單元1增材制造技術(shù)概述任務(wù)

一什么是增材制造？廣義增材制造：以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群。狹義增材制造：不同能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系。廣義與狹義定義一、增材制造技術(shù)定義1）制造原理、2）加工過(guò)程、3）材料利用效率、4）適用材料、5）制造精度和表面質(zhì)量、6）設(shè)計(jì)自由度、7）生產(chǎn)周期和成本、8）應(yīng)用領(lǐng)域增材制造和減材加工的主要不同之處：二、增材制造與減材制造1）設(shè)計(jì)自由度高2）節(jié)約資源3）生產(chǎn)周期短4）良好的力學(xué)性能5）易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造和分布式制造6）適合復(fù)雜零件修復(fù)三、增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)任務(wù)

二增材制造發(fā)展方向方向一：增材制造優(yōu)化設(shè)計(jì)提升設(shè)計(jì)效率促進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)1）節(jié)約材料、2）輕量化、3）吸收能量、4）增大表面積、5）美觀性晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)勢(shì)1）設(shè)計(jì)創(chuàng)新2）高效制造3）材料優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)勢(shì)方向二：增減材復(fù)合加工增材制造減材加工增減材復(fù)合加工流程圖增減材復(fù)合加工優(yōu)點(diǎn)顯著提升生產(chǎn)效率更高的加工質(zhì)量節(jié)省材料，降低成本促進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新3D打印銑床的復(fù)合加工流程方向三：機(jī)器人增材制造通過(guò)專業(yè)的3D打印軟件來(lái)編寫(xiě)多軸工具的加工路徑，操作人員為3D打印頭和機(jī)械臂編寫(xiě)對(duì)應(yīng)指令，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印。優(yōu)點(diǎn)一突破傳統(tǒng)3D打印工藝在尺寸上的限制，使大型構(gòu)件構(gòu)建成為可能。優(yōu)點(diǎn)二無(wú)需添加額外支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)自由度，節(jié)省材料成本機(jī)器人AM在建筑業(yè)的應(yīng)用機(jī)器人AM在制造業(yè)的應(yīng)用電弧增材制造工藝大型和超大型金屬零件增材制造方向四：多材料3D打印1）相同類型材料的結(jié)合2）不同類型材料的結(jié)合3）不同材料的分層結(jié)合多材料結(jié)合方式多材料3D打印的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)靈活性的提高（產(chǎn)品創(chuàng)意無(wú)限）產(chǎn)品功能性的提升（一體化功能）生產(chǎn)效率的提高（組裝過(guò)程簡(jiǎn)化）多材料3D打印的挑戰(zhàn)材料匹配問(wèn)題打印精度挑戰(zhàn)打印速度問(wèn)題打印工藝調(diào)整材料選擇與改進(jìn)多材料3D打印的應(yīng)用醫(yī)療領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域單元2增材制造典型工藝任務(wù)

一FDM熔融沉積工藝FDM3D打印機(jī)及其組成FDM打印系統(tǒng)由五個(gè)主要部分構(gòu)成，分別是噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、打印床和控制系統(tǒng)。FDM3D打印工作原理FDM3D打印成型材料（絲材）FDM打印工藝的后處理(1)去除支撐（手動(dòng)拆除、溶解）(2)打磨（砂紙）FDM打印工藝的后處理(3)噴漆（模型漆）(4)表面平滑化（丙酮）FDM打印工藝的后處理(5)拋光（拋光機(jī)）FDM3D打印應(yīng)用案例建筑模型影視動(dòng)漫任務(wù)

二LOM薄材疊層工藝LOM3D打印機(jī)及其組成LOM加工系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)關(guān)鍵部分：原料送進(jìn)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、激光切割系統(tǒng)、可升降的工作臺(tái)以及熱壓滾軸。LOM3D打印成型材料（薄材）LOM3D打印工作原理LOM3D彩色打印將傳統(tǒng)的二維噴墨打印技術(shù)與LOM增材制造技術(shù)相結(jié)合LOM復(fù)合材料打印使用片狀的碳纖維復(fù)合材料作為L(zhǎng)OM3D打印的原材料LOM3D打印應(yīng)用案例發(fā)動(dòng)機(jī)LOM3D打印模具LOM3D打印任務(wù)

三SLA立體光固化工藝SLA3D打印機(jī)及其組成采用激光一點(diǎn)點(diǎn)照射光固化液態(tài)樹(shù)脂，工作臺(tái)不斷下移，使其固化成型。SLA3D打印成型材料（光敏樹(shù)脂）SLA3D打印工作原理SLA的“自上而下”和“自下而上”打印工藝傳統(tǒng)自由液面式（Topdown）結(jié)構(gòu)約束液面式（Bottomup）結(jié)構(gòu)SLA3D打印應(yīng)用案例任務(wù)

四SLS選擇性激光燒結(jié)工藝SLS3D打印機(jī)及其組成利用高強(qiáng)度激光器在材料粉末上掃描和燒結(jié)出零件截面，層層粘接，得到零件。SLS3D打印成型材料（金屬粉末）SLS3D打印工作原理金屬SLS3D打印應(yīng)用案例鋁材料SLS熱交換器鈦材料SLS渦輪葉片不銹鋼SLS閥門硌鈷合金SLS牙床支架SLS與FDM工藝之比較SLS

3D打印FDM3D打印SLS與SLA工藝之比較SLS

3D打印SLA3D打印任務(wù)

五DED直接能量沉積工藝DED3D打印機(jī)及其組成通過(guò)安裝在多軸（通常為四軸或者五軸）機(jī)械臂上的噴嘴，將材料逐層直接沉積到正在制造或修復(fù)的零件上。DED工藝參數(shù)DED3D打印工作原理激光功率掃描速度材料進(jìn)給速度激光掃描策略激光束直徑氣體控制DED3D打印與數(shù)控加工DED工藝用于增材制造DED工藝與數(shù)控加工之間緊密聯(lián)系且具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性CNC工藝用于減材加工DED3D打印應(yīng)用案例DED工藝用于航空葉片修復(fù)DED工藝用于復(fù)雜模具型芯打印DED打印后的合金刀片任務(wù)

六BJ粘合劑噴射工藝BJ3D打印機(jī)及其組成先將粉末材料鋪設(shè)在打印機(jī)平臺(tái)上，打印頭根據(jù)電腦指令噴灑粘合劑形成固體層；然后逐層下降平臺(tái)，鋪設(shè)新粉末并噴灑粘合劑，無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，直至打印完畢。BJ3D打印工作原理DED工藝的批量打印優(yōu)勢(shì)DED工藝的無(wú)支撐打印優(yōu)勢(shì)BJ3D打印的常用后處理滲透處理燒結(jié)處理表面處理BJ3D打印應(yīng)用案例BJ工藝用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原型開(kāi)發(fā)基于BJ打印的銅質(zhì)散熱器基于BJ打印的定制化換擋按鈕單元3增材制造常用材料任務(wù)

一增材制造材料的力學(xué)性能1.高韌性2.高強(qiáng)度3.較高的疲勞壽命4.?層間結(jié)合強(qiáng)度?5.?抗沖擊性能?6.?耐久性?一、增材制造材料力學(xué)性能要求1非金屬材料①將利用優(yōu)化連續(xù)本體法對(duì)ABS塑料的性能進(jìn)行優(yōu)化；②將含有10%氣相生長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料與ABS塑料進(jìn)行混合，增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量；③通過(guò)與其他材料如部分金屬粉末等進(jìn)行熔融共混，獲得改性后的復(fù)合材料；④通過(guò)對(duì)加工零件的尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提升零件的機(jī)械性能。二、增材制造產(chǎn)品力學(xué)性能改進(jìn)方法2.金屬材料

①利用非金屬?gòu)?fù)合材料等來(lái)對(duì)金屬增材制造方式進(jìn)行優(yōu)化；②通過(guò)對(duì)增材制造加工過(guò)程中激光功率和掃描速率進(jìn)行調(diào)整，能夠有效避免增材制造過(guò)程中出現(xiàn)材料的球化以及翹曲，從而整體提升金屬或金屬?gòu)?fù)合材料成型件的力學(xué)性能。

二、增材制造產(chǎn)品力學(xué)性能改進(jìn)方法任務(wù)

二常用的增材制造材料根據(jù)材料的幾何形狀可分為絲材、粉末、液體、薄片等四種類型，根據(jù)材料的屬性不同可以分為塑料材料、金屬材料、陶瓷材料和光敏樹(shù)脂材料等。一、增材制造材料的分類

（1）ABS塑料絲適用于料絲自加壓式送絲噴頭結(jié)構(gòu)和螺旋擠壓式送絲噴頭。（2）熔融材料各種可以熔融材料，如蠟、塑料等，適用于加壓融化罐。1.絲狀材料

A、蠟粉（1）用途：燒結(jié)制作蠟型，精密鑄造金屬零件;（2）傳統(tǒng)的熔模精鑄用蠟（烷烴蠟、脂肪酸蠟等），其熔點(diǎn)較低，在60℃左右，燒熔時(shí)間短，燒熔后沒(méi)有殘留物，對(duì)熔模鑄造的適應(yīng)性好，且成本低廉。（3）但存在以下缺點(diǎn)：①對(duì)溫度敏感，燒結(jié)時(shí)熔融流動(dòng)性大，使成型不易控制；②成型精度差，蠟?zāi)３叽缯`差為±0.25mm；③蠟?zāi)?qiáng)度較低，難以滿足具有精細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的要求；④粉末的制備十分困難。2.粉體材料

