三维扫描技术在制造业中的应用
摘要 阐述了三维扫描技术的应用范围，具体分析了三维扫描技术在制造业中的应用，着重阐述了后处理过程，并介绍了曲面造型过程中的几个关键技术并介绍了代表性的产品。?
关键词 三维扫描 反求工程 点云数据处理 CAD技术 曲面造型 前言
面向21世纪国际化市场竞争的日益激烈和高新技术的迅猛发展，使制造技术在传统技术的基础上正在发生质的飞跃，并已成为当代高新技术应用的主要战场之一。随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，并在制造业中得到越来越广泛的应用，而先后出现了数控、柔性制造单元、柔性制造系统、计算机辅助设计/制造、计算机集成制造系统、制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组技术、三维扫描技术、快速原型制造等多项先进制造技术与制造模式。制造业正经历一场新的技术革命。目前制造技术已发展成为一个蕴涵整个生产过程，跨学科高度复杂的集成技术，三维扫描技术正是其中重要的一项。与此同时，支撑制造技术的研究、开发和应用的制造工程与科学，也逐步形成一门新的学科。
一、 三维扫描技术简介(3D Scan)
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。
高速三维扫描及数字化系统在反求工程中发挥着巨大作用，高速三维扫描仪已在我国多家模具厂点得到应用,取得良好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。由于三维扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用,相信以后将发挥更大的作用。
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，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，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处会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度，但以一般除以上缺点，它可以具有很高测量精度，适合做相对尺寸的测量与质量管理；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，扫描完后在计算机读出数据，通常这部份称为反求工程前处理。 得到产品的数据数据后，以反求工程软件进行点数据处理，经过分门别类、族群区隔、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，进而可以制作RP Part，以确认机构与几何外型，或NC加工与模具制造，这些是属于后处理部份。
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，见下图（图1）：
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，因而在反求工程中应用最为广泛，激光三角形法又根据光源的不同可以分为点光源和线光源两种不同的方式，不同的方式的到的数据的组织方法是不一样的。基于接触式的连续扫描测量的方法由于具有比较高的精度，也得到了部分应用，但是从速度和价格上的指标就比非接触式差一些。
目前，有些专门研发三维扫描技术的公司将上述技术中的两种或几种结合在一起，形成了独特的复合式三维扫描仪，这种复合式三维扫描仪有的同时具备测量三维数据的功能又具有测量工件的二维轮廓的功能，巧妙的将不同扫描技术的优点结合到了一起，较好的避免了单一测量扫描方式所带来的缺点，其应用潜力巨大，也是以后三维扫描技术的发展方向。例如深圳特得维公司研发生产的TDV系列三维扫描仪便是属于此类型的产品，同时兼备了三维扫描和二维投影的功能。
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）。
二、 三维扫描在反求工程中的应用(Reverse Engineering)
进入新世纪以来，世界范围内的竞争将日趋激烈，尤其是工业领域的竞争更加白热化，市场对产品设计的要求也发生了根本的变化，多品种，小批量替代了少品种大
批量的传统生产模式，这就导致了要求降低产品、缩短设计和生产周期、提高产品质量。
反求设计方法在与传统设计方法相结合的同时，还与计算机辅助测量技术、CAD技术等紧密地联系在一起。反求设计中往往会遇到一些复杂的零部件，一般不能直接建立CAD模型，必须借助于先进的计算机辅助测量技术（三维扫描技术）来获取零部件的3D数据，并经过计算机处理之后，进行CAD建模，然后在此基础上进行创新设计。
反求工程作为对已有产品进行数据测量拟合、分析、改进设计，实现新产品开发的一种最佳手段，比从设计概念完成产品的开发的路要捷径的多，因而有效地支持了新产品响应市场的速度。可以输出快速原型制作及模具加工的多种数据格式，支持客户的不同用途。
目前，与这种从实物样件获取产品数学模型相关的技术，已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究领域，即“反求工程”(Reverse Engineering)，或称反向工程、逆向工程等，其示意图如下：
图2 反求工程系统组成示意图
三、 三维扫描技术在快速原型中的应用
快速原型（Rapid Prototyping，RP）是80年代中期发展起来的一种崭新的原型制造技术。其出发点是通过原型实体从实际尺寸来观察所设计的零件在美学、外观及基本性能上是否令人满意。近年来，由快速原型发展到快速制模，再发展到快速制造，
给制造业带来了勃勃生机。而应用三维扫描技术，更能加速这一技术的发展，由于理由比较显见，这里就不再多叙述。
四、 三维扫描技术应用过程中的数据处理技术
（一） 扫描生成的点云数据的处理
扫描得到的产品外型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—--样条的曲面反求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，在重新装夹后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，需要造型人员手工“缝合”，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