实验《复杂零件三维扫描实验》指导书
现代设计课内实验实验项目编号： 02010280b 00211337
实验项目名称：复杂零件三维扫描实验（中文）
实验类型：验证
实验学时数：4学时
每组核定人数：6人
适用专业：机械制造
先修课程和环节：掌握机械设计的基础理论；创新设计理论和方法；反求设计基本理论，过程
一、实验目的
1、训练学生熟练掌握机械零件几何量的检测方法和手段，了解零件的几何量的反求分析过程。

2、了解三维扫描的基本原理、扫描点云的后处理，加深根据扫描数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程认识。

3、初步了解逆向工程中使用的各种软件。

二、实验设备
北京天远OKIO扫描仪。

精度0.03mm。

1 所示为控制云台的螺杆，可以调节云台上下旋转；
2所示为控制云台的螺杆，可以调节云台水平旋转；
3所示为控制云台的螺杆，可以调整云台左右旋转；
4所示为固定测量头的两个螺丝，用来把测量头固
定到云台上。

三、实验原理
三维扫描仪设备应用于逆向工程技术介绍：①三维扫描速度极快，数秒内可得到100多万点；②一次得到一个面，测量点分布非常规则；③精度高，可达0.03mm；④单次测量范围大（激光扫描仪一般只能扫描50mm宽的狭窄范围）；⑤便携，可搬到现场进行测量；
⑥可对较重、大型工件（如模具、浮雕等）进行测量；⑦大型物体分块测量、自动拼合；⑧大景深：300~500mm；⑨可采集彩色数据。

结构光三维扫描原理：三维扫描仪光栅编码法测量组成原理如图所示，光源照射光栅，经过投射系统将光栅条纹投射到被测物体上，经过被测物体形面调制形成测量条纹，由双目
摄像机接受测量条纹，应用特征匹配技术、外极线约束准则和立体视觉技术获得测量曲面的三维数据。

四、实验步骤
(0)系统标定
摄像机定标（标定）是得到三维世界中物体点的三维坐标与其图像上对应点的函数关系的过程。

摄像机定标的精度是决定了系统扫描精度的重要
因素。

定标中需要使用到定标块。

摄像机定标通过拍摄标
定块在不同位置的图像，来实现对系统的标定。

本系统采
用平面标定块，为了能测量空间三维物体，标定块应该放
置在不同的位置，尽量充满待测物体的每次扫描区域可能
占据的空间。

摄像机定标时系统会让用户拍摄若干不同的点位置和三个不同的面位置的定标块图像，摄像机定标的主要步骤如下：
1)从系统菜单进入标定算法模块。

2)将标定块取出，放置到摄像机系统的视野下，尽量覆盖全部的摄像机视野。

3)点击拍摄按钮，拍摄第一幅测量，系统进入计算分析。

4)按照系统要求，调整定标块位置。

也可以通过调节摄像机的调节手柄，调整摄像机
相对位置，拍摄第二次和第三次。

5)将标定块反向，使其背面全白的平面朝上放置。

6)按照系统提示，拍摄图像第一次测量。

若失败，则重新拍摄。

尽量覆盖全部的摄像
机视野。

7)按照系统提示，调节摄像机背面的调节手柄，调整摄像机相对位置，拍摄第二次和
第三次。

8)系统开始进行计算，计算完成后给出标定的残余误差。

9)误差符合要求，则标定完成。

收好标定块。

(1)三维扫描：
10)喷上显像剂，注意喷涂均匀。

11)粘贴标志点，注意间隔均匀，不规则。

12)打开OKIO软件，点击“扫描”下的，“标志点拼接”按钮。

13)开始扫描第一次，扫描完成后，设置保存文件的位置和名称。

14)将工件移动到视野下的合适位置。

点击“标志点拼接”进行第二次扫描，扫描完成
后，确认能否拼接，若误差过大，则系统自动取消这次扫描的数据，提示重新扫描。

15)第二次扫描后，将需要删除的点，通过“删除点”按钮去除多余的杂点。

16)点击“拼接当前数据”，将第二次的点云数据拼接到第一次的数据上。

17)系统提示拼接误差。

确认。

18)重复第5-8步的过程，直到完成了整个零件的所需要部位的全部位置的扫描。

19)导出数据。

点击文件下的到处数据，选择格式为asc文件。

导出。

使用“写字板”
打开刚刚导出的asc文件，确认数据导出。

20)若需要，可以导出STL格式。

(2)点云处理：
Surfacer主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点——曲线——曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。

其流程如下：
1.点过程
1)读入点阵数据，Surfacer 可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其
它格式，例如：STL、VDA 等。

2)将分离的点阵对齐在一起(如果需要)。

有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获
得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。

Surfacer可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点的信息将点阵准确对齐。

3)对点阵进行判断，去除噪音点(即测量误差点)。

由于受到测量工具及测量方式的限
制，有时会出现一些噪音点，Surfacer 有很多工具来对点阵进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。

4)通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲面。

一个零件，是由很多单独的曲面
构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成。

例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点阵；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。

提前做出规划可以避免以后走弯路。

5)根据需要创建点的网格或点的分段。

Surfacer 能提供很多种生成点的网格和点的分
段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。

2.曲线创建过程
1)判断和决定生成哪种类型的曲线。

曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的
(捕捉点阵代表的曲线主要形状)，或介于两者之间。

2)创建曲线。

根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。

控制点增多则
形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。

3)诊断和修改曲线。

可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点阵
的吻合性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。

Surfacer 提供很多工具来调整和修改曲线。

3.曲面创建过程
1)决定生成那种曲面。

同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面(例
如 class 1 曲面)，或两者兼顾，可根据产品设计需要来决定。

2)创建曲面。

创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面(Fit free form)，可
以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面。

还可以通过其它例如园角、过桥面等生成曲面。

3)诊断和修改曲面。

比较曲面与点阵的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其它曲面的
连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点阵对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。

五、注意事项
1、注意喷涂的均匀。

若白色物体，如石膏，可不需要喷涂。

2、注意的黏贴点的间隔距离和位置，不能在测量过程中掉落。

3、扫描过程中保持合适的光照，不宜在过暗和过亮的场景中实验。

4、扫描过程中注意物体的摆放位置，合理的摆放位置和次序可以减少测量的时间和次数，并且降低测量的误差。

注意物体摆放的稳定性。

5、点云到CAD模型的构建需要使用Surfacer软件进行，请同学课后自行利用课余时间操作。

6、本验所用设备均为高精密测量仪器仪表，请同学们务必小心取用。

损坏原价赔偿。

六、实验报告及思考题
实验报告包括以下内容：实验名称、实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤。

并对以下问题进行回答.
1、搜索文献，总结光栅法的测量原理是什么？
2、在标定过程中，有何注意事项？结合实验过程总结。

3、结合实验过程，简述如何降低本实验的误差？
4、结合实验过程，总结三维扫描过程中，拍摄顺序如何安排较为合理？
5、简述系统拼接的作用和基本原理。

6、总结标记点作用，思考有无替代方法。