B、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯、工程塑料（ABS）粉末（1）特點(diǎn)：聚苯乙烯（PS）屬于熱塑性樹(shù)脂，熔融溫度100℃，受熱后可熔化、粘結(jié)，冷卻后可以固化成型，而且該材料吸濕率很小，僅為0.05%，收縮率也較小，其粉料經(jīng)過(guò)改性后，即可作為激光燒結(jié)成型用材料。（2）用途：燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理工藝具有以下功能：第一，結(jié)合浸樹(shù)脂工藝，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，可作為原型件及功能零件。第二、經(jīng)浸蠟后處理，可作為精鑄蠟?zāi)Ｊ褂茫ㄟ^(guò)熔模精密鑄造，生產(chǎn)金屬鑄件。2.粉體材料

C、尼龍粉末（PA）（1）用途：粉末粒徑小，制作模型精度高，用于CAD數(shù)據(jù)驗(yàn)證；因?yàn)榫哂凶銐虻膹?qiáng)度可以進(jìn)行功能驗(yàn)證。（2）特點(diǎn)：燒結(jié)溫度—粉末熔融溫度180℃；燒結(jié)制件不需要特殊的后處理，即可以具有49MPa的抗拉伸強(qiáng)度。（3）其它：尼龍粉末燒結(jié)快速成型過(guò)程中，需要較高的預(yù)熱溫度，需要保護(hù)氣體，設(shè)備性能要求高。2.粉體材料

D、覆膜砂粉末、覆膜陶瓷粉末材料（1）覆膜砂：與鑄造用覆膜砂類似，采用熱固性樹(shù)脂，適合于具有復(fù)雜形狀的有色合金鑄件，如鎂、鋁等合金的鑄造。（2）覆膜陶瓷粉：與覆膜砂的制作過(guò)程類似，被包覆陶瓷粉可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光燒結(jié)快速成型后，結(jié)合后處理工藝，包括脫脂及高溫?zé)Y(jié)，可以快捷地制造精密鑄造用型殼，進(jìn)而澆注金屬零件。也可直接制造工程陶瓷制件，燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理，最終零件相對(duì)密度高達(dá)99.9%，可用于制作含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。2.粉體材料

E、金屬粉末用SLS制造金屬功能件的方法是將金屬粉末燒結(jié)成型，成型速度較快，精度較高，技術(shù)成熟。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。2.粉體材料

液體光敏樹(shù)脂，通常由兩部分組成，即光引發(fā)劑和樹(shù)脂。其中樹(shù)脂由預(yù)聚物、稀釋劑及少量助劑組成。當(dāng)光敏樹(shù)脂中的光引發(fā)劑被光源（特定波長(zhǎng)的紫外光或激光）照射吸收能量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由基或陽(yáng)離子，自由基或陽(yáng)離子使單體和活性齊聚物活化，從而發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生成高分子固化物。3.液體材料

LOM原型一般由薄片材料和粘結(jié)劑兩部分組成，薄片材料根據(jù)對(duì)原型性能要求的不同可分為：紙、塑料薄膜、金屬鉑等。對(duì)于薄片材料要求厚薄均勻，力學(xué)性能良好并與粘結(jié)劑有較好的涂掛性和粘結(jié)能力。4.薄片材料1.塑料材料塑料是以合成樹(shù)脂或化學(xué)改性的天然高分子為主要成分，再加入填料、增塑劑和其他添加劑制得，在一定條件（溫度、壓力等）下可塑成一定形狀并且在常溫下保持其形狀不變的材料。通常按合成樹(shù)脂的特性分為熱塑性塑料和熱固性塑料。二、常用的增材制造材料2.金屬粉末材料金屬粉末是激光熔覆沉積（LESN）和直接能量沉積（DED）等AM工藝中用于制造優(yōu)質(zhì)金屬部件的主要原材料，也可以使用金屬絲進(jìn)料代替DED中的粉末進(jìn)料，材料噴射（MJP）工藝也可用于生產(chǎn)金屬部件。采用該工藝制造零件件需要用較低熔點(diǎn)的金屬（例如黃銅）進(jìn)行爐膛燒結(jié)或滲透，以獲得致密的金屬部件。二、常用的增材制造材料3.陶瓷材料陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成型和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料。

優(yōu)點(diǎn)：具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性以及耐氧化等。

應(yīng)用：在航空航天、汽車、生物領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。二、常用的增材制造材料4.光敏樹(shù)脂材料光敏樹(shù)脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。5.其他增材制造材料（1）復(fù)合材料（2）生物醫(yī)用高分子二、常用的增材制造材料單元4增材制造與三維掃描任務(wù)一三維光學(xué)掃描儀的基礎(chǔ)知識(shí)

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量的要求下，產(chǎn)品不僅要具有先進(jìn)的功能，還要有流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費(fèi)者的注意。流暢美觀、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀必然使得產(chǎn)品外觀由復(fù)雜的自由曲面組成。但是，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式（基于產(chǎn)品或構(gòu)件的功能和外形，由設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中構(gòu)造，即正向工程)很難用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述這些自由曲面。為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成型系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造(computeraidedmanufacture,CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(productdatamanagement,PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。任務(wù)一三維光學(xué)掃描儀的基礎(chǔ)知識(shí)

獲取真實(shí)物體的三維模型是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題，在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)字化模擬等方面都有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于客觀真實(shí)世界在計(jì)算機(jī)中的再現(xiàn)，也稱為三維重建，一直是諸多領(lǐng)域的熱門研究之一。長(zhǎng)久以來(lái)，由于受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制，我們所能得到并能對(duì)其進(jìn)行有效處理及分析的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)是二維數(shù)據(jù)，處理及分析設(shè)備如照相機(jī)、錄像機(jī)、圖像采集卡、平面掃描儀等。然而，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及圖形圖像應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，如何能將現(xiàn)實(shí)世界的立體信息快速地轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)成為人們的目標(biāo)。

三維掃描儀就是針對(duì)三維信息領(lǐng)域的發(fā)展而研制開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)信息輸入的前端設(shè)備。人們只需對(duì)任意實(shí)際物體進(jìn)行掃描，就能在計(jì)算機(jī)上得到實(shí)物的三維立體圖像。它還原度好，精度高，為人們的創(chuàng)意設(shè)計(jì)、仿型加工提供了廣闊的天地。即使是一個(gè)沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)的用戶，也能通過(guò)掃描實(shí)體模型，較容易地制作出專業(yè)品質(zhì)的計(jì)算機(jī)三維圖像與三維動(dòng)畫(huà)。

三維掃描儀，其實(shí)還包括三維數(shù)字化轉(zhuǎn)換儀、激光掃描儀、白光掃描儀、工業(yè)CT系統(tǒng)、Rider等不同的名稱。所有設(shè)備的共同目的是捕捉實(shí)物，然后用點(diǎn)云和面片再現(xiàn)出來(lái)。一）三維掃描系統(tǒng)的歷史與發(fā)展

1.三維掃描簡(jiǎn)介

三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的先進(jìn)全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形、結(jié)構(gòu)和色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了方便、快捷的手段，如圖4-1所示。三維掃描技術(shù)具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使得它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)日益普及的今天很受歡迎。圖4-1三維掃描

三維掃描儀(3Dscanner)是一種進(jìn)行三維掃描的科學(xué)儀器，用來(lái)偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造)與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）。其收集的數(shù)據(jù)常被用于進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型。在發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測(cè)量設(shè)備，因其測(cè)量速度快、精度高、非接觸、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。用三維掃描儀對(duì)樣品、模型進(jìn)行掃描，可以得到其立體的尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與CAD/CAM軟件接口，在CAD系統(tǒng)中可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修補(bǔ)，再送到加工中心或快速成型設(shè)備上制造、可以極大地縮短產(chǎn)品制造周期。2.三維掃描儀的種類

三維掃描儀分為接觸式三維掃描儀(三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x)和非接觸式三維掃描儀。其中，非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀（拍照式三維掃描儀）和激光掃描儀。圖4-2所示為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，圖4-3所示為三維激光掃描儀。

圖4-2三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

圖4-3三維激光掃描儀3.三維掃描儀的發(fā)展歷程

1884年，德國(guó)工程師尼普科夫(PaulGottliebNipkow)利用硒光電池發(fā)明了一種機(jī)械掃描裝置，這種裝置在后來(lái)的早期電視系統(tǒng)中得到應(yīng)用，到1939年被淘汰。雖然它與100多年后利用計(jì)算機(jī)來(lái)操作的掃描儀沒(méi)有必然聯(lián)系，但從歷史的角度來(lái)說(shuō)，這算是人類歷史上最早使用的掃描技術(shù)。

掃描儀是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品，它由掃描頭、控制電路和機(jī)械部件組成，采取逐行掃描，得到的數(shù)字信號(hào)以點(diǎn)陣的形式保存，再使用文件編輯軟件將它編輯成標(biāo)準(zhǔn)格式的文本儲(chǔ)存在磁盤上。從誕生至今，掃描儀的品種多種多樣，并在不斷地發(fā)展。1)點(diǎn)測(cè)量

