簡要：介紹了測量造型中應用的三維測量技術, 并以實物模型為例重點介紹了基于三坐標測量機（CMM）的接觸式掃描技術，表明了接觸式掃描技術在高精度測量應用中的優(yōu)勢。
1.引言
        隨著汽車、船舶、航空、航天和模具工業(yè)的飛速發(fā)展，對產品外觀、性能等方面的要求越來越高，使得自由曲面零件在現代工業(yè)中得到了越來越廣泛的應用。并且在產品和模具開發(fā)過程中，設計常常不是從已知的圖紙或理論數據開始，而是直接以實物樣件作為設計依據或參考模型。因此必須借助于坐標測量設備，從實物模型獲取數據，采用測量造型技術來得到CAD數學模型以便于進行修改，并同時生成數控代碼通過CNC生產出產品或開發(fā)制造出模具。
         由于計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數字化測量技術的迅猛發(fā)展，基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。本文介紹了測量造型中應用的三維掃描技術，對其精度、速度、適用范圍進行了分析與比較，以目前市場上流行的超薄CRT電視機中的16：9扁平玻錐和3dfamily 三坐標測量機，SP25掃描測頭為例，重點介紹了基于三坐標測量機（CMM）的接觸式掃描技術在測量造型中的應用。
2.三維掃描技術簡介
       三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的*，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。
       三維檢測技術是近十年來蓬勃發(fā)展起來的新興研究領域，常見的三維物體形狀檢測方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類，而檢測系統(tǒng)與物體的作用不外乎光、聲、機、電等方式，主要的檢測方法如下圖所示。

圖 1 三維物體形狀檢測方法

下表從精度、速度、適用范圍對主要的檢測方法進行了分析與比較。

表 各種測量方法的比較

        非接觸測頭數字化速度高,比如激光帶掃描可達到 19000 點, 3D成像每場可達 1,300,000 點（一場約需要 10 秒種）, 然而, 非接觸測頭的精度比較低,低于25 微米（100x100x100 mm3 ）, 且物體表面條件：如質地, 顏色粗糙度反光程度等，都會影響非接觸測頭的數字化效果。此外，現有光學三維測量主流技術及其設備主要針對的是漫反射物體的三維測量，難以有效地測量非漫反射物體。而在實際應用中，大量被測物體的表面性為非漫反射，特別是在工業(yè)領域，非漫反射物體更是占有較大的比重，如拋光模具等精加工零部件、印刷電路板的焊點等。對于希望作高精度拷貝的應用或生產中的精加工工件來說，使用接觸式掃描測頭仍然有不可取代的優(yōu)勢。
    接觸式測量中目前使用的和zui為可靠的方法是坐標測量機（CMM）。傳統(tǒng)的測量機多采用觸發(fā)式接觸測頭，每一次獲取自由曲面上一點的X、Y、Z坐標值。這種測量速度慢，而且很難測得較全面的曲面信息。九十年代初，一些坐標測量機生產廠家，先后研制出三維力位移傳感的掃描測量頭，這些測量頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標信息，其掃描速度可高達8m/min，數字化速度可高達500點/秒，數字化精度可以達到 1 微米，缺點是數字化速度低。
3.接觸式掃描測繪應用實例
    在玻璃制品生產中，為加快產品開發(fā)進度，除了根據用戶提供的產品圖紙進行模具設計外，對樣品實物進行測繪造型可以更好地了解產品的實際使用要求和更準確地快速確定出模具型腔尺寸。對于玻璃這樣的非漫反射物體，接觸式掃描測量在精度和速度方面具有不可取代的優(yōu)勢。
    目前市場上流行的超薄CRT電視機中的16：9扁平玻錐在3DFAMILY測量機上用3D-DMIS測量軟件中的數學找正法建立工件坐標系后，按未知曲線Digitize模式用SP25掃描測頭進行閉線掃描等高線的情況和CALYPSO內嵌CAD模塊對曲線測量結果和工件坐標系的IGES輸出。
    與非接觸測量法獲得工件外形點云數據后需要通過Surfacer、CopyCAD等RE軟件進行除噪、過濾、平滑、稀疏等預處理不同，由于主動式連續(xù)掃描測頭能夠地得到測點的坐標和法矢，所以數據預處理的工作大為簡單。對玻錐測點數據只需去除每條曲線兩端觸測點附近的幾點數據和在CAD軟件中由點構*線時的個別異常點即可。

 圖 2 CAD軟件中的測結果數據點

圖 3 產品CAD造型

       將處理后的點數據導入CAD軟件中按點→線→面的方法逐條構*線，再采用過曲線造面的方法分片構面，然后通過曲面編輯的方法得到整個產品的造型。或是通過Surfacer、CopyCAD等RE軟件進行除噪、過濾、平滑、稀疏等預處理后構造三角面片再生成曲面也可得到整個產品的造型。如圖2、3所示。
4.結束語
       對實物模型進行測量造型過程中的三維數據采集方法多種多樣，非接觸式或接觸式掃描測量都有各自的應用范圍，在高精度和非漫反射物體等的測量中，基于三坐標測量機（CMM）的接觸式掃描測頭仍然具有明顯的優(yōu)勢，并將繼續(xù)在產品和模具開發(fā)中發(fā)揮重要作用。