基于PTS 光柵掃描儀的模具點(diǎn)云獲取工藝研究

陳智，魏艷紅，劉仁培，沈泳華

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210016)

0 前言

熱作模具鋼既承受機(jī)械負(fù)荷，又承受熱載荷，在急冷極熱的條件下，型腔表面易出現(xiàn)許多小裂紋［1］。目前，對(duì)于模具的修復(fù)問(wèn)題，一般采用堆焊修復(fù)較為常見。隨著時(shí)代進(jìn)步，這種效率低、成本高昂、人員水平要求高的修復(fù)技術(shù)已經(jīng)漸漸不能滿足市場(chǎng)的需要，人們逐步探索出用機(jī)器人代替人工的方法去處理這些問(wèn)題。將模具堆焊與增材制造相融合便形成了模具增材再制造技術(shù)。

前處理作為模具增材再制造的主要組成部分，決定著后續(xù)分層切片以及路徑規(guī)劃的難易，顯得尤為重要。模具增材再制造前處理主要包括掃描點(diǎn)云的獲取、點(diǎn)云處理、生成NURBS曲面、生成三維實(shí)體、加工余量實(shí)體模型構(gòu)建以及增材所需模型獲取。

如今，在對(duì)于已經(jīng)獲得的點(diǎn)云進(jìn)行處理方面作了大量研究，Z．X．Yang等人［2］采用 K-means聚類算法，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行聚類分析，根據(jù)運(yùn)算時(shí)間和所得的聚類數(shù)量來(lái)確定最佳聚類數(shù)，進(jìn)行分類去噪，所得結(jié)果良好。K．K．Sareen等人［3］運(yùn)用二階段點(diǎn)云精簡(jiǎn)算法，在人臉重建方面獲得應(yīng)用，但僅適用于樣條曲面模型重建。陳璋雯等人［4］為了能夠很好的保留物體表面的一些重要特征，引入模糊熵對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)。然而，掃描獲取點(diǎn)云方法及工藝相應(yīng)的研究較少。吳陽(yáng)等人［5］針對(duì)三維激光掃描儀獲取優(yōu)質(zhì)點(diǎn)云做了研究。但是激光三維掃描增加了獲取模具點(diǎn)云的成本，而光柵三維掃描儀則可大大降低成本。

文中以PTS三維掃描儀為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析掃描的角度、噴涂的層數(shù)以及光強(qiáng)對(duì)模具點(diǎn)云獲取質(zhì)量的影響，為優(yōu)質(zhì)模具點(diǎn)云的獲取提供參考依據(jù)。

1 模具點(diǎn)云的獲取流程

點(diǎn)云是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合，其主要包括三維坐標(biāo)、色彩兩部分信息。點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)指標(biāo)包括點(diǎn)云噪點(diǎn)多少、點(diǎn)云完整性、點(diǎn)云的色差、點(diǎn)云拼接的精度等方面［5］。文中采用PTS三維掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云獲取，如圖1所示。

圖1 PTS三維掃描儀

該掃描儀采用照相式光柵技術(shù)，帶有兩個(gè)CCD攝像機(jī)和一個(gè)中央投影單元，其基本原理如下:將光柵投影到被測(cè)件表面上時(shí)，由于受到被測(cè)零件表面高度的調(diào)制，光柵影線將發(fā)生變形;通過(guò)解調(diào)該變形光柵影線，可得到被測(cè)表面的高度信息［6］。點(diǎn)云獲取的流程如圖2所示。

可以看出，點(diǎn)云處理涉及八個(gè)過(guò)程，處理過(guò)程復(fù)雜。相比其它物件，模具一般較大，如果操作不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)大量的空洞、噪點(diǎn)，甚至需要進(jìn)行重復(fù)掃描，這些將會(huì)增加后續(xù)點(diǎn)云處理的難度。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的掃描過(guò)程中，掃描的角度、顯像劑的噴涂以及光強(qiáng)會(huì)影響點(diǎn)云的獲取效果。

圖2 點(diǎn)云獲取流程圖

2 掃描角度對(duì)點(diǎn)云獲取的影響

模具點(diǎn)云主要由平面點(diǎn)云和側(cè)面點(diǎn)云組成。試驗(yàn)分別選取鏈軌節(jié)切邊下模和擠壓模為研究對(duì)象，如圖3所示，分別研究掃描角度對(duì)平面點(diǎn)云和側(cè)面點(diǎn)云的影響。

2．1 掃描角度對(duì)平面點(diǎn)云的影響

平面點(diǎn)云常常作為后續(xù)標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別以及點(diǎn)云拼接的基底部分，尤為重要。文中采取4種角度，對(duì)圖3a的鏈軌節(jié)切邊下模進(jìn)行掃描，掃描角度如圖4所示。

