氣缸蓋的三維掃描及逆向設(shè)計(jì)

曹冉+葉鋒+唐超江+鎖文

摘要：本文首先介紹了三維數(shù)據(jù)的采集原理與方式。據(jù)此，先對(duì)被測(cè)件進(jìn)行預(yù)處理，并調(diào)整steinbichler三維光學(xué)掃描儀的聚焦點(diǎn)，修改COMETplus-2m軟件參數(shù)，再進(jìn)行點(diǎn)云采集與擬合，最后運(yùn)用Geomagic Qualify軟件對(duì)片體進(jìn)行修整，使用UG軟件進(jìn)行逆向造型，得到產(chǎn)品的最終模型。在點(diǎn)云的采集、擬合過(guò)程中，對(duì)點(diǎn)云無(wú)法自動(dòng)拼接及氣道區(qū)域掃描不到兩個(gè)問(wèn)題給出了簡(jiǎn)單且實(shí)用的解決措施。

關(guān)鍵詞：三維掃描；數(shù)據(jù)采集；點(diǎn)云；逆向設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）35-0230-02

3D Scanning and Reverse Design of Cylinder Head

CAO Ran，YE Feng，TANG Chao，JIANG Suo-wen

（Changzhou Key Laboratory of Large Plastic Parts Intelligence Manufacturing， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China）

Abstract：This paper first introduces the principle of 3d data acquisition and way. Preprocessing， accordingly， the first thing to be measured and adjust the steinbichler focal point of three-dimensional optical scanner， modify COMETplus - 2m software parameters， and then to the collection and fitting of the point cloud finally using Geomagic software Qualify to trim strip， reverse modeling using UG software to get the final model products. In the process of collecting， fitting point cloud， the point cloud can't automatic splicing and airway scans the area less than two gives a simple and practical solutions.

Key words： 3D scanner； data acquisition； point cloud； the reverse design

1 引言

逆向設(shè)計(jì)是一個(gè)從有到無(wú)的過(guò)程，根據(jù)已經(jīng)存在的模型，用一定的測(cè)量設(shè)備對(duì)模型進(jìn)行測(cè)量，獲得三維輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用三維幾何建模方法重新構(gòu)建實(shí)物的CAD模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過(guò)程[1]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是從產(chǎn)品到數(shù)據(jù)模型再到產(chǎn)品的一個(gè)過(guò)程。本文主要說(shuō)明了利用三維掃描儀和COMETplus-2m軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集并擬合的一些方法，最后生成CAD模型。

2 數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)的采集是逆向設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要步驟，如今數(shù)據(jù)的測(cè)量方式主要分為3種方式：接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量和斷層式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要是以三坐標(biāo)測(cè)量為代表，擁有較高的準(zhǔn)確性，但是會(huì)受到被測(cè)工件材料的影響。本文介紹非接觸式測(cè)量，運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為3D掃描儀，如圖1所示。測(cè)量方法有激光三角形法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)分析法等[2]。非接觸式測(cè)量因其測(cè)量簡(jiǎn)易，并且不受被測(cè)工件材料而影響測(cè)量，發(fā)展迅速。非接觸式測(cè)量的精度易受工件的表面反射特性以及環(huán)境溫度的影響，所以在測(cè)量時(shí)應(yīng)噴涂顯影劑來(lái)減小采集到的數(shù)據(jù)誤差。

三維光學(xué)掃描儀采用的是基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)，在物體表面投射光柵后，由兩攝像機(jī)拍攝產(chǎn)生畸變的圖像，利用相位解碼獲取每一點(diǎn)的相位信息，再結(jié)合極線幾何約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩幅圖像上點(diǎn)的匹配，最后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，利用三角計(jì)算點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)物體表面三維輪廓的測(cè)量。

本次測(cè)量采用德國(guó)steinbichler三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并運(yùn)用COMETplus軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，按照下列步驟進(jìn)行。

1）測(cè)量設(shè)備校核：在掃描前，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行校核，使掃描儀的兩個(gè)鏡頭的光點(diǎn)聚焦到一點(diǎn)。

2）環(huán)境控制：掃描時(shí)，需室內(nèi)溫度恒定，設(shè)定在33度左右，由于該測(cè)量方式采用光學(xué)原理，因此室內(nèi)光線不能過(guò)亮。此外被測(cè)件應(yīng)靜置在工作臺(tái)上，不能振動(dòng)。

3）被測(cè)件預(yù)處理：一般情況下，通過(guò)在被測(cè)件上貼參考點(diǎn)來(lái)使掃描出來(lái)的點(diǎn)云通過(guò)參考點(diǎn)進(jìn)行擬合，但本次被測(cè)件特征明顯，可以很好的進(jìn)行拼接，所以不需要貼參考點(diǎn)。本次測(cè)量的氣缸蓋表面顏色顯暗黑色，所以需在被測(cè)件表面噴涂顯影劑來(lái)使被測(cè)件達(dá)到測(cè)量要求。在噴涂顯影劑時(shí)，要求噴涂的越薄越好，以便減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差。

4）測(cè)量路徑：在測(cè)量時(shí)，需要規(guī)劃好測(cè)量得路徑，這樣可以快速準(zhǔn)確的完成測(cè)量。

在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，COMETplus-2m軟件會(huì)得到點(diǎn)云圖像，在采集到的點(diǎn)云特征明顯的情況下，點(diǎn)云圖片會(huì)自動(dòng)拼接，但是如果掃描出來(lái)的點(diǎn)云特征不明顯，就需手動(dòng)調(diào)節(jié)，找到兩張圖的特征部位，做上標(biāo)記，從而進(jìn)行手動(dòng)拼接，如圖2所示。在拼接圖像時(shí)，需要通過(guò)多次匹配來(lái)使得偏差達(dá)到最小，一般要求在0.02內(nèi)。

3 點(diǎn)云的處理及模型的重建

把STL文件導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件，經(jīng)過(guò)降噪、修補(bǔ)和調(diào)整坐標(biāo)系后，如圖4所示。然后用NX10.0進(jìn)行產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了逆向設(shè)計(jì)中對(duì)現(xiàn)有模型的數(shù)據(jù)采集，在采集數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)用的一些技巧和方法，并對(duì)掃描模型的特殊部位運(yùn)用不同的掃描方法，在此基礎(chǔ)上基于COMETplus-2m軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終完成模型的數(shù)據(jù)采集。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅大兵.逆向工程中數(shù)字化測(cè)量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理[J].2005（9）：56-57.

[2]王宏濤，周儒榮，張麗艷.現(xiàn)代測(cè)量方法在逆向工程數(shù)據(jù)采集技術(shù)中的利用[J].2003（4）：2-3.

[3]李大鵬.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在逆向工程中的應(yīng)用[J].2007（7）：72-73.