光學(xué)三維掃描系統(tǒng)在模具制造中的應(yīng)用

王春光++李海霞

摘 要：目前數(shù)字化模型的獲取成為技術(shù)發(fā)展瓶頸。三維光學(xué)掃描技術(shù)可以對(duì)不規(guī)則曲面部分的數(shù)字特征進(jìn)行獲取，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理最終得到數(shù)字化模型。隨著數(shù)字化裝備制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化模型的獲取成為技術(shù)發(fā)展瓶頸。三維軟件造型技術(shù)雖然能過(guò)在一定程度上解決這一問(wèn)題，但是由于檢測(cè)手段局限，一些問(wèn)題仍無(wú)法解決，尤其是不規(guī)則曲面部分的數(shù)字特征，不借助特殊的儀器無(wú)法完成，光學(xué)三維掃描就是目前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)手段。本文以模具開(kāi)發(fā)過(guò)程為例介紹光學(xué)三維掃描技術(shù)在曲面數(shù)字特征取得過(guò)程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光學(xué)三維掃描；數(shù)字模型；數(shù)據(jù)處理

一、前期準(zhǔn)備

三維面掃描系統(tǒng)（圖1）調(diào)整與標(biāo)定，為了保證掃描精度，在設(shè)備長(zhǎng)期不用或焦距調(diào)整過(guò)之后，需要進(jìn)行標(biāo)定。這一過(guò)程類(lèi)似于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用前的標(biāo)定測(cè)頭，是系統(tǒng)初始化的過(guò)程。要求操作者一定按要求操作，以保證測(cè)量精度。在標(biāo)定時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示從幾個(gè)不同角度對(duì)焦，這主要是為了保證在掃描過(guò)程中陡峭曲面的檢測(cè)精度而進(jìn)行的操作。下面介紹面掃描儀標(biāo)定的過(guò)程。

標(biāo)定板（圖2）是一個(gè)均布了許多白點(diǎn)的大理石板，這些整齊排列的白點(diǎn)就是標(biāo)志點(diǎn)，是檢測(cè)中掃描設(shè)備所能識(shí)別的點(diǎn)，因?yàn)槠浯笮∫恢拢荒鼙舜藚^(qū)分，只是普通的標(biāo)志點(diǎn)，沒(méi)有具體編號(hào)。相對(duì)于非編碼標(biāo)志點(diǎn)，還有一種編碼標(biāo)志點(diǎn)，圖標(biāo)放大后如圖3，這些是不同型號(hào)的編碼標(biāo)志點(diǎn)，圓周或矩形分布的黑色或白色點(diǎn)提供了二進(jìn)制信號(hào)，黑點(diǎn)位置代表“1”，白點(diǎn)的位置則代表“0”，這些二進(jìn)制信號(hào)表達(dá)了標(biāo)定點(diǎn)的具體編碼數(shù)值，在點(diǎn)選系統(tǒng)標(biāo)定選項(xiàng)后，彈出對(duì)話框如圖4所示，依據(jù)系統(tǒng)提示，改變標(biāo)定板角度，以及標(biāo)定板與鏡頭之間的距離，經(jīng)過(guò)一系列的操作，直到系統(tǒng)提示標(biāo)定完成為止，操作結(jié)束。在系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中，操作者一定要注意按系統(tǒng)提示的角度擺放標(biāo)定板，且要力求準(zhǔn)確，兩個(gè)鏡頭與標(biāo)定板的中心之間距離要對(duì)稱(chēng)，這樣標(biāo)定的效果才會(huì)更理想。

完成標(biāo)定后的系統(tǒng)可以用來(lái)檢測(cè)工件了，但是為了掃描效果更好，取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更密集且精度高，掃描之前需要在工件表面噴

