基于平面图像数据的三维数控加工技术
基于图像处理的三维测量方法
基于图像处理的三维测量方法作者：冯嘉琦周唯来源：《中国新通信》 2020年第17期冯嘉琦周唯 91550部队43分队【摘要】三维测量通过获取景物的立体信息，能够对景物的几何形状进行精确地描述。
在计算机立体视觉中，基于图像的三维测量是一项非常重要的技术，其特点主要为具有较好的稳定性、较快的处理速度、较高的精度及非接触测量等。
本文主要对通过图像实施三维测量的手段和方法进行介绍，对各个方法的基本原理进行全面分析，同时对其各自的特点进行详细说明。
【关键词】图像处理三维测量方法计算机立体视觉对于传统的成像技术来说，它能够利用透视将立体的景象在二维平面上进行投影，这样会使景物的深度信息受到损失，利用复杂的暗示，人眼即便能够对物体的远近进行判别，然而针对计算机来说，暂时不能实现上述功能。
在三维测量系统中，图像的传感器是CCD摄像机，对精密测量、图像处理等技术综合运用，能够使三维的坐标测量实现非接触，其具有显著的优点，例如造价低，具有较高的自动化程度、效率和精度等，且在诸多的领域中发挥着显著作用，例如国防航天、工业产品的检测、工业产品的加工等[1]。
一、测量方法分类情况现阶段，被动式和主动式是三维测量的主要分类，其中被动式三维测量方法在测量过程中主要借助物体周围的光线，例如摄影测量法就是典型的被动式三维测量方法；主动式三维测量方法在测量过程中主要对被测量物体进行光源照明，例如结构光技术、相位测量等[2]。
具体情况如下表1所示。
二、分析三维测量中摄像机定标的原理摄影测量学是摄像机定标技术的主要来源。
数学解析方法主要应用于摄影测量学中，通常情况下，在定标期间主要通过数学方法处理图像中获得的数据。
然而，随着时代的发展，摄影测量具有非常巨大的改变，逐渐朝向自动化、实时化方向发展。
将处理对象的三维数据精确的获取到是计算机视觉和摄影测量技术最具挑战性和最基本的工作。
CCD摄像机能够三维重建物理世界，而精确的定标成像系统是对空间对应的几何关系进行确定的关键条件。
数控机床 模块三：数控铣床编程与操作加工 项目2：平面图形加工
（三）.空运行及仿真
打开程序，选择MEM（自动）工作方式，打开机床锁住开关， 按空运行键，再按循环启动键，观察程序运行情况；若按图形显 示键再按循环启动键，可进行轨迹仿真，观察加工轨迹。空运行 结束后，使空运行及机床锁住功能复位，机床重新回参考点。
（四）.零件单段运行加工
零件单段工作模式是数按控车下床上循零件环加工启过程动按钮后，刀具在执行完程序 中的一段程序后停止。通过单段加工模式可以一段一段地执行程 序，便于仔细检查数控程序。FANUC系统操作步骤如下：
则运动时间长，效率低 3.圆弧插补指令 （1）指令功能：使刀具按给定进给速度沿圆弧方向进行切削加工。 （2）指令代码：顺时针圆弧插补指令代码：G02(或G2)逆时针圆弧
插补指令代码：G03(或G3)顺时针、逆时针方向判别：从不在圆弧 平面的坐标轴正方向往负方向看，顺时针用G02，逆时针用G03。
沈阳理工大学应用技术学院
可选大些；但刀具直径小，进给量应选择小一些；深2mm，一次下刀 至目标尺寸，具体如下：主轴转速：1200r/min；进给速度：垂直加 工30mm/min；表面加工50mm/min （7)编程原点：工件上表面中心
沈阳理工大学应用技术学院
2．工艺方案： 不分粗、精加工，一次垂直下刀至要求的深度尺寸。加工路线考虑路径 最短原则即可，对于不连续图形，刀具应注意设置抬刀工艺。其参考加 工路线如下：刀具空间移动至P1上方→下刀→顺时针圆弧加工至P2点→ 直线加工至P3点→逆时针圆弧加工至P4点→抬刀→刀具空间移动至P7点 上方→下刀→直线加工至P8点→顺时针圆弧加工至P9点→抬刀→刀具空 间移动至P5点上方→下刀→直线加工至P6点→抬刀→刀具空间移动至 P5′点上方→下刀→直线加工至P6′点→ 抬刀结束加工。
计算机图形学中的三维重建与渲染技术
计算机图形学中的三维重建与渲染技术计算机图形学是现代计算机科学领域的一个重要分支，它研究如何利用计算机来处理和呈现图像和图形。
而在计算机图形学中，三维重建与渲染技术是一项十分关键的技术，它可以让我们在计算机上实现对三维物体的建模、可视化和呈现，是计算机图形学的核心技术之一。
