基于三維掃描和逆向工程產(chǎn)品的制造工藝分析

陳福德

(1.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034)

三維數(shù)據(jù)掃描是通過特定的測量設(shè)備和測量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，可進行復(fù)雜曲面的重構(gòu)、評價、改進和制造。逆向工程是根據(jù)已有的實物(或模型)通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)模重構(gòu)、模型制造等手段，將其轉(zhuǎn)化成三維數(shù)字模型，最終得到產(chǎn)品設(shè)計圖紙，是一個從有到無的過程。目前已應(yīng)用于產(chǎn)品的復(fù)制、仿制、改進及創(chuàng)新設(shè)計，是消化吸收先進技術(shù)和縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期的重要手段，廣泛應(yīng)用于機械、醫(yī)療、汽車、藝術(shù)、航空航天等領(lǐng)域?；谌S掃描與逆向工程技術(shù)，探討了產(chǎn)品數(shù)據(jù)掃描、點云處理及逆向設(shè)計工藝流程，如圖1所示。

圖1 工作流程Fig.1 Workflow

1 數(shù)據(jù)掃描

1.1 掃描儀標(biāo)定

以HSCAN系列手持式激光三維激光掃描儀為例，介紹其標(biāo)定使用方法。一般情況下，一次標(biāo)定完成后可長期使用。當(dāng)設(shè)備長期不用或者經(jīng)過長途運輸發(fā)生過振動時，需要進行標(biāo)定。標(biāo)定的步驟如下：打開掃描儀及配套掃描軟件，單擊快速標(biāo)定后進入標(biāo)定界面，將標(biāo)定板放置在穩(wěn)定的平面上，使掃描儀正對標(biāo)定板，距離為300 mm左右，按下掃描鍵，發(fā)出激光束?？刂茠呙鑳x角度，調(diào)整掃描儀和標(biāo)定板的距離，使左側(cè)陰影圓重合，然后水平移動掃描儀，使右側(cè)的梯形陰影重合，完成一個點的標(biāo)定，如圖2所示。重復(fù)上述操作，需要對5個點(圓心和4個象限點)進行標(biāo)定，從而完成設(shè)備的標(biāo)定工作。

圖2 標(biāo)定界面Fig.2 Calibration interface

1.2 貼標(biāo)記點

零件的表面質(zhì)量對掃描的效果影響較大。為了達到更好的掃描效果，需保證零件表面干凈、無污漬，任何發(fā)亮的、黑色的、透明的或反光的表面，都應(yīng)噴涂顯像劑。將標(biāo)記點均勻且無規(guī)律的粘貼于零件表面，若表面曲率變化較小，距離可以選擇大一些，反之，則調(diào)小距離，標(biāo)記點間的距離以20～100 mm為宜，如圖3所示。

圖3 貼標(biāo)記點Fig.3 Stick mark point

1.3 掃描

掃描前，先設(shè)置解析度和曝光參數(shù)等掃描參數(shù)。解析度越小，掃描細節(jié)越豐富，數(shù)據(jù)量越大。若掃描物體反光，顏色較深，可適度調(diào)高曝光參數(shù)。掃描有掃描標(biāo)記點和激光點兩個選項。掃描時，可先掃描標(biāo)記點再掃描激光點，此方法掃描精度更高，且掃描過程中過渡較為方便。將掃描儀正對模型，距離為300 mm左右，標(biāo)記點掃描完成后保存成*.UMK文件格式，在掃描標(biāo)記點數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上掃描激光點，掃描完成后將其保存為*.STL網(wǎng)格文件。

2 數(shù)據(jù)處理

掃描過程中受設(shè)備、環(huán)境等因素的影響，使得點云數(shù)據(jù)包含雜點、噪聲點，降低了被測物體表面的精度和光順度，因此數(shù)據(jù)的處理是個不可或缺的重要環(huán)節(jié)。點云數(shù)據(jù)處理主要有數(shù)據(jù)簡化、點云降噪、數(shù)據(jù)填充和數(shù)據(jù)拼合幾個步驟。由于測量過程中經(jīng)常需要一定的支撐或夾具，掃描時會將其一并掃描進去，形成體外雜點，需要將其刪除。重復(fù)掃描會使得掃描的點云數(shù)據(jù)冗余，可通過消減、采樣等方式對數(shù)據(jù)簡化。通過設(shè)置過濾噪聲點的閾值，限制點云數(shù)據(jù)中點的數(shù)量，減少噪聲點。掃描復(fù)雜物體時，會存在部分表面無法測量，造成采集的數(shù)據(jù)存在缺損的現(xiàn)象，此時需要對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)填充。要想獲得樣件表面所有的點云數(shù)據(jù)，通常需要多方位掃描，再對點云數(shù)據(jù)拼合，對點云數(shù)據(jù)進行面片重構(gòu)和優(yōu)化，從而獲得精度較高的完整點云數(shù)據(jù)。

3 模型重構(gòu)

獲取處理好的點云數(shù)據(jù)后，根據(jù)樣件結(jié)構(gòu)特征進行三維模型重構(gòu)。按照精度要求和形面復(fù)雜程度不同，有兩種重構(gòu)方法：一是基于三角面片直接建模，二是采用參數(shù)曲面建模或擬合NURBS建模。對于精度要求較低的、形面復(fù)雜樣產(chǎn)品的逆向開發(fā)，常采用第一種方式。對于精度要求較高、形面復(fù)雜樣件的逆向設(shè)計，采用第二種方法。以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由點到線、由線至面、由面成體，構(gòu)建其三維模型。對點云數(shù)據(jù)領(lǐng)域劃分，得到不同顏色、形狀的幾何特征，規(guī)則的幾何特征通過自動識別其領(lǐng)域、繪制特征線、提取截面線等方式，運用正向建模方法創(chuàng)建模型。不規(guī)則的幾何特征，通過提取特征輪廓曲線、構(gòu)建曲面網(wǎng)格、擬合曲面的方法創(chuàng)建模型。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)掃描是逆向工程的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)的精度直接影響最終模型的質(zhì)量。掃描前需要對掃描儀進行標(biāo)定，在物體表面噴涂顯像劑，粘貼標(biāo)記點，將樣件正對掃描設(shè)備，并距離控制在300 mm左右。掃描時，先掃描標(biāo)記點再掃描激光點，此方法掃描精度更高，掃描過程中過渡較為方便。對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)簡化、點云降噪、數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)拼合等處理，獲得精度較高的完整點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)采用三角面片直接建模和參數(shù)曲面建?；驍M合NURBS建模。對產(chǎn)品進行3D打印成型及檢測反饋，從而快速完成產(chǎn)品設(shè)計制造過程。