圖3 不同形狀模具實(shí)物圖

圖4 鏈軌節(jié)切邊下模掃描角度

為了測(cè)試拼接效果，試驗(yàn)采取兩次掃描。掃描后的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況以及點(diǎn)云獲取結(jié)果如圖5所示。

從圖5a可以看出，掃描角度為0°時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別全識(shí)別，拼接精度高，且掃描出的點(diǎn)云噪點(diǎn)較少，點(diǎn)云的完整性好。從圖5b可以看出，掃描角度為30°時(shí)，模具點(diǎn)云掃描效果較好，同時(shí)標(biāo)記點(diǎn)反射回的光線較多，能識(shí)別出大量標(biāo)記點(diǎn)，拼接效果良好。但相比0°而言，標(biāo)記點(diǎn)無(wú)法全識(shí)別，在精度方面略微有些欠缺。從圖5c可以看出，掃描角度為45°時(shí)，中央投射單元的光線經(jīng)過(guò)標(biāo)記點(diǎn)后能部分反射回來(lái)，因而能掃描出標(biāo)記點(diǎn)，但是掃描模具點(diǎn)云時(shí)，會(huì)出現(xiàn)邊角掃描不出來(lái)的情況。從圖5d可以看出，掃描角度為60°時(shí)模具表面能掃描出點(diǎn)云，這是由于中央投影單元的光線經(jīng)過(guò)模具表面后產(chǎn)生漫反射，大部分關(guān)線都能被CCD相機(jī)接收到。但是60°角度掃描時(shí)標(biāo)記點(diǎn)無(wú)法識(shí)別。這是由于入射角度過(guò)大，中央投影單元的光線經(jīng)過(guò)標(biāo)記點(diǎn)表面的反射后只有少數(shù)的光線能被CCD相機(jī)接收到，導(dǎo)致點(diǎn)無(wú)法識(shí)別出來(lái)，無(wú)法進(jìn)行下一步掃描拼接。

綜上，掃描角度0°為平面掃描的最佳角度。

圖5 標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況及點(diǎn)云獲取結(jié)果

2．2 掃描角度對(duì)側(cè)面點(diǎn)云的影響

一般情況下，模具的側(cè)面都為規(guī)則形狀，少數(shù)模具為不規(guī)則側(cè)面，側(cè)面將為后續(xù)模型處理提供定位作用，因而側(cè)面點(diǎn)云形成效果的好壞直接影響后續(xù)處理的效率與精度問(wèn)題。選取圖3b擠壓模作為掃描對(duì)象，事先將平面上的標(biāo)記點(diǎn)全識(shí)別，針對(duì)圓柱形側(cè)面采用前后左右4次掃描。標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況如圖6所示。

圖6 不同掃描角度的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況

從圖6 可以看出，0°，30°，45°以及 60°這 4 種掃描角度側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況都較差。0°，30°以及45°3種掃描角度平面點(diǎn)識(shí)別較好，但是側(cè)面點(diǎn)幾乎無(wú)法識(shí)別，這將造成側(cè)面拼接失敗。而60°時(shí)雖側(cè)面點(diǎn)可以識(shí)別，但是平面點(diǎn)無(wú)法識(shí)別，拼接也無(wú)法進(jìn)行。由此推斷良好的掃描角度應(yīng)該介于45°～60°之間，因此采取45°增加墊塊的方式改變?nèi)肷浣嵌?，使得上表面和?cè)面標(biāo)記點(diǎn)同時(shí)識(shí)別，以便拼接。增加一塊、兩塊墊塊的示意圖，如圖7所示。

圖7 墊塊增加示意圖

從圖7可以看出，墊一個(gè)墊塊后入射角變?yōu)?8．1°，墊兩個(gè)墊塊變?yōu)?71．8°。觀察加墊塊后的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況及點(diǎn)云獲取結(jié)果，如圖8所示。

從圖8a～8b可以看出，當(dāng)加一塊墊塊使入射角度變?yōu)?8．1°時(shí)，側(cè)面拼接效果良好，且掃描效果較好，噪點(diǎn)較少，點(diǎn)云的完整性較高，符合掃描結(jié)果的要求。而當(dāng)加兩塊墊塊(圖8c)時(shí)，入射角度變?yōu)榱?1．8°，正表面的標(biāo)記點(diǎn)幾乎無(wú)法識(shí)別，只能識(shí)別到側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)，拼接失敗。

圖8 45°加墊塊的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況及點(diǎn)云獲取結(jié)果