一、三维重建技术三维重建技术是计算机图形学中研究三维模型建立的技术，它主要通过对物体的几何结构、纹理、色彩等特征进行探测、测量、分析和计算，从而重建出三维模型。
三维重建技术主要有以下几种：1.点云重建点云重建是三维重建中的一种常见技术，主要通过采用激光扫描技术等手段，将物体表面上的所有点云数据收集起来，然后利用点云数据预先定义的处理算法将其处理成三维模型。
点云重建技术可以重建出物体的真实几何形态，适用于自然风景模型、雕塑模型等。
2.多视图重建多视图重建是指基于多个视角下的图像，通过计算视点、视角、景深等参数建立三维模型。
多视图重建主要是通过利用相机、扫描仪等设备观察物体，并将获得的多张图像进行分析、处理和重建，最终得到完整、准确的三维模型。
多视图重建技术适用于建立物体表面细节特征丰富的模型。
3.立体视觉重建立体视觉重建技术是指基于人眼的两个视点，将不同的影像信息进行组合和重建，以建立真实、立体感强的三维模型。
立体视觉重建技术主要利用双目相机拍摄物体不同视点下的影像，通过计算两个影像之间的差异从而建立物体的三维模型。
立体视觉重建技术适用于建立真实、逼真的物体模型。
二、渲染技术渲染技术是指将三维模型转化为二维图像的过程，主要是通过光线追踪、阴影处理、纹理映射、透视变换等手段，将三维模型转化为视觉上真实、逼真的二维图像。
渲染技术主要包括下面几个方面：1.光线追踪光线追踪是渲染技术中的一种十分重要的技术，能够以真实方式呈现物体的阴影、反射和折射效果。
光线追踪的原理就是根据物体表面法线方向，从视点向各个方向发射光线，当光线与物体发生交叉时，计算光线的反射、折射、透明等信息，最终生成真实逼真的图像。
CIMATRON三维造型与数控编程
生成刀路：
仿真：
创建程序，并设置参数。
生成刀路轨迹
仿真结果
创建程序，选用D6的平底刀，并设置刀 路参数（如下图所示）。
保存计算生成刀路
进行仿真加工
创建清根洗程序，刀路参数如下
刀路
仿真加工
整体仿真加工
课件结束，谢谢观看
然后选择加 工曲面，选择 D20的平底刀
设置刀路参数，1.安全平面2.进刀点退刀点3.边界设置4.刀路轨迹5.设置 机床参数
单击
保存并计算，形成如下刀路。
仿真加工：
创建程序：二次开粗。轮廓不变零件曲面不变，选用D6的平底刀
设置刀路参数，1.安全平面2.进刀点退刀点3.边界设置 4.刀路轨迹5.设置机床参数
下设置，然后单击 进入下一步。
选择刀具。单击 设置，然后单击
按钮，系统弹出工艺对话框，对对话框进行如下 进入下一步
创建毛坯。单击 按钮，系统弹出初始毛坯对话框，对对话框进行 如下设置，然后单击 进入下一步。
创建程序，单击 按钮系统弹出工艺对话框，对其进行如下设置。 此时屏幕上的向导栏改变成程序向导栏。 选择加工对象：
CIMATRON三维造型与数控 编程
一、创建数控铣床 加工零件并进行加 工仿真。
二：建模操作步骤 1、新建零件文件 （1）在桌面上双击 的快捷方式，打开Cimatron E . （2）在工具条中单击“新建文件”按钮 ，系统弹出“新建文 档”对话框。
（3）在“新建文档”中选择“单位”为毫米，“类型”为 零件，单击确定按钮新建一个文件。
2、进入草图环境 （1）单击“曲线”——“草图”按钮 系统直接以默认的XOY平面为草图绘制平面，进 入草图绘制状态，绘制165X165的矩形
三维曲面的数控加工
三维曲面的数控加工在机械加工行业中，随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的迅速发展，数控机床也得到了快速发展应用。
现代模具设计与制造中，各种型腔型面设计日趋复杂，尤其是一些模具中的三维的曲面所占比例不断增加，精度与粗糙度要求越来越高，即对曲面的加工提出了更高的要求。
而在目前模具设计与制造过程中，包含三维曲面的模具基本上都是借助各种CAD/ CAM专业软件进行建模、分模和通过自动编程，利用数控机床加工完成的。
目前对三维曲面零件的加工，以采用面铣刀沿曲面参数线方向进行加工为最佳加工方式，这种加工方式具有加工精度和加工效率高，零件表面质量较好以及刀具切削状态优等特点。
