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重庆大学学生实验报告实验课程名称三维测量与反求工程实验指导老师开课实验室学院机械工程年级2016专业机械制造及其自动化学生姓名学号开课时间2016至2017学年第一学期总成绩教师签名机械工程学院制《三维测量与反求工程实验报告》实验报告实验名称三维测量与反求工程实验时间2016年12月1日一、实验目的1、了解三坐标测量机系统的组成，基本原理及其使用方法；2、了解曲线和曲面三维测量的基本原理和掌握基本测量方法；3、学会采用三维坐标测量机系统对曲线和曲面的测量和分析方法。二、实验器材1、青岛英柯ZC1066H三坐标测量机测量范围1000mm×600mm×600mm精度1.4µm测量精度1.5+3.3L/1000µm测头PH10M2、测量对象：鼠标外壳三、实验内容及步骤：1、标定鼠标所需测量的特征点和曲线；2、开机、测量机回零，在标准球上校准测头；3、建立工件坐标系；4、将测头移至起始特征点，沿着标定曲线开始测量；5、收集计算机采集的测量数据，并保存为*.out格式；6、将所测得的数据导入Solidworks2016软件中进行点云数据处理，并进行模型重构；7、分析重构后的模型，并进行创新方案设计。四、实验结果：实验指导教师评语：教师签名：年月日考查成绩学分0.5一、实验目的1、了解三坐标测量机的组成、基本原理及其使用方法。2、了解曲线、曲面的测量原理，并掌握其基本测量的方法。3、学会用三坐标测量机对曲线、曲面进行测量及分析方法。二、实验仪器设备1、实验设备：青岛英柯ZC1066H三坐标测量机，参数如下：测量范围1000mm×600mm×600mm精度1.4µm测量精度1.5+3.3L/1000µm测头PH10M2、测量对象：鼠标外壳3、数据处理及重构软件：Solidworks2016三、实验原理1、三维测量原理及设备本实验使用青岛英柯ZC1066H三坐标测量机完成，三坐标测量机的三个坐标轴互成直角配置。其系统组成部分如图3.1所示。图3.1三坐标测量系统组成原理测量机的主体的组成部分有：底座、臂架、测量工作台、X向、Y向、Z向导轨，Z轴支撑与平衡装置，X，Y和Z向传动系统及操作系统。其基本原理就是通过探测传感器（探头）与测量空间轴线运动的配合，对几何元素进行离散的空间点位置的获取，然后通过一定的数学计算，完成对所测得点的分析拟合，最终还原出被测的几何元素，并在此基础上计算其与理论值之间的偏差，从而完成对被测零件的检验加工。三坐标测量机是一种三维尺寸的精密测量仪器，主要用于零部件尺寸、形状和相互位置的检测。是基于三坐标测量原理，即将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测的几何尺寸、形状和位置，来判断被测产品是否达到加工图纸所标国标公差的范围内。2、逆向工程原理逆向工程(ReverseEngineering,RE)是相对于传统的正向工程(ForwardEngineering,FE)而提出的。逆向工程是针对现有三维实物，在没有技术文档的情况下，利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，再送入通用CAD/CAM系统中，作进一步的处理，从而生成NC加工路径或RP所需的模型截面轮廓数据，最后复制出实物或其原型的过程。它所涉及的关键技术包括：三维实体几何形状数据的快速获取，大型密集离散数据处理及其三维实体模型重构，快速原型及快速加工等技术。其具体流程图如图3.2所示。图3.2逆向工程流程图四、实验内容1、实验准备（1）将PH10M测头连接在三坐标测量机（含操纵杆）上，保持与探头接口、探头控制器、计算机等接口的通讯畅通，并调试好全部设备；（2）准备好实验所需的测量对象:端盖；（3）将被测端盖固定在工件夹持台上。2、数据采集（1）启动三坐标测量机的电源，同时打开计算机并进入EZ-DMIS软件界面，然后检查所有设备接口通讯并保持畅通。（2）通过标定球（已放在三坐标测量机工作台上）对PH10M测头进行标定。（3）操纵手柄，将测头移到测量的起始点附近，准备开始测量。继续转动操纵杆使测头逼近并轻触测量起始点，同时在计算机显示屏上便出现采集的数据点坐标值。采集的数据见附表。改制仿制产品二维图样、技术文档CAD模型重构PDM系统CAD/CAE系统制作系统CAM新产品快速原型产品样件模具数据采集实物或模型（4）将所有点的数据保存为*.out文件格式。3、数据处理阶段（1）按照软件Solidworks2016能识别的格式从原始测量数据中提取所需数据并保存为*.out或*.txt格式。（2）在Solidworks2016中对点云数据进行预处理，并进行曲面处理，最后完成曲面的重构。4、模型重构阶段根据鼠标曲面重构结果，对鼠标实体模型及关键实体特征进行重构，最后在实体重构的基础上进行创新性设计。五、实验数据处理1、实验数据预处理（1）将由三坐标测量机得到的*.out格式实验数据整理成*.txt文本格式（见附录），在Solidworks2016Scanto3D插件环境下以点云的方式导入。原始数据导入后如图1所示，由于测量误差以及实验过程中不可避免地存在许多干扰因素，导致测量数据与被测物的真实轮廓有一定的偏差，即数据存在噪点。图5.1原始点云数据（2）由于本次实验采集的数据相对较少，噪声点的存在会进一步降低反求结果的精度，因此有必要对噪声点进行剔除处理，在网格处理向导指令下，对点云噪点剔除处理，原始数据为271个点云数据，剔除后为260个点云数据。然后进行点云定位，噪点剔除及点云定位结果如图5.2所示，显而易见点云数据相对之前更加规整，这为之后的曲面生成奠定了基础。图5.2点云数据处理及坐标定位结果2、曲面的重构及处理（1）考虑到测量对象为曲面较多的鼠标，采用曲率采样的方式对图2所示数据点进行包络处理生成366网面片，包络结果如图5.3所示。