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，為使得側(cè)面點(diǎn)云得以拼接，最佳入射角度應(yīng)取在58．1°。在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)掃描角度調(diào)節(jié)時(shí)，增加墊塊是調(diào)節(jié)掃描角度的好辦法。

3 噴涂層數(shù)對(duì)點(diǎn)云獲取的影響

模具因?yàn)楸砻嫜趸淖饔靡话愣紴榘岛谏岛谏谋砻娼Y(jié)構(gòu)光的反射能力很弱，因此需要在模具的表面噴涂顯像劑。噴涂顯像劑是三維掃描過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可以幫助掃描者更加方便地得到更好的點(diǎn)云。但顯像劑噴量少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反射效果弱，得到的點(diǎn)云不理想;而顯像劑噴量多不僅浪費(fèi)顯像劑，而且導(dǎo)致一些特征消失。因此，有必要對(duì)顯像劑的噴涂層數(shù)展開研究。

為了衡量噴涂量的多少，引入一個(gè)新的參考覆蓋量β，即單位面積(每平方厘米)內(nèi)噴涂顯像劑的質(zhì)量。β的計(jì)算公式為β=X/S，其中X為噴涂顯像劑的質(zhì)量，S噴涂模具的表面積。

為了測(cè)量各噴涂層數(shù)對(duì)應(yīng)顯像劑的消耗質(zhì)量，采取稱量方法，即:事先稱量好顯像劑的質(zhì)量A以及九張白紙的質(zhì)量B，然后在模具下墊上9張白紙，根據(jù)層數(shù)要求將顯像劑噴涂在模具表面，在過(guò)程中會(huì)有顯像劑損耗，落在白紙上面。噴涂完成后稱量顯像劑的質(zhì)量C，以及白紙質(zhì)量D，那么噴涂顯像劑質(zhì)量為:

選取圖3b中的擠壓模作為研究對(duì)象，采用模具采取的噴涂層數(shù)及效果圖如圖9所示。各噴涂層數(shù)對(duì)應(yīng)顯像劑以及白紙的質(zhì)量前后變化見表1。

圖9 顯像劑噴涂層數(shù)效果

表1 各層噴涂完成后對(duì)應(yīng)顯像劑以及白紙的質(zhì)量

根據(jù)式(1)以及表1中的數(shù)據(jù)可以得出，0層無(wú)消耗，1 層消耗 2．903 g，3 層消耗 8．890 g，5 層消耗15．076 g，7 層消耗22．020 g，10 層消耗 31．526 g，每一層的消耗量接近于3．000 g。噴涂完成后依次對(duì)各層進(jìn)行掃描，標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別結(jié)果及點(diǎn)云獲取結(jié)果如圖10～11所示。

當(dāng)不噴涂時(shí)，深暗色的金屬表面在鏡頭下幾乎無(wú)標(biāo)記點(diǎn)能識(shí)別。當(dāng)噴涂1層時(shí)，依舊不明顯，且從正面掃描結(jié)果看，靠近鏡頭一側(cè)的點(diǎn)云能被掃描出，另一側(cè)點(diǎn)云稀疏，不論從標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別的角度還是從點(diǎn)云獲取的結(jié)果角度來(lái)看，都不可取。

圖10 不同噴涂層數(shù)的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況

圖11 不同噴涂層數(shù)的點(diǎn)云獲取情況

當(dāng)噴涂3層時(shí)，正面標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別狀況良好，所有能見的標(biāo)記點(diǎn)都能識(shí)別，但掃描側(cè)面時(shí)，發(fā)現(xiàn)在鏡頭下，有明顯的三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)未識(shí)別，且從圖11a的掃描結(jié)果看，點(diǎn)云整體性較差，點(diǎn)云獲取的結(jié)果存在空洞現(xiàn)象。

當(dāng)噴涂5層時(shí)，從圖10c～10d可以看出，正面和側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別狀況良好，點(diǎn)云拼接效果優(yōu)異;從圖11b中發(fā)現(xiàn)，模具側(cè)面點(diǎn)云表面存在著許多碎小的空洞。這是由于金屬表面深淺顏色不一，顏色較深的地方，5層的顯像劑噴涂量不足以覆蓋，因而一些細(xì)小的地方出現(xiàn)小型空洞現(xiàn)象，無(wú)法滿足點(diǎn)云完整性得要求。

當(dāng)噴涂7層的時(shí)侯，從圖10e～10f以及圖11c不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)論從點(diǎn)云獲取的角度還是標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別的角度，點(diǎn)云的完整性和點(diǎn)云的拼接精度方面都滿足要求。