點(diǎn)測(cè)量代表系統(tǒng)有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、點(diǎn)激光測(cè)量?jī)x和關(guān)節(jié)臂掃描儀。它通過(guò)每一次的測(cè)量點(diǎn)反映物體表面特征，優(yōu)點(diǎn)是精度高，但掃描速度慢，如果要做逆向工程，只在測(cè)量高精密幾何公差要求的物體上有優(yōu)勢(shì)。它適用于物體表面幾何公差檢測(cè)。2)線測(cè)量

線測(cè)量代表系統(tǒng)有三維臺(tái)式激光掃描儀、三維手持式激光掃描儀和關(guān)節(jié)臂+激光掃描頭。通過(guò)一段（一般為幾厘米，激光線過(guò)長(zhǎng)會(huì)發(fā)散）有效的激光線照射物體表面，再通過(guò)傳感器得到物體表面數(shù)據(jù)信息。它適合掃描中小件物體，掃描景深?。ㄒ话阒挥?cm),精度較高。此類系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，其新產(chǎn)品最高精度已經(jīng)達(dá)到0.01m。精度比肩點(diǎn)掃描，速度己有極大的提高，在高精度工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有廣闊用途。3)面掃描

面掃描代表系統(tǒng)有拍照式三維掃描儀和三維攝影測(cè)量系統(tǒng)等。通過(guò)一組光柵的位移，再同時(shí)經(jīng)過(guò)傳感器而采集到物體表面的數(shù)據(jù)信息，如圖4-4所示。圖4-4面掃描4.三維掃描儀的用途

(1)三維掃描儀創(chuàng)建物體幾何表面的點(diǎn)云(pointcloud),這些點(diǎn)可用來(lái)插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云，創(chuàng)建的模型越精確（這個(gè)過(guò)程稱為三維重建）。若掃描儀能取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，也就是材質(zhì)映射（texturemapping)。(2)三維掃描儀可模擬為相機(jī)，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的收集都限定在一定范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機(jī)所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測(cè)量的是距離。二）三維掃描儀的基本原理及工作流程

下面以三維激光掃描儀為例介紹三維掃描儀的基本原理及工作流程。

1.三維掃描儀的基本原理無(wú)論何種類型掃描儀，其構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接收由自然物表面反射的信號(hào)，從而測(cè)距。針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，那么可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖4-5所示。圖4-5三維掃描儀的基本原理2.三維掃描儀的工作流程

三維激光掃描儀的工作過(guò)程大致可以分為計(jì)劃制訂、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。在具體工作展開(kāi)之前，首先需要制訂詳細(xì)的工作計(jì)劃，做一些準(zhǔn)備工作，主要包括根據(jù)掃描對(duì)象的不同和精度的具體要求設(shè)計(jì)一條合適的掃描路線、確定恰當(dāng)?shù)牟蓸用芏?、大致確定掃描儀至掃描物體的距離、設(shè)站數(shù)、設(shè)站位置等。外業(yè)工作主要是采集數(shù)據(jù)，主要包括數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)分析采集到的數(shù)據(jù)是否大致符合要求、進(jìn)行初步的質(zhì)量分析和控制等。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是最重要也是工作量最大的一環(huán)，主要包括外業(yè)采集的激光掃描原始數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)的規(guī)格網(wǎng)格化，數(shù)據(jù)濾波、分類、分割，數(shù)據(jù)的壓縮，圖像處理，模式識(shí)別等。三）三維掃描儀應(yīng)用近年來(lái)，三維掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟。三維掃描儀的巨大優(yōu)勢(shì)在于可以快速掃描被測(cè)物體，無(wú)須反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣就可以高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，它已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字化保護(hù)（圖4-6）、土木工程工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化和城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。圖4-6文物數(shù)字化保護(hù)(1)測(cè)繪工程領(lǐng)域，包括大壩和電站基礎(chǔ)地形測(cè)量，公路測(cè)繪，鐵路測(cè)繪，河道測(cè)繪，橋梁、建筑物地基等的測(cè)繪，隧道的檢測(cè)及變形監(jiān)測(cè)，大壩的變形監(jiān)測(cè)，隧道地下工程結(jié)構(gòu)測(cè)量等。(2)結(jié)構(gòu)測(cè)量方面，包括橋梁擴(kuò)建工程，橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)量，結(jié)構(gòu)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，幾何尺寸測(cè)量，空間位置沖突測(cè)量，空間面積和體積測(cè)量，三維高保真建模，海上平臺(tái)、造船廠、電廠和化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測(cè)量，管道和線路測(cè)量，各類機(jī)械制造安裝。(3)建筑和古跡測(cè)量方面，包括建筑物內(nèi)部及外觀的測(cè)量保真、古跡（古建筑、墓葬雕像等)的保護(hù)測(cè)量（圖4-7）、文物修復(fù)、資料保存等古跡保護(hù)，遺址測(cè)繪，贗品成像，現(xiàn)場(chǎng)虛擬模型，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)性影像記錄。

圖4-7三維掃描儀在古跡保護(hù)（雕像）測(cè)量中的應(yīng)用1.三維激光掃描儀的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)越來(lái)越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域也有了很多嘗試、應(yīng)用和探索。三維激光掃描儀如圖4-10所示。

圖4-10三維激光掃描儀

(4)緊急服務(wù)業(yè)，包括反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測(cè)繪，監(jiān)坦移動(dòng)偵察，災(zāi)害估計(jì)，交通事故和犯罪現(xiàn)場(chǎng)正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控?；履嗍黝A(yù)警，災(zāi)害預(yù)智和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，核泄漏監(jiān)測(cè)。

(5)娛樂(lè)行業(yè)，包括電影產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、為電影演員和場(chǎng)景進(jìn)行的設(shè)計(jì)、3D游戲的開(kāi)發(fā)（圖4-8）、虛擬博物館（圖4-9）、虛擬旅游指導(dǎo)、人工成像、場(chǎng)景虛擬、現(xiàn)場(chǎng)虛擬。

圖4-83D游戲的開(kāi)發(fā)圖4-93D博物館漫游2.照相式三維掃描儀的應(yīng)用照相式三維掃描儀是針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品涉及領(lǐng)域的新一代掃描儀，與傳統(tǒng)的激光掃描儀和三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)比較，其測(cè)量速度提高了數(shù)十倍。由于它有效地控制了整合誤差，因此整體測(cè)量精度也大大提高。其采用可見(jiàn)光將特定的光柵條紋投射到測(cè)量工作表面，借助兩個(gè)高分辨率的CCD數(shù)字照相機(jī)對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可在極短時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工作表面的完整點(diǎn)云。其獨(dú)特的流動(dòng)式設(shè)計(jì)和不同視角點(diǎn)云的自動(dòng)拼合技術(shù)使掃描不需要借助機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，掃描范圍可達(dá)12m,掃描大型工件變得高效、輕松和容易。其高質(zhì)量的完美掃描點(diǎn)云可用于汽車制造業(yè)中的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、逆向工程、快速成型和質(zhì)量控制，甚至可實(shí)現(xiàn)直接加工。照相式三維掃描儀主要由光柵投影設(shè)備和兩個(gè)工業(yè)級(jí)的CCD數(shù)字照相機(jī)構(gòu)成，由光柵投影在待測(cè)物上，并加以粗細(xì)變化及位移，配合CCD數(shù)字照相機(jī)將所獲取的數(shù)字影像通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，即可得知待測(cè)物的實(shí)際3D外形。照相式三維掃描儀采用非接觸白光技術(shù)，避免對(duì)物體表面的接觸，可以測(cè)量各種材料的模型。測(cè)量過(guò)程中被測(cè)物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動(dòng)，對(duì)物件進(jìn)行多個(gè)視角的測(cè)量，系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)拼接，輕松實(shí)現(xiàn)物體360°高精度測(cè)量。照相式三維掃描儀還能在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時(shí)，迅速獲取紋理信息，得到逼真的物體外形，能快速地應(yīng)用于模具制造行業(yè)的掃描，如圖4-11所示。

圖4-10照相式三維掃描儀

3.接觸式三維掃描儀的應(yīng)用接觸式三維掃描儀（圖4-12）采用探測(cè)頭直接接觸物體表面，通過(guò)探測(cè)頭反饋回來(lái)的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面形狀的掃描和測(cè)量，主要以三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x為代表。接觸式測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，配合測(cè)量軟件，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。其缺點(diǎn)是：測(cè)量費(fèi)用較高；探頭易磨損；測(cè)量速度慢；檢測(cè)一些內(nèi)部元件有先天的限制，如欲求得物體真實(shí)外形，則需要對(duì)探頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償，因此可能導(dǎo)致修正誤差的問(wèn)題；在測(cè)量時(shí)，接觸探頭的力將使探頭尖端部分與被測(cè)件之間發(fā)生局部變形而影響測(cè)量值的實(shí)際讀數(shù)；由于探頭觸發(fā)機(jī)構(gòu)的慣性及時(shí)間延遲而使探頭產(chǎn)生超越現(xiàn)象，趨近速度會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。接觸式掃描儀主要用于機(jī)械、汽車、航空、軍工、家具、工具原型、機(jī)器等中小型配件、模具等行業(yè)中的箱體、機(jī)架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測(cè)量，還可用于電子、五金、塑膠等行業(yè)，對(duì)工件的尺寸、形狀和幾何公差進(jìn)行精密檢測(cè)，從而完成零件檢測(cè)、外形測(cè)量、過(guò)程控制等任務(wù)。然而因其在掃描過(guò)程中必須接觸物體，待測(cè)物有遭到探針破壞和損毀的可能，因此不適用于高價(jià)值對(duì)象（如古文物、遺跡等）的重建作業(yè)。圖4-12接觸式三維掃描儀

