生解相关学科研究前拓展知识面提高学兴趣具重教学意义光学测量技术已逐步企业中应课程助学生学更先进技术手段更企业生产服务创新源已产品技术理解鉴已产品设计基础进行逆设计创新设计技术员更关注身创意更加益激发学生创新兴趣
三教学容
教学学时：6学时
目
介绍三维光学测量原理测量设备系统体系结构学测量设备完成课程实验学生基掌握ATOS II校准ATOS II扫描测量TRITOP参数校准TRITOP相测量ATOS IITRITOP综合测量续测量数预处理典型零件测量数拟合重建零件制造误差综合检测三维实物测量基础创新设计综合实验奠定基础
容：三维光学测量原理方法
1 基掌握ATOS II校准
2 ATOS II扫描测量
3 TRITOP参数校准TRITOP相测量
4 ATOS IITRITOP综合测量
四实验容
1：测量数预处理原理方法（2学时）
目：介绍测量数预处理流程基原理方法学掌握测量数预处理方法：网格化孔洞修补网格简化网格光解STEPIGESSTL等基数存储格式优缺点
容：解数预处理流程常算法学掌握ATOS带软件数预处理操作通该程完整逼测量实物网格模型
2：典型零件测量数拟合重建（2学时）
目：通实验学生解区域分割曲面拟合基原理产品样件测量CAD模型重建原理方法学生解产品样件测量CAD模型重建原理方法
容：选取包含类型面（常规机加面曲面等）典型实物样件利ATOS完成类型面光学测量通区域分割参数化二逼等步骤完成重构重构出型面导入CAD系统进行处理
3：零件制造误差综合检测（2学时）
目：通实验学生熟悉典型零件测量数CAD设计模型配准原理程独立完成误差分析生成零件检测报告学生解零件制造误差检测基程
容：测量数CAD模型配准测量数CAD模型误差分析
4：三维实物测量基础创新设计快速成型制造（4学时）
目：通实验熟悉掌握含曲面样件测量三维模型重构曲面导入UG IICATIA等CAD软件进行零件设计利快速成型设备完成零件制造培养学生综合利学知识创新设计种包含测量数曲面机械零件力增强学生动手力工程意识
容：含曲面样件测量三维模型重构曲面创新设计重构曲面通换添加等方式重新设计包含曲面零件模型设计包含曲面零件模型快速成型设备进行制造
五
实验需分组进行原组超5
撰写：张树生 白晓亮
时 间：20091024
基三维光学测量产品逆设计
创新实验
实 验 指 导 书
张树生 白晓亮 编 写
适专业：航空宇航制造工程
机械工程动化
西北工业学 机电学院
2009 年 4 月
前 言
机械类课程机器测绘教学环节中传统测量手段游标卡尺螺旋测微仪直尺圆规等存测量效率低观意性测量误差等弊端着科技进步现代测量技术发展基激光结构光三维光学测量技术系统已逐渐成熟具数字化测量方便快速精度高等特点非常适形态结构复杂产品便CADCAM系统实现缝集成正逐步代传统测量方式特汽车航空航天船舶等国家国防支柱制造产业作更加明显力支持产品逆设计创新设计
课程基三维光学测量逆设计技术引入创新设计实验助学生解相关学科研究前拓展知识面提高学兴趣具重教学意义光学测量技术已逐步企业中应课程助学生学更先进技术手段更企业生产服务创新源已产品技术理解鉴已产品设计基础进行逆设计创新设计技术员更关注身创意更加益激发学生创新兴趣
实验 1 ：三维光学测量原理方法
实验学时：6学时
实验类型：综合实验
实验求：必修
实验目
介绍三维光学测量原理测量设备系统体系结构学测量设备完成课程实验学生基掌握ATOS II校准ATOS II扫描测量TRITOP参数校准TRITOP相测量ATOS IITRITOP综合测量续测量数预处理典型零件测量数拟合重建零件制造误差综合检测三维实物测量基础创新设计综合实验奠定基础
二实验容
1 基掌握ATOS II校准
2 ATOS II扫描测量
3 TRITOP参数校准TRITOP相测量
4 ATOS IITRITOP综合测量
三实验原理方法手段
1 ATOS流动3D光学测量仪简介