为了完成对曲面的数控加工编程，首先需要在计算机上造型出曲面的三维模型。
曲面的设计数据通常以点阵数据描述，而曲面点阵数据的来源主要有两种方式：一种是通过设计手段，由设计人员根据产品的设计理论，通过计算得到这种点阵数据，其又常常是按一定规则有规律给出，三维造型相对容易；另一种是通过对手工制作的木模原型或者实物，采用三维测量仪器测量得到曲面的点云数据，这类数据点阵分布没有准确的规律，曲面三维造型相对较难。
所以，根据曲面原始数据点阵的不同情况，曲面的三维造型可分为规则点阵的曲面造型和不规则点阵的曲面造型。
创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面。
曲面是以所扫描得到的点云数据为输入数据来重新建构曲面模型。
得到产品的数据后，以反求工程软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工或RP制作，这部分即为后处理。
目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角Bezier 曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。
因此只有采用“点云数据造型曲面”功能，而在CAMAND中还没有类似功能，实践中我们借助I-DEAS中的“Fit Points to Surface”功能，把点云生成曲面，然后在I-DEAS软件中转换为CAMAND文件格式，以其作为数控编程用模型。
数控加工技术PPT课件
镗
高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很
铣
高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆
、 加 工 中 心
用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同。其优点在于：
加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍。 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削力 降低大概30%~90%，提高了加工质量。
位置 18 - 76
床
机上激光对刀仪
标准
的
工件托盘转换装置
位置 7, 20, 48
类 型
红外工件测头
可选
重量
包括工件托盘交换装置
6500 kg
7
7
数控镗、铣及加工中心加工工艺
数
控 镗 铣 、
三坐标数控镗铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床的工艺
性能外，还具有加工形状复杂的二维以至三维复杂轮廓的能力。这些复 杂轮廓零件的加工有的只需二轴联动(如二维曲线、二维轮廓和二维区域 加工)，有的则需三轴联动(如三维曲面加工)，它们所对应的加工一般相 应称为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。 对于三坐标加工中心(无论是立
19 19
第五章 数控镗、铣及加工中心加工工艺
数
控
镗
铣
、
加
工
中
心 加 工 的
立体曲面类零件:加工面为 空间曲面的零件称为立体 曲面类零件。这类零件的 加工面不能展成平面
箱体类零件：一般是指具 有孔系和平面，内部有一 定型腔，在长、宽、高方 向有一定比例的零件
异型件：外形不规则的 零件，大多要点、线、 面多工位混合加工
基于图片的三维造型及雕刻加工研究
基于图片的三维造型及雕刻加工研究张艳;张琦【摘要】此次设计结合CorelDRAW X5软件,介绍了位图与矢量图之间的格式转换,并利用AUTO CAD修复矢量图.文章以ArtCAM软件为工具,进行了蝴蝶图片的三维造型,并准确地生成了走刀路径,实现实体的加工模拟,经过后置处理生成NC程序.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】2页(P94-95)【关键词】ArtCAM;图片;雕刻【作者】张艳;张琦【作者单位】西安航空职业技术学院,陕西西安 710089;中国飞行试验研究院,陕西西安 710089【正文语种】中文随着计算机技术的发展出现了数控雕刻加工技术，该技术基于图形图像数据，是一种新型的雕刻技术，以数控加工技术、数字图像处理技术、计算机图形学为基础，对各种材料进行图案雕刻、文字雕刻的一种特种加工方法[1]。