顯影劑，因?yàn)檫@樣會(huì)是系統(tǒng)收到更多的漫反射光，顯影劑噴完后，接下來(lái)就是粘貼標(biāo)志點(diǎn)，這些標(biāo)志點(diǎn)是中心帶白點(diǎn)的黑點(diǎn)，背面有不干膠，可以方便地粘到工件表面，再粘貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，根據(jù)工件表面調(diào)整密度，在比較平緩的表面貼的比較少，在較陡峭的表面則需要密集一些，這樣能使掃描的曲面精度更高，因?yàn)橐粋€(gè)工件的表面不可能一次掃描得到，在兩各掃描視野交界部位需要密集一些，這樣在兩次掃描時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)接定位精度高，遵循了這些原則處理完的工件如圖5所示。

二、掃描工件

做好初期準(zhǔn)備工作后，就可以進(jìn)行掃描工作了，調(diào)整工件姿態(tài)，使其在一個(gè)姿態(tài)下能盡量多的掃描到表面，調(diào)整掃描鏡頭使其到工件的距離在1m左右，掃描窗口如圖6所示，打開(kāi)系統(tǒng)和投影，然后按回車(chē)鍵，投影儀發(fā)出柵格光線并在工件表面平移，大概3秒鐘后，柵格光消失，在窗口工作頁(yè)面出現(xiàn)當(dāng)前視野內(nèi)工件的部分表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。柵格光照射在工件表面上，其柵格寬度隨工件表面遠(yuǎn)近凸凹而變化，三維光學(xué)掃描系統(tǒng)就是利用了這一現(xiàn)象，根據(jù)柵格寬窄變化計(jì)算深淺凸凹。在掃描完一個(gè)視野后，移動(dòng)掃描設(shè)備到下一個(gè)視野，移動(dòng)時(shí)注意與上一個(gè)位置的視野有3個(gè)以上的重疊標(biāo)志點(diǎn)，以便于計(jì)算機(jī)拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃到的點(diǎn)與數(shù)據(jù)如圖所示，從各個(gè)不同的視野掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用不同的顏色加以區(qū)別，根據(jù)重合的標(biāo)定點(diǎn)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了拼接。拼接精度與軟件處理能力以及掃描設(shè)備的掃描精度有關(guān)，也與視野重疊的標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)，所以再掃描時(shí)，注意掃描標(biāo)志點(diǎn)的選取，另一方面還要注意掃描效率，過(guò)多的重疊會(huì)增大數(shù)據(jù)量，這勢(shì)必造成數(shù)據(jù)處理速度降低，噪點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)增多，為后期數(shù)據(jù)處理增添麻煩，幅面太多也會(huì)增加掃描次數(shù)，降低工作效率。

三、數(shù)據(jù)處理

掃描得到的點(diǎn)云并不適合于直接用來(lái)造型，這是因?yàn)椋阂环?/p>

面，雖然一個(gè)截面內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)理論上應(yīng)該在一個(gè)平面內(nèi)，但由于測(cè)量機(jī)的誤差及其它因素的影響，所得數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值可能會(huì)有少量偏差。用這樣的一些點(diǎn)來(lái)直接造型，顯然不能滿足要求。生成的曲線可能不光順，而且不在同一個(gè)平面內(nèi)，從而使最終的表面不符合要求， 因此應(yīng)當(dāng)對(duì)讀入的點(diǎn)進(jìn)行處理。這個(gè)環(huán)節(jié)也是反求建模的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，常用的點(diǎn)云處理軟件有Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、ICEM Surf、Copy CAD 等，但是不管是哪一款軟件，在數(shù)據(jù)處理中，過(guò)程都離不開(kāi)壞點(diǎn)去除，點(diǎn)云精簡(jiǎn)，數(shù)據(jù)插補(bǔ)，數(shù)據(jù)平滑，數(shù)據(jù)分割等幾個(gè)步驟，由于掃描過(guò)程不可避免會(huì)引入測(cè)量誤差，尤其是尖銳邊角和產(chǎn)品邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周?chē)那嫫x原曲面。壞點(diǎn)又稱(chēng)跳點(diǎn)，屬于噪點(diǎn)的范疇，通常由于測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)發(fā)生改變和測(cè)量環(huán)境突然變化造成的，對(duì)于手動(dòng)人工測(cè)量，還會(huì)由于誤操作是測(cè)量數(shù)據(jù)失真。壞點(diǎn)對(duì)曲線、曲面的光順性影響較大，因此測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理首先就是要去除數(shù)據(jù)點(diǎn)集中的壞點(diǎn)。