图5.3曲面包络结果（2）如图5.3所示包络成的曲面存在较多的不规则孔洞，对曲面进行网格修补后如图5.4所示。图5.4网格修补结果3、实体模型的重构及处理（1）图5.4所示为曲面，它对应的是鼠标的上表面外壳，采用自动方式生成实体后如图5.5所示。图5.5实体模型生成结果（2）如图所示，面于面之间存在较大的棱角，进行整体平滑、局部平滑、边界平滑处理并提取所有面后得到图5.6所示结果，右图可见，原来不规则的表面进过一系列处理之后表面十分光滑。图5.6提取面结果（3）对图5.6所示的结果进行曲面剪裁，删除微小网格面后得到如图5.7所示的鼠标实体基础模型。图5.7实体模型平滑结果（4）由于在重构过程中忽视了鼠标滚轮及一些微小特征，为了得到较为准确的三维模型。最后，对鼠标滚轮等实体特征进行重构后结果如图5.8所示。图5.8重构实体模型结果六、反求结果分析在模型重构过程中，从最开始的点云数据到最终的实体模型建立，进过点的降噪处理，曲面的包络处理，到最后的三维实体平滑处理，在这些过程中都会对重构的模型与被测物实体模型相比造成一定的偏差，另外由于测量数据有限，也会造成重构模型与被测物实体模型相比造成一定偏差。而上述的偏差归结起来就是重构模型边缘的曲线误差，因此有必要对重构模型边缘曲线进行误差分析，在Solidworks2016误差分析结果如图6.1所示，可见边缘曲线误差是较大的，这主要原因是重构过程中在由曲面生成体的过程中忽略了侧面轮廓的生成导致边沿曲率与原模型误差较大。因此，在今后的模型重构过程中不能忽略任何模型特征。图6.1曲线误差分析七、创新改进设计根据以上鼠标模型重构结果（图5.8），结合人机工程学以及日常我们在使用过程中对鼠标的要求对鼠标进行创新性设计，鼠标上部设置有电量指示灯，当鼠标电量充足时，指示灯呈红色，而当鼠标电量较低以及没电时，指示灯呈黄色，这就会告诉我们鼠标电池即将耗尽，我们需要及时更换电池。人机工程学的流线型，保证了使用者长时间使用鼠标的舒适性，减少疲劳与不适。另外，为了轻型化以及提高鼠标的耐摔性，鼠标最脆弱的上面板采用炭纤维面板，而其它结构部分采用较轻的塑料复合材料。最终创新设计鼠标三维模型如图7.1所示。图7.1鼠标模型创新设计结果八、实验总结以前对逆向工程只是听说过而已，并未进行较深入的了解，更没有自己实践。通过林老师所上的三维测量及反求工程后，不仅对逆向工程及其设备原理有了较深入的了解。通过对鼠标的三维测量，并根据测量结果进行模型重构以及到最后的创新设计，让我对逆向工程的操作流程有了一定的了解，更重要的是对逆向工程的意义有了更深的理解。在完成作业的过程中，尽管遇到了许许多多的问题，比如简单的数据导入，点云的处理，曲面的包络及修改等等问题。但通过自己查阅资料以及师兄们的指导下最终顺利的完成了本次实验反求工作。通过本次实验课程，我还体会到了：实践加理论对学习更有好处，课上通过老师的讲解，加上自己的动手去做，这样才能够将知识用于实际工程问题。附录：-453.2428-334.4525-528.1705-453.4467-338.1187-528.1705-453.5528-340.7653-528.1705-454.3821-345.1074-527.3369-455.5874-349.3408-527.3382-457.6953-353.2381-526.3201-459.7365-355.6538-526.3202-462.3080-358.8151-525.5430-465.5285-360.3303-524.5104-468.6311-361.9056-523.8586-471.0186-362.9136-523.3811-472.6510-363.1742-521.6847-476.3607-364.4645-521.6847-479.4009-365.1934-520.8064-484.5759-366.4171-519.6350-490.3431-367.2175-519.5614-494.9258-368.0206-519.5615-498.4401-368.2765-518.4092-501.6942-368.2878-517.0135-504.8843-368.2153-514.7454-509.1820-368.0658-512.8824-512.5568-368.1862-512.8824-516.2415-368.2660-512.8823-519.4193-368.2016-512.8829-523.3784-367.7629-510.8708-526.7196-367.4405-510.8707-530.3001-367.3030-512.2877-535.7985-366.6523-513.4464-537.7397-366.2684-515.2340-541.8289-365.4358-517.9689-544.8649-364.9294-521.2330-548.7251-364.0665-525.9770-554.1323-362.0454-528.1998-558.6873-359.4588-529.0025-563.3937-355.7724-530.1421-565.8101-353.4996-530.1432-568.9045-349.2535-530.1432-570.6002-344.4706-530.1438-571.1328-340.3415-530.1431-570.5141-333.3814-530.1431-568.1046-327.3727-530.1431-565.9654-324.9094-530.1431-562.0685-320.9756-530.1431-557.5040-317.6365-530.1432-553.8286-315.7606-530.1432-551.2351-314.2599-528.2150-549.2917-313.5784-525.2147-541.3809-311.7700-