任務(wù)二增材制造件的數(shù)據(jù)獲取

首先通過(guò)測(cè)量掃描儀以及各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品實(shí)物或者模型的數(shù)字信息，然后充分利用成熟的逆向工程軟件或者正向設(shè)計(jì)軟件，快速、準(zhǔn)確地建立實(shí)體三維模型，經(jīng)過(guò)工程分析和CAM編程加工出產(chǎn)品模型，最后制成產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或者模型→再設(shè)計(jì)（再創(chuàng)新)→產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程，即逆向工程技術(shù)。逆向工程技術(shù)的實(shí)施條件包括硬件條件、軟件條件和教學(xué)資源三大類。一）三維掃描數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)知識(shí)

1.三維掃描儀硬件條件(1)Win3DD三維掃描儀的硬件結(jié)構(gòu)逆向工程技術(shù)實(shí)施的硬件條件包含前期的三維掃描設(shè)備和后期的產(chǎn)品制造設(shè)備。產(chǎn)品制造設(shè)備主要有切削加工設(shè)備，以及近幾年發(fā)展迅速的快速成型設(shè)備。三維掃描設(shè)備為產(chǎn)品三維數(shù)字化信息的獲取提供了硬件條件。不同的測(cè)量方式，決定了掃描的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，也造成了測(cè)量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。數(shù)字化精度決定三維數(shù)字模型的精度及反求的質(zhì)量；測(cè)量速度也在很大程度上影響反求過(guò)程的快慢。目前常用的測(cè)量方法在數(shù)字化精度和測(cè)量速度兩個(gè)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且有一定的適用范圍，所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)及對(duì)測(cè)量精度的要求選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量設(shè)備。下面介紹一款常用的結(jié)構(gòu)光三維掃描儀一Win3DD單目三維掃描儀，其結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。圖4-13Win3DD單目三維掃描儀的結(jié)構(gòu)組成Win3DD系列產(chǎn)品是北京三維天下科技股份有限公司自主研發(fā)的高精度三維掃描儀，在延續(xù)經(jīng)典雙目系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)外觀、結(jié)構(gòu)、軟件功能和附件配置進(jìn)行大幅提升，除具有高精度的特點(diǎn)之外，還具有易學(xué)、易用、便攜、安全、可靠等特點(diǎn)。Win3DD單目三維掃描儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-13所示，可分為三個(gè)部分，下方為支撐掃描頭的三腳架中間為云臺(tái)，上方為掃描頭，掃描頭是硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成中的主要部分。(2)Win3DD三維掃描儀掃描頭

圖4-14所示為三維掃描儀掃描頭的幾個(gè)部位，為了保障Win3DD單目三維掃描儀的使用壽命及掃描精度，在使用掃描頭時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1)避免掃描系統(tǒng)發(fā)生碰撞，造成不必要的硬件系統(tǒng)損壞或影響掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量。2)禁止觸碰相機(jī)鏡頭和光柵投射器鏡頭。3)掃描頭扶手僅用于云臺(tái)對(duì)掃描頭做上下、水平、左右調(diào)整時(shí)使用。4)嚴(yán)禁在搬運(yùn)掃描頭時(shí)使用此扶手。云臺(tái)和三腳架如圖4-15所示。Win3DD單目三維掃描儀使用前須仔細(xì)閱讀設(shè)備操作手冊(cè)，了解使用技巧及注意事項(xiàng)。使用技巧：1)調(diào)整云臺(tái)旋鈕可使掃描頭進(jìn)行上下、左右、水平方向旋轉(zhuǎn)。2)調(diào)整三腳架旋鈕可對(duì)掃描頭高低程度進(jìn)行調(diào)整。圖4-14三維掃描儀掃描頭

云臺(tái)及三腳架在角度、高低度調(diào)整結(jié)束后，一定要將各方向的螺釘鎖緊。否則可能會(huì)由于固定不緊造成掃描頭內(nèi)部器件發(fā)生碰撞，導(dǎo)致硬件系統(tǒng)損壞，也可能導(dǎo)致在掃描過(guò)程中硬件系統(tǒng)晃動(dòng)，掃描過(guò)程中的晃動(dòng)會(huì)對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。圖4-15云臺(tái)和三腳架

(3)Win3DD三維掃描儀的特點(diǎn)1)Win3DD單目三維掃描儀在延續(xù)經(jīng)典雙目系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，在軟件功能和附件配置上有了大幅提升，具有精度高、可靠性好的特點(diǎn)，能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行單幅掃描。2)Win3DD單目三維掃描儀設(shè)有三維預(yù)覽功能，可使用戶預(yù)先評(píng)估測(cè)量結(jié)果，檢查由于被測(cè)表面不平整等因素帶來(lái)的掃描區(qū)域深度、死角角度等，大大減少了掃描錯(cuò)誤。3)先進(jìn)的自動(dòng)對(duì)焦功能，能夠根據(jù)到被測(cè)物的距離、反射率等自動(dòng)調(diào)整焦距和激光束的強(qiáng)度，多次對(duì)焦功能對(duì)于有深度的測(cè)量物可以得到高精度的數(shù)據(jù)。4)全新的傳感器和測(cè)量計(jì)算法提供了延伸的動(dòng)態(tài)范圍，可以測(cè)量有光澤的物體（例如金屬)表面。5)外觀設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔輕便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、輕便，在工作環(huán)境中具有可移動(dòng)性。6)Win3DD單目三維掃描儀操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易用，受到逆向工程從業(yè)人員的青睞。2.三維數(shù)據(jù)采集軟件條件

隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論研究的深入進(jìn)行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視。在專用的逆向工程軟件問(wèn)世之前，三維數(shù)字模型的重構(gòu)都依賴于正向的CAD/CAM軟件，例如UG、Pro/E、CATA、SolidWorks等。由于逆向建模的特點(diǎn)，正向的CAD/CAM軟件不能滿足快速、準(zhǔn)確的模型重構(gòu)需要，伴隨著對(duì)逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論的深人研究及其成果的廣泛應(yīng)用，大量的商業(yè)化專用逆向工程三維建模系統(tǒng)日益涌現(xiàn)。目前，市場(chǎng)上主流的逆向三維建模功能軟件達(dá)數(shù)十種之多，具有代表性的有GeomagicDesignX、Imageware、RapidForm、CopyCAD、中望3D等。常用的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開(kāi)始集成逆向設(shè)計(jì)模塊，例如CATA軟件中的DES、QUS模塊，Pro/E軟件中的Pro/SCAN功能，UGNX3.0軟件已將Imageware集成為其專門的逆向設(shè)計(jì)模塊。這些系統(tǒng)軟件的出現(xiàn)，極大地方便了逆向工程設(shè)計(jì)人員，為逆向工程的實(shí)施提供了軟件支持。下面就專用的逆向造型軟件做概要的介紹。1.GeomagicWrap軟件

GeomagicWrap軟件是美國(guó)Geomagic公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，其數(shù)據(jù)處理流程為點(diǎn)階段→多邊形階段→曲面階段，可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。GeomagicWrap軟件可根據(jù)任何實(shí)體（例如零部件)自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。GeomagicWrap軟件可獲得完美的多邊形和NURBS模型；處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時(shí)，速度比傳統(tǒng)CAD軟件提高十倍；自動(dòng)化特征和簡(jiǎn)化的工作流程，可縮短學(xué)習(xí)時(shí)間。GeomagicWrap軟件在數(shù)字化掃描后的數(shù)據(jù)處理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，受到使用者廣泛青睞。本書(shū)選用的就是GeomagicWrap即家族系列產(chǎn)品，新版本的GeomagicDesignX軟件進(jìn)行逆向工程設(shè)計(jì)。2.Imageware軟件

Imageware軟件由美國(guó)EDS公司出品，是著名的逆向工程軟件，正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、日用家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。Imageware軟件采用NURBS技術(shù)，功能強(qiáng)大，處理數(shù)據(jù)的流程按照點(diǎn)一→曲線→曲面原則，流程清晰，并且易于使用。Imageware軟件在計(jì)算機(jī)輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件成型等方面具有強(qiáng)大的功能。3.DelcamCopyCADPro軟件

Delcam

CopyCADPro軟件是世界知名的專業(yè)逆向/正向混合設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)，采用全球首個(gè)TribridModelling三角形、曲面和實(shí)體三合一混合造型技術(shù)，集三種造型方式為一體，創(chuàng)造性地引入逆向/正向混合設(shè)計(jì)理念，成功地解決了傳統(tǒng)逆向工程中不同系統(tǒng)相互切換、煩瑣耗時(shí)等問(wèn)題，為工程人員提供了人性化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具，從而使“逆向重構(gòu)+分析檢驗(yàn)+外形修飾+創(chuàng)新設(shè)計(jì)”在同一系統(tǒng)下完成，為各個(gè)領(lǐng)域的逆向/正向設(shè)計(jì)提供了快速、高效的解決方案。5.GeomagicControlX軟件