當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)密，不但會(huì)影響曲面的重構(gòu)速度，而且在重構(gòu)曲面的曲率較小處還會(huì)影響曲面的光順性。因此，在進(jìn)行曲面重構(gòu)前，需要建立數(shù)據(jù)的空間鄰域關(guān)系和精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)。在均勻精簡(jiǎn)方法中，通過(guò)以某一點(diǎn)定義采樣立方體，求立方體內(nèi)其余點(diǎn)到該點(diǎn)的距離，再根據(jù)平均距離和用戶(hù)指定保留點(diǎn)的百分比進(jìn)行精簡(jiǎn)。在精簡(jiǎn)時(shí)要注意到：精簡(jiǎn)距離為2mm，精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云在空間分布均勻，適合數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

點(diǎn)云經(jīng)過(guò)降噪，精簡(jiǎn)后進(jìn)入創(chuàng)建多邊形環(huán)節(jié)，不同的軟件操作方法大體相同，三角片格式是stl文件，用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式。 它的文件格式非常簡(jiǎn)單，只表達(dá)三維物體形狀，不表現(xiàn)顏色等其它特征，占用空間小，應(yīng)用很廣泛。

由于測(cè)量機(jī)的限制，得到的數(shù)據(jù)會(huì)存在一些探頭無(wú)法測(cè)到的區(qū)域，另外實(shí)物零件中存在表面缺口、孔洞及溝槽等，使曲面出現(xiàn)缺口，這樣在造型時(shí)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白，影響曲面的逆向建模。為了能保證數(shù)據(jù)完整，需要對(duì)這些空白位置進(jìn)行填充，在點(diǎn)云處理軟件中最常用的是目前應(yīng)用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法主要有曲線、曲面插值補(bǔ)充法等。針對(duì)于Geomagic Studio軟件講解一下補(bǔ)洞過(guò)程，補(bǔ)洞窗口如圖所示，針對(duì)于不同的孔洞形式，補(bǔ)洞式也有所不同，

另外，還可以利用公差選項(xiàng)來(lái)執(zhí)行簡(jiǎn)化，選擇公差后，標(biāo)明公差范圍，和三角面處數(shù)量的低限，軟件會(huì)計(jì)算出一個(gè)比較適合的面片數(shù)量。同樣還是要觀察物體衰減后的的表面質(zhì)量，如果表面細(xì)節(jié)損失很多的話，就適當(dāng)?shù)陌压钪嫡{(diào)小，把三角面片低限調(diào)大些掃描數(shù)據(jù)因?yàn)槲矬w本身的光反射效果，表面大多數(shù)都是精糙的。不是平滑的，Gomagic軟件有三種平滑方式。分別是砂紙、減少噪音和松馳。因此我們需要用到光滑命令，如果在處理點(diǎn)云的時(shí)候砂紙對(duì)話框的可選項(xiàng)目只有松弛和清除兩項(xiàng)，松弛是將表面三角面片數(shù)據(jù)移動(dòng)位置與其它面片數(shù)據(jù)曲率連續(xù)。而清除是將表面數(shù)據(jù)刪除，并且改變區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)表?yè)?jù)表面的曲率連續(xù)。具體操作方法就是用光標(biāo)在粗造區(qū)域上涂沫。清除和松馳在平緩區(qū)域進(jìn)行平滑時(shí)驅(qū)別不太，而在死角，拐點(diǎn)位置平滑時(shí)，清除命令更優(yōu)于松弛命令。

經(jīng)過(guò)這一系列的處理，我們得到了工件的stl模型如圖，得到的模型可以在ug打開(kāi)，把小平面實(shí)體加厚處理，就可以進(jìn)行模具設(shè)計(jì)了。

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