基于MBD三維可視化測(cè)量的研究

羅海鋒+鐘智

摘要：隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)飛速發(fā)展，三維數(shù)模逐漸取代二維圖紙，作為產(chǎn)品研制生產(chǎn)的唯一依據(jù)，基于MBD技術(shù)ATOS光學(xué)三維數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了三維可視化測(cè)量，使人們以直觀明白的方式獲取相關(guān)信息，為三維設(shè)計(jì)向三維制造一體化轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。本文以ATOS系統(tǒng)為例，闡述基于MBD三維可視化測(cè)量的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：MBD；可視化；光學(xué)三維數(shù)字化系統(tǒng)

1.基于MBD三維可視化測(cè)量的原理

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

ATOS三維掃描儀有兩個(gè)CCD攝像機(jī)和一個(gè)中央投影單元的光學(xué)三維掃描儀，掃描儀在測(cè)量時(shí)可隨意繞著被測(cè)物體移動(dòng)，高速攝取實(shí)物表面數(shù)據(jù)。對(duì)大型物體需分塊掃描，是若干不同位置掃描的曲面能按特征點(diǎn)自動(dòng)拼接，形成一個(gè)完整的三維數(shù)字模型。

1.2 三維圖像的重建

設(shè)物體放置在水平面上，如圖2所示。設(shè)物體所在的三維空間坐標(biāo)系的X-O-Y平面在放置物體的水平面上；X軸與投影光柵的移動(dòng)方向平行且相同；Y軸與光柵的投影方向平行且同向；Z軸垂直向上，與X，Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。于是，物體表面上的任何一點(diǎn)在三維空間坐標(biāo)系里的位置為P（X，Y，Z）。

圖2 二維三維對(duì)應(yīng)示意圖

二維平面i-j與空間坐標(biāo)系的X-O-Y平面垂直，i軸與X軸的夾角為α，j軸與Z軸平行同向，于是，物體表面上的任何一點(diǎn)P（X，Y，Z）在二維坐標(biāo)系里的位置為P（i，j），在二維坐標(biāo)系i-j中，三維空間坐標(biāo)系X軸的投影（ix，jx）分別為：

ix=Xcosα+i0 （1）

jx=Xsinα+j0 （2）

三維空間坐標(biāo)系Y軸的投影（iy，jy）分別為：

iy=-Ycosβ+i0 （3）

jy=Ysinβ+j0 （4）

三維空間坐標(biāo)系Z軸的投影（iz，jz）分別為：

iz=i0 （5）

jz=Z+j0 （6）

三維空間坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)P（X，Y，Z）的投影P（ip，jp）為：

ip=Xcosα-Ycosβ+i0 （7）

jp=Xsinα+Ysinβ+j0+Z （8）

在二維圖像坐標(biāo)系中，每一條輪廓線上的任意一點(diǎn)P（ip，jp）在三維空間坐標(biāo)系中都對(duì)應(yīng)一點(diǎn)P（X，Y，Z），因此由攝像機(jī)拍攝到的二維投影圖像中含有n條切面輪廓線，根據(jù)以上投影幾何學(xué)原理，就可以重建出物體的三維空間模型。

2 測(cè)量效率

2.1 效率

本次ATOS三維測(cè)量試驗(yàn)中，選用測(cè)量尺寸數(shù)量為91個(gè)，導(dǎo)入數(shù)模并構(gòu)建91個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)一共花費(fèi)4h；試驗(yàn)使用的產(chǎn)品一共有538個(gè)尺寸，完成整個(gè)產(chǎn)品掃描一共花費(fèi)1h；工作站對(duì)掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算所花時(shí)間為25min，通過分析估算可以得出ATOS系統(tǒng)測(cè)量效率，見表1。

表1 ATOS系統(tǒng)測(cè)量效率

常規(guī)手段測(cè)量所花時(shí)間統(tǒng)計(jì)，結(jié)合產(chǎn)品尺寸精度要求以及實(shí)際生產(chǎn)情況，產(chǎn)品538個(gè)尺寸中，除形位公差、中心距離等尺寸需要CMM測(cè)量外，其余尺寸則歸為檢驗(yàn)員手動(dòng)測(cè)量，見表2。

表2 常規(guī)手段測(cè)量效率

可以看出，ATOS三維光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng)測(cè)量與常規(guī)手段測(cè)量相比，效率提升了：

（11.14-3.024）÷11.14×100%=73%

3結(jié)論

與常規(guī)測(cè)量手段相比，三維光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng)可以快速獲取大量測(cè)量實(shí)體三維信息，不但很大程度的減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，而且基于MBD技術(shù)，三維測(cè)量完全能夠在語(yǔ)義信息豐富、直觀的三維可視化環(huán)境下進(jìn)行，三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工以及檢測(cè)領(lǐng)域，大大降低生產(chǎn)及研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研制周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓爽，范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù).航空制造技術(shù)，2008，（3）.

[2]肖珺，謝曦鵬.數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010，（12）：9.