德国GOM公司独家研制ATOS流动式光学扫描仪目前市场先进非接触式三坐标扫描设备该设备采见光特定光栅条纹投影测量工件表面助两高分辨率CCD数码相机光栅干涉条纹进行拍利光学拍定位技术光栅测量原理极短时间获复杂工件表面完整点云独特流动式设计视角点云动拼合技术扫描需助机床驱动扫描范围达12m扫描型工件变高效轻松容易高质量完美扫描点云产品开发逆工程快速成型质量控制甚实现直接加工
ATOS扫描仪技术特点总结点：高质量扫描点云ATOS采高分辨率CCD数码相机采集数短时间获复杂表面密集点云（点距003～05mm）根表面曲率变化生成完美网格面便期曲面重建直接加工清晰获细特征方便提取工件表面特征（圆孔方孔边界线黑胶带线等）测量综合精度01mmm结构简单便携带整测量系统扫描头三角架控制器电脑组成放置两手提箱处携带设备安装标定工作10min完成需预热扫描环境进行测量n 测量效率高单幅扫描时间需8s两天时间完成整车外表面扫描测量范围时实现种测量范围单幅测量范围50´40mm2000´2000 mm测量工件10mm12m方便性稳定系统软件硬件均采模块化设计性稳定设备操作简单两天培训熟练操作软件提供完善线帮助批处理功适生产线检测
首创参考点拼合技术视角测量数粘贴工件表面公三参考点动拼合统坐标系获完整扫描数根工件尺寸选择直径参考点（1mm~8mm）参考点覆盖工件表面留空洞软件根周围点云曲率变化进行插补先进数码相机定位技术复杂型工件采数码相机拍整定位计算迅速测量出全部参考点空间三坐标值建立统参考点坐标框架利ATOS扫描头进行测量获完整扫描点云通种方式消积累误差提高型工件扫描精度ATOS扫描仪广泛应汽车摩托车模具电子产品玩具等行业
图11 ATOS II 流动式光学扫描仪
2 测量原理
采种结合结构光技术相位测量技术计算机视觉技术复合三维非接触式测量技术称三维结构光扫描仪采种测量技术物体进行相测量成谓相测量类似相机视野物体进行相相机摄取物体二维图三维光学扫描仪获物体三维信息传统三维扫描仪该扫描仪时测量面测量时光栅投影装置投影数幅特定编码结构光测物体成定夹角两摄头步采相应图然图进行解码相位计算利匹配技术三角形测量原理解算出两摄机公视区素点三维坐标
三维相测量仪意搬工件位置做现场测量调节成意角度作全方位测量型工件分块测量测量数实时动拼合非常适合种形状物体(汽车摩托车外壳饰家电雕塑等)测量
结构光非接触相测量原理图示：
图12 结构光扫描测量原理
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行2学时测量原理理学然学生分成干组进行训练实验训练4学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 讲述设备情况光学测量原理相测量原理
2 ATOS II校准实验
3 ATOS II扫描测量实验
4 TRITOP参数校准TRITOP相测量实验
5 ATOS IITRITOP综合测量实验
七思考题
1 利ATOS IITRITOP实现超物体外形精确测量？
2 测量程中数码点位置否移动？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 2 ：测量数预处理原理方法
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：选修
实验目
介绍测量数预处理流程基原理方法学掌握测量数预处理方法：网格化孔洞修补网格简化网格光解STEPIGESSTL等基数存储格式优缺点
二实验容
解数预处理流程常算法学掌握ATOS带软件数预处理操作通该程完整逼测量实物网格模型
三实验原理方法手段
1 网格化：