GeomagieControlX軟件是一款功能全面的檢測(cè)欽件，集結(jié)多種工具與簡(jiǎn)單明確的工作流。質(zhì)檢人員可利用GeomgieControlX軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操作與直觀的全方位的控制，讓質(zhì)量檢測(cè)流程擁有可跟蹤、可重復(fù)的工作流。其快速、精確、信息豐富的報(bào)告和分析功能應(yīng)用在制造工作流程中能提高生產(chǎn)率與產(chǎn)品質(zhì)量。

二）三維掃描儀的標(biāo)定1.數(shù)據(jù)采集軟件簡(jiǎn)介WrapWin3D三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由北京三維天下科技股份有限公司自主研發(fā)的三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在延續(xù)Win3DD三維掃描系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)算法進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，搭載了Wrap軟件功能，操作更加簡(jiǎn)單方便。(1)WrapWin3D界面介紹

單擊Wrap圖標(biāo)，啟動(dòng)Wrap三維掃描系統(tǒng)軟件，點(diǎn)擊“采集”→“掃描”按鈕，進(jìn)入軟件界面，如圖4-16所示。選擇Win3DScanner,單擊“確定”按鈕。

圖4-16Wrap_Win3D軟件界面

圖4-17所示為Wrap即三維掃描系統(tǒng)的軟件界面，包含掃描系統(tǒng)名稱以及菜單欄，即包含掃描時(shí)所需的相關(guān)功能命令。圖4-17三維掃描系統(tǒng)軟件界面(2)菜單欄功能在相機(jī)顯示區(qū)內(nèi)可實(shí)時(shí)顯示掃描采集區(qū)域，可根據(jù)顯示區(qū)域在掃描前合理調(diào)整掃描角度。具體的介紹如下：1)工程管理：新建工程：在對(duì)被掃描工件進(jìn)行掃描之前，必須首先新建工程，即設(shè)定本次掃描的工程名稱、相關(guān)數(shù)據(jù)存放的路徑等信息。打開(kāi)工程：打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)存在的工程。2)視圖：標(biāo)定/掃描：主要用于掃描視圖與標(biāo)定視圖的相互轉(zhuǎn)換。3)相機(jī)操作：參數(shù)設(shè)置：對(duì)相機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。4)光機(jī)操作：投射十字：控制光柵投射器投射出一個(gè)十字叉，用于調(diào)整掃描距離。5)幫助：幫助文檔：顯示幫助文檔。注冊(cè)軟件：輸入加密序列碼。3)軟件標(biāo)定視圖

啟動(dòng)WrapWin3D掃描系統(tǒng)，首先啟動(dòng)專用計(jì)算機(jī)、硬件系統(tǒng)，使掃描系統(tǒng)預(yù)熱5~10分鐘，以保證標(biāo)定狀態(tài)與掃描狀態(tài)盡可能相近。點(diǎn)擊Wrap圖標(biāo)啟動(dòng)軟件，點(diǎn)擊“采集”"掃描”按鈕，進(jìn)入軟件界面，點(diǎn)擊“視圖”→“標(biāo)定/掃描”切換為標(biāo)定界面。如圖4-18所示。

圖4-18標(biāo)定界面標(biāo)定界面功能命令詳解：1)開(kāi)始標(biāo)定：開(kāi)始執(zhí)行標(biāo)定操作。2)標(biāo)定步驟：開(kāi)始標(biāo)定操作，即下一步操作。3)重新標(biāo)定：若標(biāo)定失敗或零點(diǎn)誤差較大，單擊此按鈕重新進(jìn)行標(biāo)定。4)顯示幫助：引導(dǎo)用戶按圖所示放置標(biāo)定板。5)標(biāo)定信息顯示區(qū)：顯示標(biāo)定步驟及進(jìn)行下一步提示“標(biāo)定成功或未成功的信息”。6)相機(jī)標(biāo)志點(diǎn)提取顯示區(qū)：顯示相機(jī)采集區(qū)域提取成功的標(biāo)志點(diǎn)圓心位置（用綠色十字叉標(biāo)識(shí)）。7)相機(jī)實(shí)時(shí)顯示區(qū)：對(duì)相機(jī)采集區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用于調(diào)整標(biāo)定板位置的觀測(cè)。2.掃描儀標(biāo)定操作過(guò)程

標(biāo)定操作是使用掃描儀掃描數(shù)據(jù)時(shí)的前提條件，也是掃描系統(tǒng)精度高低的決定因素。因此，使用掃描儀掃描數(shù)據(jù)之前，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定操作。以下是需要標(biāo)定操作的幾種情況：

1)掃描儀設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)途運(yùn)輸。2)對(duì)掃描儀硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。3)掃描儀硬件系統(tǒng)發(fā)生碰撞或者嚴(yán)重振動(dòng)。4)掃描儀設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不使用。標(biāo)定操作注意事項(xiàng)如下：1)標(biāo)定的每一步都要保證標(biāo)定板上至少88個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，如圖4-19所示。2)特征標(biāo)志點(diǎn)被提取出來(lái)才能繼續(xù)下一步標(biāo)定。3)如果最后計(jì)算得到的誤差結(jié)果太大，標(biāo)定精度不符合要求時(shí)，則需重新標(biāo)定，否則會(huì)導(dǎo)致得到無(wú)效的掃描精度與點(diǎn)云質(zhì)量。圖4-19掃描到的標(biāo)定板

具體標(biāo)定操作過(guò)程：（1）啟動(dòng)WrapWin3D掃描系統(tǒng)啟動(dòng)WrapWin3D掃描系統(tǒng)，首先啟動(dòng)專用計(jì)算機(jī)、硬件系統(tǒng)，使掃描系統(tǒng)預(yù)熱5-10分鐘，以保證標(biāo)定狀態(tài)與掃描狀態(tài)盡可能相近。點(diǎn)擊Wrap圖標(biāo)啟動(dòng)軟件，點(diǎn)擊“采集”→“掃描”按鈕，進(jìn)入軟件界面，點(diǎn)擊“視圖”切換為標(biāo)定界面。（2）調(diào)整掃描距離將標(biāo)定板放置在視場(chǎng)中央，通過(guò)調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度以及俯仰角，使兩個(gè)十字叉盡可能重合。（此時(shí)高度為600mm，為理想的掃描距離），如圖4-20所示。

圖4-20調(diào)整掃描距離

（3）標(biāo)定步驟

根據(jù)右側(cè)顯示幫助，開(kāi)始標(biāo)定過(guò)程。

步驟一：將標(biāo)定板水平放置，調(diào)整掃描距離后點(diǎn)擊“標(biāo)定”，此時(shí)完成了第一步。圖4-21所示。

圖4-21標(biāo)定步驟一步驟二：標(biāo)定板不動(dòng)，調(diào)整三腳架，（搖動(dòng)3圈，升高），升高硬件系統(tǒng)高度40mm滿足要求后單擊“下一步”，完成第二步，如圖4-22所示。圖4-22標(biāo)定步驟二

步驟三：標(biāo)定板不動(dòng)，（搖動(dòng)6圈，降低），調(diào)整三腳架，使硬件系統(tǒng)高度降低80mm，單擊“下一步”，然后再調(diào)整三腳架，將硬件系統(tǒng)升高40mm，進(jìn)入下一步，如圖4-23所示。圖4-23標(biāo)定步驟三步驟四：（搖動(dòng)3圈，升高），硬件系統(tǒng)高度恢復(fù)到600，將標(biāo)定板旋轉(zhuǎn)90°墊起與相機(jī)同側(cè)下方一角，角度約為20°，讓標(biāo)定板正對(duì)光柵投射器，完成第四步，如圖4-24所示。圖4-24標(biāo)定步驟四步驟五：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，完成第五步，如圖4-25所示。圖4-25標(biāo)定步驟五步驟六：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，完成第六步，如圖4-26所示。圖4-26標(biāo)定步驟六步驟七：硬件系統(tǒng)高度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，墊起與相機(jī)異側(cè)一邊，角度約為30°，讓標(biāo)定板正對(duì)相機(jī)，完成第七步，如圖4-27所示。圖4-27標(biāo)定步驟七步驟八：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，完成第八步，如圖4-28所示。圖4-28標(biāo)定步驟八步驟九：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，完成第九步，如圖4-29所示。圖4-29標(biāo)定步驟九步驟十：硬件系統(tǒng)高度不變，墊起角度不變，將標(biāo)定板沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°，完成第十步，如圖4-30所示。圖4-30標(biāo)定步驟十標(biāo)定結(jié)果：

