第一章 绪论
引言
随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技信息的传播速度，产品生命周期越来越短。追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多，批量越来越小，企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争。而更重要的是产品开发速度以及上市时间的竞争，这种趋势在21世纪头10年将日趋强劲。因此产品的开发速度和制造技术的柔性和可移植性变得十分关键。
快速原型制造(Rapid Prototyping，以下简称RP)技术就是在这种背景下产生的。RP技术综合运用了计算机辅助设计技术、数控技术、激光技术、材料科学和自动化控制等技术的发展成果，采用分层增材制造的新概念取代传统的去材或变形法加工，是当代最具有代表性的制造技术之一。快速原型制造技术对所加工的零件的几何形状无特别要求，可以将给定数据还原成实体模型，即它可快速、准确地将设计思想变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速的评估、及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。
对于大多数产品，都可以在通用的CAD软件上设计出它们的模型，求得相应的数据，另一方面我们还需要对原产品进行复制或仿制加工，或进行产品的二次开发，在某些情况下由于存在多种因素的影响，如功能，工艺，外观，使得相当一些零件的形状很复杂，无法用通用的方法在CAD软件上准确的设计出它们的实物模型，而且整个开发周期长，开发成本高，因此有必要首先开发出一定比例的小的实物模型，如木模，蜡模等。反求工程(也称逆向工程Reverse Engineering)应运而生，反求工程是根据已有的实物样件，利用3D测量技术快速测得实物的数据点，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺等诸多方面。所谓“逆向工程”是相对于通常的先有设计意图再进行设计然后再加工出实物的设计流程－顺向工程而言。如图1－1所示：
逆向工程是当前用于产品开发和仿制加工的一种先进手段，是集测量技术、CAD技术、激光技术、材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术，它针对现有的工件（样品或模型），利用3D数字化测量仪器快速、准确的测得大量轮廓坐标点，并对这些坐标点进行去噪，匹配加以构建，修改后输入到CAD/CAM系统，生成NC的刀具加工路径，或输入CNC进行生成所需的模具，或者生成某种格式的文件输入到快速成形机将样品模型制造出来。
1.1 光学扫描测头的应用与发展状况
光学扫描测头就是这样一种设备，它可以将在物理空间中的被测物体复制到数据空间当中并进行重现，我们称之为建立模型。这种能力使扫描仪拥有非常巨大的应用前景。由于逆向工程技术具有广泛的应用领域和实用价值，因此，世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发和推广应用，他们无不站在21世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。目前该项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发、汽车和飞机覆盖件的快速检测和反求、快速模具、医疗及康复工程、家用电器、工业设计、工艺品制作以及儿童玩具等领域，取得了巨大的经济效益。
目前，国外不同测量原理的逆向设备已进入我国市场，如英国3D-Scanner公司、德国GOM公司以及美国、日本、比利时等国产品。国外设备虽然性能优良，但价格十分昂贵，国内企业，特别是大量的中小企业一般很难有能力购买。而且国外产品并不能完全适合我国国情，还需本土化。课题组申请的省自然科学基金资助项目，能够从整体上降低逆向工程技术在我国的使用门槛，使国内众多的中小企业能够使用这种先进技术来提高产品开发能力和市场竞争能力。
国外生产厂家采取多种方式大力推介他们的设备，如，德国GOM公司正在开发中文版测量软件。形势十分严峻,时不我待。尽快开发出提升我国制造业水平和自主创新能力的这一关键设备，是我们义不容辞的责任。
近年来，华中科技大学、上海交大、西安交大、清华大学、南京航空航天大学、大连理工大学等高校也加强了对逆向工程技术的研究。华中科技大学生产了我国第一台商品化激光线扫描台式反求设备，北京天远公司也推出了他们的产品。但总体上来看，国内的逆向工程技术研究和设备研发还处于初级阶段，设备品种单一，与国外先进技术相比还有很大差距，远没有达到大面积推广与应用的水平。
1.2 设计研究的目的和意义
逆向工程（Reverse Engineering）在传统的汽车，航空航天，通讯、家电、艺术品的快速模具制造与检测领域有着广泛的应用。它是一门集机器视觉、CAD/CAM、光学测量、数控、精密机械、图像采集与处理、工业设计为一体的高新技术，是一种对模型进行仿型测量、CAD模型重构、模型加工并进行优化评估的设计方法。作为先进制造技术重要分支，已成为吸收、消化国内外先进技术、实现产品快速开发和创新的重要手段，可以避免走自行开发中的许多弯路，极大地增强企业的竞争能力。它针对现有的模型或样品，利用3D数字化测量仪器，准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行CAD曲面重构，在此基础上再设计，实现产品“创新”。然后通过CAM系统，产生刀具NC加工代码，控制CNC设备进行产品加工，或者送到快速成型机将模型或样品快速制作出来。这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象。例如：在汽车车身等复杂覆盖件的工业设计中，形状独特而复杂的自由曲面一般不能直接建立起CAD模型，而是以制件模型（如粘土模型等）或经手工修改后的样件为设计原型，这类零件具有非常复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立非常困难。但是，一旦重构出自由曲面，并建立起CAD模型后，就可以方便地进行设计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控加工指令生成等。这就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计理念重构汽车车身CAD模型（或新产品模型），并进行反复优化评估，直到得到满意的设计结果。
扫描测量技术、设备和软件是逆向工程的重要组成部分。在产品快速设计开发、快速模具和复杂型面数控加工等方面都具有重要意义。
1.3 本文的内容安排
绪论主要阐述逆向工程的概念，光学扫描测头在逆向工程中的作用以及它的应用与发展，本次设计的目的及其重大意义。
第二章首先介绍光学扫描测头控制系统的测量原理，光学扫描测头的特点，然后详细介绍了控制系统的原理。
第三章主要介绍光学扫描测头的整体设计法案。
第四章主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择，对相应的硬件进行详细的介绍。
第五章介绍光学扫描测头的相关设计计算。
第六章进行了全文总结以及对光学扫描测头的未来展望。
1.4 本章总结
本章首先介绍逆向工程的发展背景，概念，光学扫描测头在逆向工程中的应用状况；随后介绍了逆向工程中数据获取方法和CAD建模方法，并将各种方法进行了简单比较；本次设计的目的、意义。最后对本次设计的整体安排进行了介绍。
