三维扫描技术在制造业中的应用 前言
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。
（二） 由点云数据生成曲面的三维造型技术
曲面重建可以说是反求工程的另一个核心及主要的目的，是以所扫描得到的点云数据为输入数据来重新建构曲面模型。得到产品的数据后，以反求工程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加工或RP制作，这部分即为后处理。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。
在反求工程的技术发展中有一重要课题，即是建立产品的CAD 模型，并由此可再进一步的到CAM处理或CAE的分析，而仿制出产品的外型。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反求工程的技术，反求出此产品的原CAD 模型，则并非单纯的使用一种方法即可完成，而须视此产品外型的几何特性，选择适当的处理方法，方可得出良好的几何形状，以满足产品外型的几何特性。由此可知，在曲面重建的过程中了解其曲面的特性及其曲面的数学模式，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将效率。
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。我们对于一般CAD/CAM系统较常用到的曲线、曲面作以下特点介绍：
1. Bezier 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3)。
Bezier 曲线参数表示式：
图3 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)
缺点：
A. Bezier曲线无法做区域性的控制(no local control)。
B. 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，曲线的次数也跟着提高。
2. NURBS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藉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)，除了具有和B-从曲面的量测数据中，以最小平方法的观念，结合参数最佳化等spline基函数相同的性质外，更多了加权值的加入。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。
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，方法获得曲面U、V参数方向的控制点坐标值，以建立B-spline曲面(如下图)。
对B-spline曲面以数学模式方程式表示如下：
（三） 曲面的构建
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