在上述十步全部完成后，在標(biāo)定信息顯示區(qū)給出標(biāo)定的計(jì)算結(jié)果。

如標(biāo)定不成功，會(huì)提示“標(biāo)定誤差較大，請(qǐng)重新標(biāo)定”。

標(biāo)定成功后如圖4-31和如圖4-32所示。

圖4-31標(biāo)定結(jié)果圖4-32標(biāo)定計(jì)算結(jié)果顯示三）零件外形的三維數(shù)據(jù)采集

1.掃描前處理

如果工件的表面顏色過(guò)深或者工件的表面透明反光等，將會(huì)影響正常的掃描效果，所以我們采用噴涂一層顯像劑的方式進(jìn)行掃描，從而獲得更加精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為之后的CAD實(shí)體建模打下基礎(chǔ)。常見(jiàn)的顯像劑如圖4-33所示。圖4-33常見(jiàn)的顯像劑具體操作流程（以DP5-5為例）：1.搖均勻顯像劑2.噴顯像劑時(shí)，距離15-20cm左右長(zhǎng)按噴嘴勻速劃過(guò)工件表面，來(lái)回噴涂直至覆蓋整個(gè)工件。（噴涂過(guò)程盡量不觸碰工件，以免影響噴涂效果。）3.噴涂完成后，顯像劑應(yīng)均勻覆蓋工件，表面平滑。注意事項(xiàng)：1.推薦白色顯像劑，即時(shí)性噴霧劑，掃描后可自動(dòng)揮發(fā)，對(duì)工件表面無(wú)著色污染。2.使用期搖均，避免粉末顆粒狀堆積影響掃描精度。3.噴涂距離不宜過(guò)近，噴涂盡量均勻，不要噴得太多，或顯像劑噴涂缺漏，帶來(lái)表面處理誤差。4.貴重工件最好先試噴一小塊，確認(rèn)不會(huì)對(duì)表面造成破壞；5.不可對(duì)人體進(jìn)行噴涂，皮膚一般可直接掃描，若確有需要可以施以適量化妝粉底。(2)三維掃描預(yù)處理—粘貼標(biāo)志點(diǎn)

因要求為掃描整體點(diǎn)云，所以需要粘貼標(biāo)志點(diǎn)，以進(jìn)行拼接掃描注意事項(xiàng)：1.標(biāo)志點(diǎn)盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些；2.標(biāo)志點(diǎn)不要粘貼在一條直線上，且不要粘貼對(duì)稱；3.公共標(biāo)志點(diǎn)至少為3個(gè)，但因掃描角度等原因，一般建議5-7個(gè)為宜；標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到；4.粘貼標(biāo)志點(diǎn)要保證掃描策略的順利實(shí)施，根據(jù)工件的長(zhǎng)、寬、高合理分布粘貼。如圖4-34所示兩種不同零件標(biāo)志點(diǎn)的粘貼，這兩個(gè)零件的粘貼都較為合理，當(dāng)然還有其他粘貼方式方法。圖4-34標(biāo)志點(diǎn)粘貼后的零件(3)制定三維掃描策略觀察相關(guān)模型，如果整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)且對(duì)稱模型，為了讓掃描過(guò)程更方便、更快捷，我們通常選用輔助工具（轉(zhuǎn)盤）來(lái)對(duì)其進(jìn)行拼接掃描。（輔助掃描能夠節(jié)省掃描時(shí)間，同時(shí)可以減少貼在表面標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量。）步驟一：新建工程，給工程起個(gè)名字例如“huasa”，將花灑零件放置轉(zhuǎn)盤上，確定轉(zhuǎn)盤和花灑零件在十字中間，嘗試旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤一周，在軟件最右側(cè)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域檢查，以保證能夠掃描到整體；觀察軟件右側(cè)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域處花灑零件在該區(qū)域的亮度，通過(guò)軟件中設(shè)置相機(jī)曝光值來(lái)調(diào)整亮度；并且檢查掃描儀到被掃描物體的距離，此距離可以依據(jù)軟件右側(cè)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域的白色十字與黑色十字重合確定當(dāng)重合時(shí)的距離約為600mm,600mm的高度點(diǎn)云提取質(zhì)量最好。如圖4-35位置所示，所有參數(shù)調(diào)整好即可點(diǎn)擊“開(kāi)始掃描”，開(kāi)始第一步掃描。(為了更方便的固定模型，可以使用橡皮泥將模型固定在轉(zhuǎn)盤上)2.三維掃描操作

下面我們以常見(jiàn)的家用花灑為例，來(lái)進(jìn)行零件的三維掃描操作，來(lái)獲取相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)文件。

圖4-35掃描步驟一注意：由于需要借助標(biāo)志，點(diǎn)進(jìn)行拼合掃描，所以在第一次掃描時(shí)先使掃描儀識(shí)別到機(jī)械零件模型上公共的標(biāo)志點(diǎn)，以方便后面翻面拼合。若標(biāo)志，點(diǎn)角度不容易識(shí)別到模型上公共的標(biāo)志點(diǎn)，可以借助墊塊墊起轉(zhuǎn)盤相機(jī)一側(cè)，使掃描儀更容易識(shí)別。

步驟二：轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤一定角度，必須保證與上一步掃描有公共重合部分，這里說(shuō)的重合是指標(biāo)志點(diǎn)重合，即上一步和該步能夠同時(shí)看到至少三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)（該單目設(shè)備為三點(diǎn)拼接，但是建議使用四點(diǎn)拼接)如圖4-36所示

圖4-36掃描步驟二步驟三：同步驟二類似，向同一方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度掃描，如圖4-37所示。

步驟四：同步驟三類似，向同一方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度掃描，如圖4-38所示。通過(guò)這四步的掃描，可以在Wrp軟件界面查看到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，操作鼠標(biāo)查看機(jī)械零件模型是否掃描完整，向同一方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤一定角度掃描。經(jīng)過(guò)幾次的掃描已經(jīng)基本可以將機(jī)械零件模型上表面掃描完整，若未完整則調(diào)整掃描角度繼續(xù)掃描直至得到上表面完整點(diǎn)云。

圖4-37掃描步驟三圖4-38掃描步驟四步驟五：前面四步已經(jīng)把花灑的上表面數(shù)據(jù)掃描完成，下面將花灑從轉(zhuǎn)盤上取下，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤再粘貼標(biāo)志點(diǎn)，同時(shí)也將花灑進(jìn)行翻轉(zhuǎn)掃描下表面，通過(guò)之前手動(dòng)粘貼的標(biāo)志點(diǎn)來(lái)完成拼接過(guò)程，進(jìn)行掃描，翻過(guò)來(lái)后不易放置可以繼續(xù)使用橡皮泥固定模型，如圖4-39所示。圖4-39掃描步驟五步驟六：從第六步到第八步同步驟二類似，目的都是將花灑的表面數(shù)據(jù)掃描完整，從而獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此時(shí)一定要通過(guò)鼠標(biāo)操作，在Wrp軟件界面查看到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，并查看該機(jī)械零件模型是否掃描完整，如有缺失可繼續(xù)采集缺失的點(diǎn)云，直至得到完整點(diǎn)云，如圖4-40所示。

圖4-40掃描步驟六

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描完整后，在模型管理器中選擇要保存的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“點(diǎn)”→“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象”

按鈕，將多組數(shù)據(jù)合并為一組數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“右鍵”選擇對(duì)話框中的“保存”按鈕，保存在指定的目錄下。（保存的格式為“.asc”)

我們?cè)谶@里保存的文件名為“huasa.asc”,后續(xù)我們使用GeomagicWrap點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。注意：1.保存.asc數(shù)據(jù)文件之前，確保單位為毫米。2.掃描步驟的多少根據(jù)掃描經(jīng)驗(yàn)及掃描時(shí)物體擺放角度而定，如果經(jīng)驗(yàn)豐富或是擺放合適，能夠減少掃描步驟，即減少掃描數(shù)據(jù)的大小。3.在掃描完整的原則上盡量減少不必要的掃描步驟，減少累計(jì)誤差的產(chǎn)生。任務(wù)三

掃描三維數(shù)據(jù)的處理與優(yōu)化

掃描后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們需要進(jìn)行相關(guān)的處理與優(yōu)化，才能用于后續(xù)的逆向建模。在零件逆向建模過(guò)程中對(duì)點(diǎn)云的處理是整個(gè)逆向建模過(guò)程的第一步，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理結(jié)果會(huì)直接影響后續(xù)建模的質(zhì)量。在數(shù)據(jù)采集中，由于隨機(jī)（環(huán)境因素等）或人為（工作人員經(jīng)驗(yàn)等）原因，會(huì)引起數(shù)據(jù)的誤差，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含雜點(diǎn)，造成被測(cè)零件模型重構(gòu)曲面不理想，從光順性和精度等方面影響建模質(zhì)量，因此需要在三維模型重建前進(jìn)行雜點(diǎn)消除。為了提高掃描精度，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能會(huì)很大，且其中會(huì)包括大量的冗余數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣精簡(jiǎn)處理。為了得到表面光順的模型，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理。由于模型比較復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大，一次掃描不能全部掃到，就需要從多角度進(jìn)行掃描，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接結(jié)合處理以得到完整的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)。

云進(jìn)行平滑處理。由于模型比較復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大，一次掃描不能全部掃到，就需要從多角度進(jìn)行掃描，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接結(jié)合處理以得到完整的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)。