测量散乱点直线段连接起形成互相重叠间隙三角网格网格化目形成连接测量点拓扑结构够表示点邻接关系模型正确全局拓扑中Delaunay三角剖分十年研究发展成三角剖分技术中应广泛技术Delaunay三角化方法三类：1)换边法首先构造非优化初始三角形然2边三角形形成凸四边形迭代换边优化2)加点法三角形开始次加入点保证步三角形局部优化3)分治法数域递分干子块然块实现局部优化三角形进行合谓局部优化三角形指生成三角形接正三角形图21a21b分测量点集三角化
图21a测量点集 图21b网格化
2 孔洞修补：
受物体身结构特点测量程完美光学测量设备视角限制形成测量盲区等素影响通常难直接完整物体表面数缺失数形成续三角网格模型中孔洞
孔洞修补利孔洞周围点信息插值逼出孔洞处顶点三角化求修复孔洞区域周围区域光滑连接图12显示孔洞修补程
图12(a)孔洞 12(b)修复
3 网格光：
扰动环境影响者测量设备身固缺陷测量获三角网格模型中避免带噪声提高模型质量相关续处理前必须进行光光目标剔噪声重建光滑曲面时保持网格模型特征尖锐边角体积等网格光方法中拉普拉斯光方法种常见简单种光算法基原理模型顶点应拉普拉斯算子拉普拉斯算子：
图23a光前 图23b光
设顶点三维模型进行磨光程做成扩散程通时间轴积分曲面细起伏噪声量快扩散邻域中整曲面变光滑图22a22b分光前模型
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 选中测量获散乱点集选择网格化命令完成点集网格化
2 根网格化模型选择动修复孔洞交互修复孔洞命令完成模型修复
3 选中整模型选择网格光命令光模型
4 终模型根需STEPIGESSTL等基数存储格式导出
七思考题
1 测量孔洞类型？
2 种类型复杂孔洞动修补？
3 修补孔洞应该什步骤修补？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 3 ：典型零件测量数拟合重建
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：必修
实验目
通实验学生解区域分割曲面拟合基原理产品样件测量CAD模型重建原理方法学生解产品样件测量CAD模型重建原理方法
二实验容
选取包含类型面（常规机加面曲面等）典型实物样件利ATOS完成类型面光学测量通区域分割参数化二逼等步骤完成重构重构出型面导入CAD系统进行处理
三实验原理方法手段
１ 区域分割
目测量模型划分成子集子集仅包含采样光曲面点代表面元面元面二次曲面等基曲面曲面分割基聚类思想基边基面两种基方法基边方法首先提取面面间特征线然根特征线分割面元基边方法优点非常方便根点线面连接关系确定模型拓扑结构种基边区域分割方法区特征线提取规已特征线提取规基面方法假设具相似属性点属面元(例：法失相点属面)通相似属性点聚合起完成区域分割基面方法包括底(buttomup)顶(top down)两种基方式底方法首先种子区域开始然某种区域生长规添加更点点集中直规法满足止顶方法假定点属面元然测试点效性属该面元点点集中直点集中点均属该面元图11a11b分原始模型分割区域颜色显示
图31a原始模型 图31b分割区域颜色显示
２ 曲面拟合
曲面拟合简单描述定限点集相关误差寻找参数曲面该曲面点集中点误差满足公式中某种量范数表示曲面距离点采二逼曲面拟合常方法作化问题曲面拟合程首先根边界构造张初始曲面然点投影该初始曲面接着根投影位置算出参数分布（解决散乱数参数分配问题）根点参数分配拟合出张新曲面点参数进行优化拟合曲面距离定点误差图31a区域分割获三角网格片图21b参数化图31c拟合结果
图32a原始网格 图32b参数化图 图32c曲面拟合
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 测量获单张曲面网格模型
2 网格模型参数化
3 网格模型曲面拟合
4 导出拟合曲面导入CAD系统中进行创新设计
七思考题
1 果拟合曲面精度没达求应该处理？
2 称曲面拟合程中保证期称性？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 4 ：零件制造误差综合检测