ArtCAM是复杂立体三维浮雕设计和加工的首选CAD/ CAM软件，按照工艺利用其生成数控加工代码，并将计算机生成的数控代码传入数控机床并实现模型的数控加工。
此次设计的平面造型图案，由4部分构成：躯体、触角、翅膀、足，要构造成艺术曲面并雕刻出来。
ArtCAM是立体的、复杂的三维浮雕设计和加工的首选CAD/CAM软件解决方案，这里有两种选择：一种通过二维矢量图转换成浮雕，另一种是通过高分辨率的图片直接转换成三维浮雕。
虽然采用这两种方法都可以生成浮雕，但是形成的浮雕质量却不相同，第二种方法生成的三维浮雕边界轮廓比较模糊，并且浮雕生成过程中人为控制的方法较少，因此，通常采用二维矢量图转换成浮雕的方法进行[2]。
流程包括4步，处理图片、生成矢量图、图片的三维造型、制定加工方案、三维图片的雕刻加工。
由位图转换为矢量格式有许多软件，此次设计采用CorelDRAW附带的CorelTRACE工具对图片进行矢量化处理。
如图1所示，打开CorelDRAW X5，依次点击“文件”“导入”，插入蝴蝶图片，依次点击“位图”“Quick Trace”，点击“保存”，格式为DWG。
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Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ ５ 位 图矢量化的具体操作步骤
如下 ：
显示 “ 刀具库”对话框 ，单击铣刀图标 ，？ 设定新 刀具 ：在空 白处单击鼠标右键 — 单击 “ 创建新 刀
具”按钮 创建一把直径为 ｌ ｍｍ 球 刀。 步骤 ３ 进人 “ 刀具设置 ”对话框 ，进行相 应
步骤 １ 选择 需要 的图片 ：单击 下拉 菜单 “ 设
置” “ 运行应 用程 序” “ Ｒａ ｓ ｔ ２ ｖ ｅ ｃ － ｄ ｌ ｌ ” ，选
择要选 的图片２ “ 龙”。
的 设 置 ， 并 选 择 加 工 的 材 料 选 择 材 料
ＡＬＵＭ Ｉ ＮＵＭ ｍｍ －５ ０５ ０。
（ ７ ） 将程 序传 至数控机 床进行加 工。 由上面 的步骤可以看出 ，要应 用Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ５ 编程 必须要生成 零件 的Ｃ Ａ Ｄ 模型文件 。但是在
实 际加工 中 ，现 有 的图纸可能 是． ｊ ｐ ｇ 或． ｂ ｍｐ 等格 式 的图片文件 。此时如 果现有的图形外形不规 则 或没有尺寸标注 ，要进行Ｃ Ａ Ｄ 文件 的绘制可能会 非常复 杂。这 时针对平面 图形可以将 其进行 矢量
线” ，其它参数默认 ，一单击 “ ＯＫ ”按钮 。
完成 上述步骤后 ，在Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ ５ 绘 图区出 现矢量 化处理 完后 的图形 ，如 图４ 所 示图形 。如
总长为３ ０ ０ １ Ｔ ｌ ｎ ｌ 。然后将 “ 龙 ”的图型调整到 （ 可 先做 一个长方形的图框 围住 ） 毛坯相 应的位置 ，
数控加 工技 术是现 代制编程是数控加工 准备阶段 的主要内容 。数控编程有手工编程和 自
（ ４） 利用Ｃ Ａ Ｍ功能进 行数控编程 ，生成刀
具轨迹 。
（ ５ ） 进行加工模拟仿真 ，检查加工参数是否
合理 。
动编程 两种方法 ，随着计算机技术 的发展 ，自动
作者简介 ：李宝强 （ １ ９ ７ ３ －）男，福建厦 门人 ，实验师 ，硕士；研 究方向：快速成型及ｃ Ａ Ｄ ／ ｃ Ａ Ｍ。
４ ４《 福建轻纺 》
李 宝强 ：基 于平面图像数据 的三 维数控加 工技 术
组成 的矢量图格式 ，位 图文件需通过处理才能将 转化为其能够识别 的格式 。由于龙 的图案是 ． ｊ Ｐ ｇ
“ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ 一 １ ”会 显示 当前机床 的配置及
加 工内容 。 步骤 ２ 刀具 的设定
选择 “ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ － １ ” “ 文件 ”按钮 ，
图矢量化 功能 ，能直接进行 矢量化 处理 ，可处理
的文件包括＊ ｊ ． ｐ ｇ 、★ ． ｇ ｉ ｆ 、＊ ． ｂ ｍｐ 、★ ． ｐ ｃ ｄ 和★ ． ｔ ｉ 薛 格
选择相应 的车床 型号 ：下拉菜单选择 “ 机床
类型” “ 车床 ”一 “ 机床类 型” 一 “ Ｌ Ａ Ｔ ＨＥ
位 图文件 ，如 图２ ，Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃａ ｍ不能直接用来加
工 ，需要进 行矢量化处理 。Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ提供了位
ＭＵＬ Ｔ Ｉ Ａ ＸＩ Ｓ ＭＩ Ｌ Ｌ Ｔ ＵＲＮ ２ — ４ ｍ ｍ” ，此时在
速编制出优质可靠 的数控程序 ，为零件 的加工提 供 了更多的灵活 ｝ 生，极大地提高了编程 的工作效
率 ，同时也提 高数控机床 的利用率。
Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ５ 编程 的一般步骤如 下 ：
（ １ ） 分析零件图样 。
化 处理 后再进行编程 【 １ 】 。基于平面 图像数据 的数
步骤２ 把 原图形彩 色转换成 黑色 ：单选 “ 线 性 黑 白转换 ” ，调整 阈值 ，使 图线 清楚 ，不要有
断线 。如 图３
步骤４进入 “ 材料设 置”对话 框 ：单击 “ 材 料” “ 信息内容 ” 设置工件的直径为９ ６ ｍｍ，
步骤３ 创建草图轮廓 ：单选 “ 创建轮廓
关键词 ：Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ５ ；位 图；数控车铣复合加工
ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ —５ ５ ０ Ｘ． ２ ０ １ ３ ． ０ ０ ５
中图分 类号 ：Ｔ Ｐ ２ ７ ３
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ７ — ５ ５ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）１ ２ — ０ ０ ４ ４ ～ ０ ４
李宝强：基 于平 面图像数 据的三维数控 加 工技 术
基于平 面图像数据的三维数控加工技术
李宝强
（ 集美轻工业学校 ，福建 厦 门 ３ ６ １ ０ ２ ２ ）
摘 要 ：文章通过Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ５ 软件 实现位 图与 矢量 图之 间的格 式转换 ，并对矢量 图进行 Ｃ Ａ Ｄ建模 ，然后 进 行 四轴数控加 工工艺参数 的确定 、加 工轨迹 的动 态仿 真 ，最后 通过后 处理 自 动 生成ＮＣ 代码 ，实现平面 图像 在数 控 车削加 工 中心的三维加 工。
控加 工过程如 图１ 所示 。
（ ２ ） 创建或 导入 零件 的Ｃ Ａ Ｄ模型（ 曲面 、实 体 等） 文件 。 （ ３ ） 进行数控加工工艺分析 。
基于平面图像数据的数控加工技术是近年发
展起 来的一种先进制造技术 。该技术将 图像处理
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ９ — ０ ３
编程技术逐 步取 代了手工编程 。
（ ６ ） 进行 后处理 ，生成 Ｎｃ 加 工代码 。
Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｃ ａ ｍ Ｘ ５ 是 目前应用广泛 的一款Ｃ Ａ Ｄ ／ｃ Ａ Ｍ一体化 自动 编程软 件 ，具 有 丰富 多变 的
２ Ｄ、２ ． ５ Ｄ和多轴加 工功能 。技术人员可利 用它迅