當(dāng)噴涂10層時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)的識(shí)別滿足要求，但與7層相比，點(diǎn)云獲取的結(jié)果存在圖12的問(wèn)題。圖12a中臺(tái)階較為明顯，保留特征優(yōu)異，而圖12b中臺(tái)階趨于平滑，特征喪失。這是由于噴涂10層的量較多，使得顯像劑的顆粒覆蓋了金屬表面的特征，一些棱角的地方變得圓潤(rùn)，并且10層的噴涂也較為浪費(fèi)。

圖12 特征獲取對(duì)比

從上述分析結(jié)果看，噴涂的層數(shù)為7層，如圖9e所示。通過(guò)測(cè)量計(jì)算得出該模具的表面積S為64 967．317 5 mm2，7層消耗質(zhì)量X為22．020 g，因此覆蓋量為:β=X/S=22．020/64 967．317 5=3．389 4 ×10－4g/mm2。

當(dāng)使用顯像劑噴涂模具表面進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，為了避免浪費(fèi)且得到一個(gè)效果較為優(yōu)異的點(diǎn)云，覆蓋量為3．389 4×10－4g/mm2時(shí)最好，可以作為一個(gè)技術(shù)參考值。

4 光場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)點(diǎn)云獲取的影響

光強(qiáng)的調(diào)整是影響點(diǎn)云獲取結(jié)果優(yōu)劣的一個(gè)重要影響因素。過(guò)小的光強(qiáng)會(huì)使得鏡頭無(wú)法識(shí)別模具特征，甚至無(wú)法看清模具，而過(guò)大的光強(qiáng)也會(huì)使得一些局部特征喪失，并且會(huì)使得噪點(diǎn)增多。因此一個(gè)合適的光場(chǎng)強(qiáng)度值就很重要。而圖片的灰度與光強(qiáng)有如下表達(dá)式:

式中:G為grayscale;r為反射率;l為入射光的強(qiáng)度。因此圖像灰度與光強(qiáng)呈正相關(guān)，可以近似用圖像灰度來(lái)反應(yīng)光強(qiáng)。文中采取50，100，150，200四種灰度值，以枕塊模具(圖13)作為研究對(duì)象，得到的標(biāo)記點(diǎn)及點(diǎn)云分別如圖14～15所示。

圖13 枕塊模具

圖14 不同灰度值的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況

從圖14可以發(fā)現(xiàn)，除了灰度值為50時(shí)，一個(gè)平面只有寥寥幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)被識(shí)別到，其余3種灰度值的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別情況都較為優(yōu)異。

比較圖15a和15b，灰度值為100，150時(shí)獲取的點(diǎn)云從表面上看完整性較好。但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩圖圈中為同一部分，相比之下，灰度值150獲取的點(diǎn)云較為規(guī)整致密，后續(xù)處理得到的面較為平整連貫，而灰度值100所得的點(diǎn)云則較為斷續(xù)，后續(xù)處理得到的面需要通過(guò)電腦計(jì)算進(jìn)行連貫，較灰度值150的點(diǎn)云而言失真度較高。因此，灰度值150時(shí)結(jié)果較好。從圖15c中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰度值為200時(shí)，因?yàn)楣饩€太強(qiáng)，反射過(guò)于強(qiáng)烈，以至于周邊的環(huán)境都顯現(xiàn)白色，導(dǎo)致獲取的模具點(diǎn)云周邊有大量多余的點(diǎn)云，導(dǎo)致后處理較為麻煩。

圖15 不同灰度值的點(diǎn)云獲取結(jié)果

因此，實(shí)際掃描過(guò)程中，操作人員應(yīng)調(diào)整圖像灰度值控制在150附近，該灰度值對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)可獲得最佳點(diǎn)云。

5 結(jié)論

(1)平面掃描時(shí)，掃描角度為0°標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別全識(shí)別，拼接精度高掃描出的點(diǎn)云噪點(diǎn)較少，點(diǎn)云的完整性良好。

(2)側(cè)面掃描時(shí)，掃描角度58．1°拼接效果好，噪點(diǎn)少，點(diǎn)云完整性高。當(dāng)掃描角度不能微調(diào)時(shí)，調(diào)整物體角度也可改變掃描角度。

(3)當(dāng)用顯像劑噴涂模具表面進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，為避免浪費(fèi)且得到優(yōu)異點(diǎn)云，噴涂7層、覆蓋量為3．389 4×10－4g/mm2時(shí)最好。

(4)當(dāng)灰度值為150時(shí)，獲取的點(diǎn)云規(guī)整致密，后續(xù)處理得到的面平整連貫，相比其它而言，不會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)增多、點(diǎn)云多余的問(wèn)題。