实验学时：2学时
实验类型：综合实验
实验求：选修
实验目
通实验学生熟悉典型零件测量数CAD设计模型配准原理程独立完成误差分析生成零件检测报告学生解零件制造误差检测基程
二实验容
测量数CAD模型配准测量数CAD模型误差分析
三实验原理方法手段
零件测量程中设备坐标系空间分辨率装夹角度定位精度等综合误差素重构出模型CAD模型间避免会存空间位置角度差异样利测量设备测量典型零件表面时环境等素影响典型零件测量点集CAD模型间必然会存位置差异测量坐标系设计坐标系间存偏差偏差必然会影响续模型设计模型评估必须首先通配准测量数点集CAD模型匹配起实际测量点接理点进行误差分析检测等工作
1 测量数CAD模型配准技术
图41 配准流程
模型配准作取时间传感器者视角场景两数集合准程测量数CAD模型通常坐标系中模型配准程实际寻求测量数CAD模型间映射程测量数模型CAD模型中相应空间位置数点联系起配准流程图41示
配准般包括两步骤首先提取出原始数模型特征信息组成特征空间然根提取特征空间搜索系列空间变换集直满足相似性测度条件获优空间变换原始数模型通优空间变换新数模型实现配准
配准程通常分两阶段粗配准精配准初配准精配准提供初始位姿估计ATOS软件首先测量数设计CAD模型中选取三标记点然通三标记点齐实现模型粗配准然运成熟配准算法实现模型精配准
航空发动机涡轮叶片模型例图42(a)中左边模型CAD模型右边模型配准模型通配准配准模型移动CAD模型位置配准模型数点移动CAD模型相应位置（参见图42(b)）
初始配准
(a) 初始配准前模型位置
(b) 初始配准模型位置
配准前数点
配准数点
图 42 模型配准示意图
2 测量数CAD模型误差分析
配准完成进行误差分析评估必少通误差分析评估够进步验证配准算法效性更表现配准算法精度
零件进行测量测量数进步重构模型重构模型CAD模型进行配准获取模型间匹配偏差信息便进行分析评估匹配偏差模型配准模型CAD模型间偏差基础建立起思想样应逆工程中制造精度分析重构精度分析仿制精度分析误差分析功图图43示
偏差体视化
匹配
原始数模型
配准数模型
CAD模型
计算偏差
匹配偏差模型
图43 偏差体视化功图
ATOS软件测量数模型工件设计三维CAD模型进行整体便工件处误差简明显示出三维彩图显示数表格等形式输出效果图图44示
图44匹配偏差模型体视化
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 模型读入：首先样件设计CAD模型CAD软件里导出STL文件然STL文件导入ATOS软件中测量数模型处坐标系
2 测量数CAD模型配准：CAD模型基准测量数粗配准精配准齐基准模型两模型处空间相位置达匹配目
3 误差分析：配准模型进行误差分析获匹配偏差模型工件处误差会简明显示出三维彩图显示数表格等形式输出生成零件检测报告完成零件制造误差检测基程
七思考题
1 表示三维模型误差方法？
2 三维环境模型公差粗糙度标注方式？
八实验报告
具体格式求见附件1
实验 5 ：三维实物测量基础创新设计快速成型制造
实验学时：4学时
实验类型：设计实验
实验求：必修
实验目
通实验熟悉掌握含曲面样件测量三维模型重构曲面导入UG IICATIA等CAD软件进行零件设计利快速成型设备完成零件制造培养学生综合利学知识创新设计种包含测量数曲面机械零件力增强学生动手力工程意识
二实验容
含曲面样件测量三维模型重构曲面创新设计重构曲面通换添加等方式重新设计包含曲面零件模型设计包含曲面零件模型快速成型设备进行制造
三实验原理方法手段
1 曲面样件测量三维模型重构
具体实验原理方法手段实验三里已详细说明处细说图51示重构手机外壳曲面模型
图51 手机外壳曲面模型
2 零件创新设计