STL（Stereolithography)文件格式是三維圖形文件格式，即用三角形面片來(lái)表示三維實(shí)體模型，已經(jīng)成為CAD/CAM系統(tǒng)接口文件格式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前常用于各種增材制造和部分CAM系統(tǒng)，也是零件逆向設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型。通過(guò)對(duì)其劣質(zhì)面片的處理，去除孤立、交錯(cuò)或者法向相反的面片以保證面片的質(zhì)量。通過(guò)補(bǔ)洞、平滑、縮減數(shù)量等操作在縮小面片文件數(shù)據(jù)量的同時(shí)提高面片質(zhì)量，便于后期逆向建模工作。具體的處理過(guò)程我們一般由點(diǎn)云處理、多邊形面片處理和數(shù)據(jù)保存三個(gè)階段組成。一）點(diǎn)云處理

點(diǎn)云處理是去掉掃描過(guò)程中產(chǎn)生的雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)然后將點(diǎn)云文件三角面片化（封裝）的過(guò)程。

1.軟件界面

具體的Wrap軟件界面及基本操作介紹如圖4-41所示。

圖4-41Wrap軟件界面及基本操作

2.點(diǎn)云處理階段主要操作命令著色點(diǎn)：為了更加清晰、方便的觀察點(diǎn)云的形狀，將點(diǎn)云進(jìn)行著色。選擇非連接項(xiàng)：指同一物體上具有一定數(shù)量的點(diǎn)形成點(diǎn)群，并且彼此間分離。選擇體外弧點(diǎn)：選擇與其它絕大數(shù)的點(diǎn)云具有一定距離的點(diǎn)。（敏感度：低數(shù)值選擇遠(yuǎn)距離點(diǎn)，高數(shù)值選擇的范圍接近真實(shí)數(shù)據(jù)。減少噪音：掃描數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)差和隨機(jī)誤差，其中有一些掃描點(diǎn)的誤差比較大，超出我們?cè)试S的范圍，這就是噪聲點(diǎn)封裝：對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角面片化。3.點(diǎn)云處理步驟步驟一：打開(kāi)掃描保存的“huasa.asc”文件。啟動(dòng)GeomagicWrap軟件，選擇菜單【文件】【打開(kāi)】命令或單擊工具欄上的“打開(kāi)”圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出“打開(kāi)文件”對(duì)話框，查找數(shù)據(jù)文件并選中“huasa.asc”文件，然后點(diǎn)擊【打開(kāi)】按鈕，在工作區(qū)顯示載體如圖4-42所示。圖4-42點(diǎn)云處理步驟一步驟二：將點(diǎn)云著色。為了更加清晰、方便的觀察點(diǎn)云的形狀，我們一般需要將原始黑色的點(diǎn)云進(jìn)行著色。選擇菜單欄“點(diǎn)”→“著色點(diǎn)”

，著色后的視圖如圖4-43所示。圖4-43點(diǎn)云處理步驟二步驟三：設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心為了更加方便的觀察點(diǎn)云的放大、縮小或旋轉(zhuǎn)，將其設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心。在操作區(qū)域點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心”，在點(diǎn)云適合位置點(diǎn)擊。選擇工具欄中“套索選擇工具”

，勾畫(huà)出模型的外輪廓，點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)紅色，點(diǎn)擊鼠

標(biāo)右鍵選擇“反轉(zhuǎn)選區(qū)”，選擇菜單“點(diǎn)”→“刪除”或按下Delete鍵。如圖4-44所示。圖4-44點(diǎn)云處理步驟三

步驟四：選擇非連接項(xiàng)

選擇菜單欄“點(diǎn)”→“選擇”→“非連接項(xiàng)”

，在管理器面板中彈出“選擇非連接項(xiàng)”對(duì)話框。在“分隔”的下拉列表中選擇“低”分隔方式，這樣系統(tǒng)會(huì)選擇在拐角處離主點(diǎn)云很近但不屬于它們一部分的點(diǎn)?！俺叽纭卑茨J(rèn)值5.0，點(diǎn)擊上方的“確定”按鈕。點(diǎn)云中的非連接項(xiàng)被選中，并呈現(xiàn)紅色，如圖4-45所示。選擇菜單“點(diǎn)”→“刪除”或按下Delete鍵。圖4-45點(diǎn)云處理步驟四-步驟五：去除體外孤點(diǎn)選擇菜單“點(diǎn)”→“選擇”→“體外孤點(diǎn)”,在管理面板中彈出“選擇體外孤點(diǎn)”對(duì)話框，設(shè)置“敏感度”的值為100，也可以通過(guò)單擊右側(cè)的兩個(gè)三角號(hào)增加或減少“敏感性”的值，單擊按鈕。此時(shí)體外孤點(diǎn)被選中，呈現(xiàn)紅色，如圖4-46所示。選擇菜單“點(diǎn)”→“刪除”或按Delete鍵來(lái)刪除選中的點(diǎn)。（此命令操作2—3次為宜）圖4-46點(diǎn)云處理步驟五

步驟六：刪除非連接點(diǎn)云選擇工具欄中“套索選擇工具”

，配合工具欄中的按鈕一起使用，手動(dòng)將非連接點(diǎn)云刪除，如圖4-47所示。

步驟七：減少噪音選擇菜單“點(diǎn)”→“減少噪音”

，在管理器模塊中彈出“減少噪音”對(duì)話框。選擇“自由曲面形狀”，“平滑度水平”滑標(biāo)到無(wú)，“迭代”為5，“偏差限制”為0.05mm。

圖4-47點(diǎn)云處理步驟六圖4-48點(diǎn)云處理步驟七

步驟八：封裝數(shù)據(jù)選擇菜單“點(diǎn)”→“封裝”

，系統(tǒng)會(huì)彈如圖4-49所示“封裝”對(duì)話框，該命令將圍繞點(diǎn)云進(jìn)行封裝計(jì)算，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形模型。

采樣：對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行采樣。通過(guò)設(shè)置“點(diǎn)間距”來(lái)進(jìn)行采樣。目標(biāo)三角形的數(shù)量可以進(jìn)行人為設(shè)定，目標(biāo)三角形數(shù)量設(shè)置的越大，封裝之后的多邊形網(wǎng)格則越緊密。最下方的滑桿可以調(diào)節(jié)采樣質(zhì)量的高低，可根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)際特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

圖4-49點(diǎn)云處理步驟八二）多邊形面片處理1.面片處理階段主要操作命令：刪除釘狀物：“平滑級(jí)別”處在中間位置，使點(diǎn)云表面趨于光滑?！捌交?jí)別”處在中間位置，使點(diǎn)云表面趨于光滑。填充孔：修補(bǔ)因?yàn)辄c(diǎn)云缺失而造成漏洞，可根據(jù)曲率趨勢(shì)補(bǔ)好漏洞。去除特征：先選擇有特征的位置，應(yīng)用該命令可以去除特征，并將該區(qū)域與其它部位形成光滑的連續(xù)狀態(tài)。減少噪音：將點(diǎn)移至正確的統(tǒng)計(jì)位置以彌補(bǔ)噪音（如掃描儀誤差）。噪音會(huì)使銳邊變鈍或使平滑曲線變粗糙。網(wǎng)格醫(yī)生：集成了刪除釘狀物，補(bǔ)洞、去除特征、開(kāi)流形等功能，對(duì)于簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)能夠快速處理完成。2.多邊形面片處理步驟

步驟一：刪除釘狀物選擇菜單欄“多邊形”→“刪除釘狀物”按鈕

，在模型管理器中彈出如圖所示的“刪除釘狀物”對(duì)話框?！捌交?jí)別”處在中間位置，點(diǎn)擊應(yīng)用，如圖4-50所示。步驟二：全部填充

選擇菜單欄“多邊形”→“全部填充”按鈕，在模型管理器中彈出如圖4-51a所示的“全部填充”對(duì)話框，可以根據(jù)孔的類型搭配選擇不同的方法進(jìn)行填充，圖4-51b為三種不同的選擇方法。圖4-50多邊形面片處理步驟一圖4-51多邊形面片處理步驟二

步驟三:去除特征該命令用于刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域，并且插入一個(gè)更有秩序且與周邊三角形連接更好的多邊形網(wǎng)格。但必須先用手動(dòng)的選擇方式選擇需要去除特征的區(qū)域，然后執(zhí)行“多邊形”→“去除特征”按鈕。如圖4-52所示步驟四：減少噪音該命令用于將點(diǎn)移至正確的位置彌補(bǔ)噪音，彌補(bǔ)時(shí)會(huì)使銳角變鈍看上去更為平滑。點(diǎn)擊“減少噪音”，迭代5，偏差限制在0.05mm以內(nèi)。如圖4-53所示。圖4-52多邊形面片處理步驟三圖4-53多邊形面片處理步驟四

步驟五：網(wǎng)格醫(yī)生該命令可以自動(dòng)修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷，使面片效果更佳。如圖4-54所示。

圖4-54多邊形面片處理步驟五三）數(shù)據(jù)保存

點(diǎn)擊Wrap軟件左上角軟件圖標(biāo)“文件”按鈕，文件另存為“零件名稱.stl”文件，用于后續(xù)逆向建?；蚰Ｐ颓衅枰?。保存后的文件如圖4-55所示。圖4-55STL數(shù)據(jù)保存文件任務(wù)四

