薄壁類零件三維數(shù)據(jù)測量方法探索

馬玉瓊，鄭紅偉，王偉，張玉珮

(河北工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300401)

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薄壁類零件三維數(shù)據(jù)測量方法探索

馬玉瓊，鄭紅偉，王偉，張玉珮

(河北工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300401)

摘要：現(xiàn)有三維掃描系統(tǒng)在進(jìn)行薄壁類零件測量時(shí)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定難度。以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，利用拍照式三維掃描系統(tǒng)獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助Stereo-3D及Geomagic Studio兩款軟件對點(diǎn)云進(jìn)行處理，獲得了反映葉片真實(shí)幾何形態(tài)的曲面結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量方法有效，可為其他薄壁類零件的數(shù)據(jù)測量提供參考。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測量；三維曲面；薄壁零件；點(diǎn)云

0引言

近年來，三維掃描技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在逆向工程中應(yīng)用越來越廣，但在某些領(lǐng)域仍存在一定問題。譬如在薄壁類零件的三維數(shù)據(jù)測量中，360°翻轉(zhuǎn)掃描是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[1]。以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，在進(jìn)行整體輪廓掃描時(shí)，因壁厚不超過2mm且中間無過渡面，因此正反面的標(biāo)記點(diǎn)無法拼合，獲取該類零件的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較困難。本文利用拍照式三維掃描系統(tǒng)，對光滑、反光類金屬薄壁件的數(shù)據(jù)測量方法和技巧進(jìn)行探索。

1薄壁零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片作為典型的薄壁類零件，數(shù)據(jù)測量過程具有代表性。下面對如何獲取發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行探索。

1.1　零件表面預(yù)處理

物體的表面品質(zhì)對測量結(jié)果有一定的影響。零件最理想的表面狀況是不反光、不粗糙的亞光白色。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片屬于光滑、反光類金屬薄壁件，因此需做表面處理。

1) 利用藍(lán)墨水對葉片進(jìn)行浸泡觀察效果，發(fā)現(xiàn)葉片依舊反光嚴(yán)重且表面顏色接近黑色，更不利于進(jìn)行掃描操作，所以此法不可取。2) 在葉片表面噴一薄層白色顯像劑，鑒于金屬表面光滑，噴涂的顯像劑不易附著，故噴涂完成之后，盡量不要觸碰葉片表面，以免顯像劑脫落，為后續(xù)掃描帶來困難。

1.2　拼接面的標(biāo)識(shí)

為了實(shí)現(xiàn)多視角掃描數(shù)據(jù)的拼合運(yùn)算，需將不同視角下的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，標(biāo)記點(diǎn)就是用來協(xié)助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的。因此，需在葉片表面均勻地粘貼標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)粘貼之前，需找準(zhǔn)葉片的翻轉(zhuǎn)基準(zhǔn)面。葉片底座屬于較規(guī)則六面體結(jié)構(gòu)，在翻轉(zhuǎn)過程中，可借其進(jìn)行點(diǎn)云拼接，本例中選擇底座為輔助基準(zhǔn)。

噴涂顯像劑的葉片，標(biāo)記點(diǎn)不易粘牢，采用先粘貼標(biāo)記點(diǎn)，再噴顯像劑的方法；完成顯像劑噴涂后，對于附著顯像劑的標(biāo)記點(diǎn)用濕棉簽擦干凈即可。在底座處粘貼標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在棱線特征點(diǎn)處多貼，且排列盡量錯(cuò)開，避免在一條直線上，不能呈等邊或等腰分布。

1.3　點(diǎn)云掃描方法與技巧

掃描時(shí)，首先平置葉片，完成正面點(diǎn)云獲??；將葉片底座盡可能多地放置在掃描視角中，在保證與之前所識(shí)別標(biāo)記點(diǎn)至少有四個(gè)重合的前提下，進(jìn)行一次掃描操作，識(shí)別底座棱線的標(biāo)記點(diǎn)；墊起葉片底座至一定高度，完成底座表面點(diǎn)云獲??；通過底座表面識(shí)別另一側(cè)棱線的標(biāo)記點(diǎn)；最后將另一側(cè)棱線和葉片反面標(biāo)記點(diǎn)拼合，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