机械创新设计指充分发挥设计者创造力利类已相关科学技术成果（包括理方法技术原理等）进行创新构思设计出新颖性创造性实性机构机械铲种实践性活动建立现机械设计理基础吸收科技哲学认识科学思维科学设计方法学发明学创造学等相关学科益成分交叉成种新设计技术方法
实验中含曲面机械零件提取出曲面然曲面导入CAD软件中图51示曲面模型导入CATIA软件中
零件创新设计采取方案：
提取CAD模型中曲面曲面进行缝补整合成完整零件模型图52示利图52曲面进行添加形成手机模型
图52 重构手机模型
3 零件快速成型制造
快速成型制造技术指计算机理控制根零件CAD模型采材料精确堆积（点堆积成面面堆积成三维实体）方法制造原型零件技术种基离散堆积成形原理新型制造方法离散堆积制造流程图53示
图53 离散堆积制造流程图
基原理成形程：首先设计出需零件三维模型然根工艺求定规律模型离散系列序单元原三维电子模型转变二维面信息分层数进行定处理加入加工参数生成数控代码计算机控制数控系统面加工方式序连续加工出薄层层片动粘接成形复杂三维成形问题变成系列简单面成形问题降低加工难度成行程难度成形物理实体形状结构复杂度关
实验环节SL(Stereolithography)工艺称光固化（见图54）完成零件快速制造SL工艺早出现种RP工艺采激光点点射光固化液态树脂固化方法成形前应广种高精度成形工艺液槽中盛满液态光固化树脂定剂量紫外激光射会定区域固化成型开始时工作台液面聚焦激光光点液面计算机指令逐点扫描层逐点固化层扫描完成射方固化未射方然液态树脂然升降架带动台降层高度面布满层树脂便进行第二层扫描新固化层牢固粘前层重复知道整零件制造完毕
图54 SL示意图
四实验组织运行求
采集中授课学生训练相结合方式首先进行1学时测量原理理学然进行学生分成干组进行训练实验训练1学时
五实验条件
实验仪器：ATOS II流动式光学扫描仪TRITOP数码定位系统汽车模型
参考资料：ATOS II手册TRITOP手册
六实验步骤
1 利测量设备含曲面样件进行测量
2 利点云数重构样件曲面模型
3 导出曲面模型STEPIGESSTL 数文件
4 曲面数文件导入CATIA零件设计曲面设计模块中
5 曲面进行拼接整合设计出含曲面新CAD模型
6 导出CAD模型STL文件
7 CAD模型STL文件导入快速原型系统中进行快速原型制造
七思考题
1 快速原型制造应领域？
2 航空制造程中快速原型制造途？
八实验报告
具体格式见附件2
附录1：综合性实验报告格式：
综合性实验项目名称（黑体四号全文15倍行距）
实验容（级标题：黑体四号）
正文部分（宋体四号）
部分需描述：实验项目包含相关知识点联系实验原理（包括实验电路图实验系统框图实验流程图等）格式求：
（）二级标题（黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）二级标题
（三）．．．
二实验目求
正文部分
三 实验仪器设备
正文部分
四 实验实施步骤
（）实验调试步骤（二级标题：黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）实验原始数记录
（三）实验调试程中存问题解决问题思路办法
五实验总结
附录2：设计性实验报告格式：
设计性实验项目名称（黑体四号全文15倍行距）
实验容（级标题：黑体四号）
正文部分（宋体四号）
二实验目求
正文部分
三实验仪器设备
正文部分
四 实验方案设计
包括原理描述（包括电路图系统框图流程图等）实验程设计实验观测点观测指标结果假设等格式求：
（）二级标题（黑体四号）
1三级标题（黑体四号）
正文部分
2三级标题
3．．．
（二）二级标题
（三）．．．
五 实验方案实施
包括：实验调试步骤实验原始数记录实验调试程中存问题解决问题思路办法格式求：
（）二级标题
1三级标题
正文部分
2三级标题
3 ．．．
（二）二级标题
（三）．．．
六实验总结
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