Geomagic讲义整理

1Geomagicstudio讲义目录1．逆向工程概述2．Geomagicstudio软件及流程简介3．Studio入门学习4．涵盖各个阶段处理技术—甲壳虫车的逆向工程5．点阶段---点云编辑6．点云数据注册&合并7．多边形基本编辑命令8．多边形高级阶段9．基本曲面创建（探测曲率）110．基本曲面创建（探测曲率）211．高级曲面编辑12．探测轮廓线的曲面处理13．Fashion基础阶段14．创建3D特征2一、逆向工程概述1.1逆向工程定义逆向工程（ReverseEngineering，RE）也称反求工程，它是相对传统的设计而言。是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等，最后制造出产品的过程。逆向工程技术能快速建立新产品的数据化模型，大大缩短新产品研发周期，提高企业产品设计和生产效率。图1.1逆向工程流程图1.2逆向工程与正向工程的区别传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。其各自的流程如下图所示：图1.2传统工业产品造型流程检查产品功能设计图纸CAD模制造不满意最终产品仿制，改制产品二维图样，技术文CAD模型重构采集、处理仿制、改制产品制作系统CAM快速原型RP实物或模型模具产品样件新产品PDM系统3图1.3逆向工程造型流程1.3逆向工程的应用逆向工程已成为当今CAD/CAM领域内研究的热点之一。它在机械产品测量造型、计算机视觉、根据切片数据的医学影像重建等领域都有重要应用。在制造业领域内逆向工程也有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转换为CAD模型：(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAE来完成，往往需要通过试验来确定最终零件的形状，如在模具制造中经常需要通过试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具生产成本。(4)目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用CAD/CAM技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为CAD模型，继而在CAD模型基础上设计模具。(5)艺术品、考古文物的复制。(6)人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。(7)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。CAD模已存在零件零件数字化检查图纸制造不满意最终产品41.4逆向工程关键技术介绍逆向工程的关键技术包括了数据采集、数据处理、CAD模型重构等，最后应用于下游CAD直接面向生产过程。（一）、数据采集技术（1）、接触测量最初的三维数字化仪是探针式的，它一般由3～6个自由度的杆式机构和末端的探针组成，通过运动学计算得到末端探针触点的三坐标信息，其技术已比较成熟。数据处理过程中采用了数字信号处理(DSP)技术和温度补偿技术，测量精度达到0.0768～0.178mm，测量速度可达到100点/S。三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)也是广泛采用的接触式测量设备。在逆向工程应用的初期，这种接触探针式的三维数字化仪是数据采集的重要手段，具有测量精度高、适应性强的优点。但一般接触式测头测量效率低，数据需进行测头半径补偿，而且由于测量力的存在，对一些软质表面或易损伤物体表面无法进行测量。接触式测量的优点a接触式探头发展时间较长，其机械结构及电子系统己相当成熟，具有较高的准确性和可靠性;b接触式测量噪声低、精度高且重复性好:c探头是直接接触工件表面工作的，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大，基本不受上述条件限制;d被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等;接触式测量的缺点a接触式测量必须使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形状的产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度地增加:b探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度较慢:c不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏;d球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，为维持一定的精度，需经常校正探头的直径;e检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆直径;f对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是探头的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿，因此，可能会导致误差修正的问题:g接触探头在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间产生局部变形，而影响到测量值的实际度数;h测量系统的支撑结构存在静态及动态误差;5i由于探头出发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差;（2）、非接触测量非接触式测量根据测量原理的不同，有光学测量法、工业CT测量法、核磁共振(MRI)测量法、超声波测量法、电磁测量法、层析法等方式，较为成熟的是光学测量法。光学测量法又分为三角形法、结构光法、激光干涉法、计算机视觉法等。其中结构光法被认为是目前对三维形状进行测量的最好方法之一。结构光法的主要优点是测量范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作，缺点是只能测量表面曲率变化不大的较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，从而影响测量精度。