鑒于葉片底座是多視角掃描的翻轉(zhuǎn)基準(zhǔn)面，翻轉(zhuǎn)過程中，需找準(zhǔn)基準(zhǔn)面在左右相機(jī)下的位置，實(shí)現(xiàn)底座表面盡可能多的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別，為拼接奠定基礎(chǔ)。選擇恰當(dāng)?shù)奈恢?，合適的方向，通過不停變換視角實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的獲取。掃描過程中，某一視角下攝像機(jī)采集到的圖像如圖1所示。

圖1　攝像機(jī)采集到的圖像信息

2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1　Stereo-3D軟件中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

為了從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征，以達(dá)到零件原形CAD模型的重建，需對三維點(diǎn)云進(jìn)行整合、拼接，得到完整的三維數(shù)據(jù)，最后將文件以*.asc格式輸出。Stereo-3D可以快速的獲取葉片表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但無法得到零件的面和體，缺乏真實(shí)感。本例采用Stereo-3D軟件處理三維掃描系統(tǒng)掃描得到數(shù)據(jù)，再利用Geomagic-studio軟件進(jìn)行除雜點(diǎn)、封裝、面片處理等[2-4]，重構(gòu)零件的三維曲面。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的點(diǎn)云如圖2所示。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)葉片點(diǎn)云圖

2.2　GeomagicStudio軟件中的三維曲面模型處理

z=f(x,y)=(a0+a1x+a2x2+a3x3)(b0+b1y+b2y2+b3y3)

(1)

即：

f(x,y)=c0+c1x+c2y+c3x2+c4xy+c5y2+c6x3+c7x2y+c8xy2+c9y3+c10xy3+c11x2y2+c12x3y+c13x2y3+c14x3y2+c15x3y3

(2)

對式(1)和數(shù)據(jù)點(diǎn)求差的平方進(jìn)行求和運(yùn)算得：

圖3　點(diǎn)云的處理過程

(3)

據(jù)式(3)求得f*(x,y)=c0*+c1*x+...+c15*x3y3的系數(shù)，得到曲面擬合函數(shù)。其中，a,b代表公式(1)函數(shù)系數(shù)，c0~c15代表公式(2)函數(shù)系數(shù)，c0*~c15*代表函數(shù)f*(x,y)的系數(shù)。

經(jīng)所得葉片曲面和點(diǎn)云進(jìn)行誤差比較，測量數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的實(shí)際數(shù)據(jù)偏差為±0.037mm，偏差分析如圖3(d)所示。處理完成的點(diǎn)云形成了曲面幾何特征，可在Geomagic Studio軟件中保存為*.STL格式，將其導(dǎo)入CAD三維軟件中進(jìn)行修改、誤差擬合、參數(shù)化設(shè)計(jì)等[6]，也可導(dǎo)入快速成型系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的再生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)逆向工程的全過程。

3結(jié)論

探索了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的數(shù)據(jù)測量方法和技巧，完成了葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理。誤差分析表明，所得結(jié)果滿足精度要求和試驗(yàn)性能指標(biāo)，驗(yàn)證了該方法的有效性，可推廣到其他薄壁類零件的三維數(shù)據(jù)測量中。

參考文獻(xiàn):

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Exploration of 3D Data Measurement Method for Thin-walled Parts

MA Yu-qiong, ZHENG Hong-wei, WANG Wei, ZHANG Yu-pei

(Engineering Training Center, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Abstract:It is difficult to acquire point clouds for thin-walled parts by 3D Scanning system. In this paper, engine blade is taken as an example and camera type 3D scanning system is used to acquire the point clouds of part. The point clouds are dealt with by Stereo-3D and Geomagic Studio to obtain surface reflecting the real geometry. The experiment result expresses this method is effective, and can gives a reference to the measurement of thin-walled parts.

Keywords:optical measurement; 3D surface; thin-walled parts; point clouds

中圖分類號(hào)：TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0153-02

作者簡介：馬玉瓊(1987-)，女，甘肅慶陽人，教師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)镃AD/CAM技術(shù)。

收稿日期：2014-10-21