三維掃描在增材制造中的應(yīng)用

如今，高精度三維掃描與增材制造技術(shù)的應(yīng)用融合在不斷加速，其在工業(yè)制造中發(fā)揮著重要作用。高精度三維掃描可以快速進(jìn)行3D打印件的尺寸合格性驗(yàn)證等，助力增材制造實(shí)現(xiàn)良好的終端應(yīng)用，高效實(shí)現(xiàn)一些定制化零件制作和小批量生產(chǎn)。我們就來(lái)介紹相關(guān)高精度三維掃描與增材制造相結(jié)合，在工業(yè)化應(yīng)用中發(fā)揮的價(jià)值。一）高精度三維掃描&選擇性激光熔化技術(shù)

選擇性激光熔化是采用激光有選擇地分層掃描固體粉末，并使熔化、凝固成形的固化層，層層疊加，生成所需形狀的零件，目前作為增材制造技術(shù)中被廣泛使用。由于其成型不受零件形狀影響，所以多用于制作一些異形結(jié)構(gòu)的零件。但是傳統(tǒng)的一些檢具和三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，受零件的形狀影響較大，不利于測(cè)量形狀復(fù)雜的零件，而高精度三維掃描通過(guò)非接觸式的三維測(cè)量方式，則不受零件形狀影響，可以快速檢測(cè)選擇性激光熔化技術(shù)制作的零件。

另外，增材制造技術(shù)中的激光熔覆技術(shù)是用激光涂覆的方法將材料進(jìn)行逐層堆積，最終形成具有一定外形的三維實(shí)體零件。其主要是用于進(jìn)行零件的修復(fù)以及一些復(fù)雜零件的直接制造。高精度三維掃描在激光熔覆技術(shù)中中，主要進(jìn)行以下兩方面的應(yīng)用：1）為修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持，通過(guò)高精度三維掃描儀獲取缺損特征的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，規(guī)劃修復(fù)方案、修復(fù)路徑及工藝參數(shù)；2）進(jìn)行全尺寸檢測(cè)，激光熔覆后，通過(guò)非接觸式三維掃描快速得到合格性檢測(cè)結(jié)果。

比如某—工件修復(fù)因長(zhǎng)期使用，工件受到了磨損，我們通過(guò)三維掃描儀掃描完整的三維數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相擬合，得到缺損部分的完整數(shù)據(jù)，為后續(xù)激光熔覆修復(fù)的路徑規(guī)劃提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。具體的流程如圖4-56所示。圖4-56數(shù)據(jù)掃描與修復(fù)具體的工件缺損部分的三維數(shù)據(jù)處理與修復(fù)制造如圖4-57和圖4-58所示。圖4-57工件缺陷修復(fù)前圖4-58工件缺陷修復(fù)后

我們根據(jù)掃描后采用激光熔覆技術(shù)對(duì)缺陷零件進(jìn)行增材制造，三維掃描檢測(cè)工程師利用激光熔覆技術(shù)對(duì)于葉片進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后，使用相關(guān)三維掃描儀進(jìn)行三維掃描，再將三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicControlX檢測(cè)軟件，以獲取檢測(cè)結(jié)果。如圖4-59和圖4-60所示。圖4-60葉片零件的三維數(shù)據(jù)檢測(cè)二）高精度三維掃描&砂型3D打印

在一些鑄造生產(chǎn)中，會(huì)通過(guò)3D打印來(lái)提高砂型模具的制作效率。但是，3D打印之后，如何進(jìn)行模具的檢測(cè)成了一道難題。高精度三維掃描可以輕松解決這一難題，通常一個(gè)50cm長(zhǎng)的砂型模具，經(jīng)過(guò)高精度三維掃描，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，約5分鐘即可得到檢測(cè)結(jié)果。

應(yīng)用案例——砂型模具尺寸檢測(cè)

使用高精度三維掃描儀，直接三維掃描砂型模具，一般尺寸在50*30*20cm的砂型模具，3分鐘即可獲取完整的三維數(shù)據(jù)。然后將將三維掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicControlX檢測(cè)軟件中，2分鐘即可完成整個(gè)模具的全尺寸測(cè)量。具體的如圖4-61，圖4-62和圖4-63所示。圖4-61砂型模具實(shí)物圖4-62砂型模具的三維掃描數(shù)據(jù)

圖4-63砂型模具的三維數(shù)據(jù)檢測(cè)三）高精度掃描數(shù)據(jù)在3D打印機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

我們?cè)谌蝿?wù)三中，經(jīng)過(guò)三維掃描和處理優(yōu)化的花灑數(shù)據(jù)“零件名稱.stl”，其實(shí)在增材制造中，只要數(shù)據(jù)完整，就可以經(jīng)過(guò)相關(guān)的增材制造所配套的切片軟件進(jìn)行切片，并經(jīng)過(guò)相關(guān)的3D打印機(jī)進(jìn)行打印加工，經(jīng)過(guò)后處理后就可以的到所需要的實(shí)物零件。常見(jiàn)的3D打印機(jī)目前應(yīng)用比較廣泛的有FDM3D打印機(jī)、超高速光固化3D打印機(jī)以及粉末融合激光3D打印機(jī)的等。下面我們以打印速度相對(duì)比較快的F190超高速光固化3D打印機(jī)為例，對(duì)任務(wù)三中的花灑數(shù)據(jù)“零件名稱.stl”進(jìn)行切片和打印。1.導(dǎo)入模型目前，常用的超高速光固化3D打印機(jī)布爾三維F190為例，相關(guān)配套的切片軟件為CHITUBOX。首先我們將花灑數(shù)據(jù)改名為“花灑.stl”，方便后面的切片與加工。我們只需要打開(kāi)CHITUBOX軟件，導(dǎo)入“花灑.stl”文件即可。具體的如圖4-64所示。2.縮放比例使用軟件的【縮放】功能，并勾選“鎖定比例”項(xiàng)，以進(jìn)行整體統(tǒng)一地模型縮放，從而調(diào)整模型大小。具體的如圖4-65所示。圖4-64導(dǎo)入模型圖4-65模型縮放比例設(shè)置

3.鏤空處理因?yàn)椴紶柸SF190超高速光固化3D打印機(jī)為無(wú)刮刀下沉，實(shí)心模型橫截面偏大，打印時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂來(lái)不及流平，中間位置不能固化；或者由于較大的橫截面積單層樹(shù)脂呈現(xiàn)的拱形高度落差大，單層固化時(shí)間較短，也可能導(dǎo)致中間部分無(wú)法及時(shí)固化。導(dǎo)致模型打印過(guò)程中出現(xiàn)缺陷。使用軟件的【鏤空】功能：一般設(shè)置壁厚為1.5-2mm均可。具體的需要根據(jù)模型進(jìn)行設(shè)置壁厚。另外填充結(jié)構(gòu)：無(wú)；精度設(shè)置為0%。并且一定要記得勾選“內(nèi)”。具體的如圖4-66所示。4.旋轉(zhuǎn)擺放從模型鏤空這不難理解，模型擺放應(yīng)遵循無(wú)大面積切片的原則，否則大面積切片位置曝光打印時(shí)，會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂流平不及時(shí)造成打印缺陷的情況，原側(cè)上以整體傾斜45°角為基礎(chǔ)做變化，力求模型整體橫截面最小化。所以我們需要對(duì)模型進(jìn)行選擇一下，重新進(jìn)行擺放。使用軟件的【旋轉(zhuǎn)】功能：調(diào)整模型位置和角度，使得模型的橫截面盡可能小，一般情況下傾斜45°擺放，即45度原則。具體的如圖4-67所示。圖4-66鏤空處理設(shè)置圖4-67旋轉(zhuǎn)擺放設(shè)置

5.模型挖孔設(shè)置由于布爾三維F190超高速光固化3D打印機(jī)是下沉式打印技術(shù)，需要對(duì)鏤空模型打兩個(gè)以上的孔洞，以便后處理能順利排出模型內(nèi)部的光敏樹(shù)脂液體，一般是在模型底部不明顯位置打孔。使用軟件的【挖孔】功能：具體的設(shè)置可以如下，形狀：圓形；尺寸：2mm;深度：5mm；選擇“連續(xù)挖孔”。具體的如圖4-68所示。6.參數(shù)設(shè)置根據(jù)不同的打印機(jī)器和模型的要求，我們需要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，只要集中在機(jī)器的參數(shù)設(shè)置、打印的參數(shù)設(shè)置和支撐的參數(shù)設(shè)置三大塊。具體參數(shù)設(shè)置界面如圖4-68、圖4-69和圖4-70所示。圖4-67模型挖孔設(shè)置圖4-68機(jī)器的參數(shù)設(shè)置圖4-69打印的參數(shù)設(shè)置圖4-70支撐的參數(shù)設(shè)置

支撐參數(shù)設(shè)定說(shuō)明：設(shè)置Z軸抬升5mm，即將模型抬升5mm；支撐有助于抗收縮應(yīng)力，減少收縮變形尤其是薄壁模型和大橫截面積模型，可以通過(guò)適當(dāng)增加支撐或支撐的粗細(xì)等，提高打印成功率。底部支撐是成功打印的關(guān)鍵，底部支撐中摸直徑，即與打印平臺(tái)接觸的支撐部位的直徑默認(rèn)5mm，厚度