同时，测量精度易受工件本身的表面色泽、粗糙度的影响，为提高测量精度，需对被测量表面涂上“反差增强剂”或喷漆处理，以减小误差。另外，还存在数据处理时间长、测量量程较短等问题。非接触式测量的优点a不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置;b测量速度非常快，不必象接触触发探头那样逐点进行测量;c软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。非接触式测量的缺点:a测量精度较差;b因非接触式探头大多数是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射条件的影响，如颜色、斜率等:c易受环境及杂散光影响，故噪声较高;d非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理比较困难;e使用CCD做探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊:f工件表面的粗糙度会影响测量结果.6数数字字化化实实验验室室数数据据采采集集设设备备仪器侧头PerceptronV4i规格：规范：V4i安装方式：6/7轴Romer手臂精度（2sigma）：0.024mm扫描速率：23040点/秒扫描频率：30HZ扫描线密度：768点/线PerceptronScanWorkV4iCimcoreInfinite7自由度关节臂＋表面数字化方法非接触式接触式光学式非光学式触发式连续式三角形法激光干涉法层析法计算机视觉法CT测量法MRI测量法超声波法结构光法7影响数据采集质量的关键因素主要包括有：a测量方法本身的精度；经过大量的技术训练来掌握最佳的测量方法。b仪器的精确校准；随时校准设备来保证测绘精度。c测量范围的限制、阻挡；d采集数据的局部缺少、被测物体表面的光洁度等。需要采用其他的显影方式来帮助数据采集。由于这些因素，测量数据一般要经过预处理后才能进行曲面拟合和CAD模型重建。（二）、数据处理技术数据处理的关键技术在于：多视拼合、噪声去除、数据简化、数据补缺。(1)多视拼合无论是接触式或非接触式的测量方法，要完成样件所有表面的数据采集，必须进行多方位采集，数据处理时就涉及到了多视拼接技术，通常处理技术是：a.对从不同视角测量的样件数据确定一个合适的坐标变换方法进行拼接。b.将从各个视图得到的点集合并到一个公共的坐标系下，从而得到一个完整的模型。c.在样件上贴固定球作为识别标签。根据每个视角观察的三个或三个以上不共线的标签来对数据进行拼合。(2)噪声去除在测量过程中，由于环境变化和其他人为的因素，数据点不可避免的会存在噪声，有必要对数据点进行去噪滤波。数据滤波通常采用标准高斯、平均和中值滤波方法。a.对于规则的数据点集，如激光扫描设备测量的单张数据呈点阵排列，采用滤波方法实现。b.对散乱的数据点集，如多视拼合后的点云，就必须先建立数据点间的邻接关系。各种滤波方法都是解决消除噪声点而又保证零件的棱、角等特征不被光滑的问题。(3)数据简化当测量数据的密度很高时，如光学扫描设备常采集到几十万、几百万甚至更多的数据点，存在大量的冗余数据,严重影响后续算法的效率，因此需要按一定要求减少测量点的数量。不同类型的点云可采用不同的简化方法，对规则点云处理技术采取等间距均匀简化、倍率简化、等量简化、弦偏差简化等方法。(4)数据补缺由于被测实物本身的几何拓扑原因或者是受到其它物体的阻挡，会存在部分表面无法测量、采集的数字化模型存在数据缺损的现象，因而需要对数据进行补缺。深孔类零件就8无法测全；在测量过程中，常需要一定的支撑或夹具，模型与夹具接触的部分，就无法获得真实的坐标数据；用于数据拼合的固定球和标签处的数据也无法测量，需要采用数据补缺技术：a.利用周围点的信息插值出缺损处的坐标，找到数据点间有一定的拓扑关系。b.对三角化后的网格模型进行补缺，对三角网格模型中接近于平面多边形的孔洞进行修复.c.通过截平面族与孔洞周围网格模型的相交和B样条曲面插值，解决修复部分与整体曲面的光滑连接问题。d.用扩散法在等值面上插入新的数据，实现三角网格模型的复杂孔洞边界的数据补缺。数据处理软件介绍目前在国际市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统，主要有：SDRC公司的ImagewareSurfacer,RaindropGeomagic公司的Geomagic、英国DelCAM公司产品CopyCAD、英国MDTV公司的STRIMandSurfaceReconstruction、英国Renishaw公司的TRACE，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如Lnigrahics中的FormFeature和PointCloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCANTOOLS功能、Cimatron9.0中的ReverseEngineering功能模块等。9二、逆向工程软件GeomagicStudio软件及流程简介GeomagicStudio是美国RaindropGeomagic(雨滴)软件公司推出的逆向工程软件。该软件是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，从点云处理到三维曲面重建的时间通常只有同类产品的三分之一。利用GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。该软件主要包括GeomagicCaptureGeomagicWrap,GeomagicShape三个模块。主要功能包括：(1)自动将点云数据转换为多边形(Polygons)(2)快速减少多边形的数目(Decimate)(3)把多边形转换为NURBS曲面(4)曲面分析(公差分析等)(5)输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGES,STL,DXF等)。GeomagicStudio的工作流程见下图。扫描对齐(ScanRegistratio