淺談3D掃描儀的操作使用及逆向設(shè)計(jì)

劉愛山

摘 要：當(dāng)今我國(guó)正在經(jīng)歷著翻天覆地的技術(shù)革新，在各個(gè)領(lǐng)域都不斷發(fā)生著快速進(jìn)步，從當(dāng)年技術(shù)存在短板轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)如今在世界占有一席之地，不得不說，科技發(fā)展實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在如此短的時(shí)間獲得巨大的成績(jī)，3D掃描儀的存在就顯得尤為重要，通過傳統(tǒng)測(cè)繪的方式，不僅工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，而且測(cè)繪精度也很難保證，同時(shí)手工測(cè)繪的圖紙資料還無法傳輸?shù)饺S軟件中，很難進(jìn)行精準(zhǔn)快速的設(shè)計(jì)工作。本文就引入了3D掃描儀技術(shù)，通過對(duì)塑料件的自動(dòng)掃描，自動(dòng)擬合，生成了三維模型，直接導(dǎo)入到三維軟件中進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，縮短了測(cè)繪的時(shí)間，提高了測(cè)量精度，很好的解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)工期緊張的問題，在此技術(shù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大大節(jié)省了人力和物力成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益并提高了設(shè)計(jì)效果?，F(xiàn)如今，3D掃描儀已經(jīng)運(yùn)用到各行各業(yè)，汽車、飛機(jī)、船舶、醫(yī)療等各個(gè)方面，在每個(gè)領(lǐng)域都提供了極大的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞： 3D掃描; 逆向設(shè)計(jì); 塑料件 ;空調(diào)蒸發(fā)箱

1 研究的內(nèi)容與目標(biāo)

1.1研究?jī)?nèi)容

本文研究?jī)?nèi)容包括3D掃描儀技術(shù)原理，設(shè)備狀態(tài)，產(chǎn)品分類和試用范圍，3D掃描儀的試用及保養(yǎng)規(guī)范以及在工程機(jī)械及汽車空調(diào)塑料件中的應(yīng)用。

1.2研究目標(biāo)

通過3D掃描儀設(shè)備對(duì)空調(diào)蒸發(fā)箱總成噴粉、貼點(diǎn)進(jìn)行掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過CATIA或者UG等三維軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，獲取三維模型，使得此三維模型可以運(yùn)用在公司的設(shè)計(jì)工作中，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)處理。

2 研究情況

2.1掃描區(qū)域的選擇

在掃描產(chǎn)品之前，通過判斷產(chǎn)品的特性，進(jìn)行產(chǎn)品位置擺放，選取合適的鏡頭進(jìn)行掃描，以蒸發(fā)箱總成為例，蒸發(fā)箱總成首先進(jìn)行整體掃描，其次拆解為各個(gè)部件進(jìn)行掃描，蒸發(fā)箱殼體、內(nèi)外循環(huán)殼體、風(fēng)門、連桿等一系列零部件，數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要保留整體結(jié)構(gòu)，并同時(shí)要求細(xì)微結(jié)構(gòu)的真實(shí)性，故采用三維掃描儀建模，就可以快速識(shí)別整套產(chǎn)品，縮短設(shè)計(jì)周期，增加數(shù)據(jù)精度，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提升設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2三維掃描儀設(shè)備的選擇

三維掃描儀是通過掃描轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)為優(yōu)質(zhì)的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并提供全面的后處理功能。通過將測(cè)量數(shù)據(jù)跟CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析假色圖，二維截面或者檢測(cè)點(diǎn)等內(nèi)容，進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。一般三維掃描儀配備兩種鏡頭，1.5mm和0.4mm分別應(yīng)用于300鏡頭和SO 70鏡頭，CP40/MV700標(biāo)定盤用于標(biāo)定300鏡頭，CP40/MV100標(biāo)定盤用于標(biāo)定SO70鏡頭。選用合適的鏡頭進(jìn)行貼點(diǎn)掃描快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過擬合，快速與三維軟件接口對(duì)接，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，逆向設(shè)計(jì)。為保證設(shè)備掃描精度，三維掃描儀所處的環(huán)境應(yīng)該保證無塵、干燥、恒溫、密閉空間，同時(shí)，要求掃描儀必須具備良好的便捷性，空間適應(yīng)性及環(huán)境適應(yīng)性。

2.3三維掃描過程

為了保證獲取足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行掃描儀的標(biāo)定及測(cè)量點(diǎn)的布點(diǎn)數(shù)量，其次進(jìn)行噴粉，貼點(diǎn)，最后一切準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行掃描。

進(jìn)行三維掃描要注意以下事項(xiàng)：1.掃描過程中應(yīng)避免人員走動(dòng)，造成不必要的精度誤差;2.標(biāo)定盤表面很容易受損，請(qǐng)勿用手直接接觸其表面;3.使用與產(chǎn)品配套的標(biāo)準(zhǔn)工具箱的超微纖維布清潔標(biāo)定盤表面，小心除塵，絕對(duì)不能過度試壓;4.確保所有標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)不精確。5.噴粉應(yīng)在開闊、通風(fēng)處進(jìn)行，對(duì)于吸光，反光的零件在掃描前需進(jìn)行噴粉處理，靜置15-20分鐘（以顯像劑風(fēng)干為準(zhǔn)），保證整個(gè)零件被顯像劑覆蓋。6.顯像劑使用前需搖晃使其均勻;7.噴粉后的零件放置好，用鑷子夾取坐標(biāo)點(diǎn)貼到零件表面，切記不要出現(xiàn)三點(diǎn)及其以上共線，點(diǎn)盡量分布在零件的平整表面，由于兩次掃描應(yīng)有三個(gè)以上坐標(biāo)點(diǎn)重合才能順利拼接，應(yīng)根據(jù)鏡頭的掃描范圍適當(dāng)調(diào)整貼點(diǎn)的密集度。8.對(duì)于較小的零部件，可將坐標(biāo)點(diǎn)貼在轉(zhuǎn)臺(tái)上，此時(shí)測(cè)量過程中不應(yīng)移動(dòng)零件，以免改變零件與坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置，從而影響掃描精度。9.掃描過程中，需進(jìn)行鏡頭的高度及角度調(diào)節(jié)，高度與角度調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)該保證零件始終處于鏡頭的最佳測(cè)量范圍內(nèi)，一般先調(diào)節(jié)角度后調(diào)節(jié)高度。

2.4設(shè)備存放環(huán)境要求及維護(hù)

描儀設(shè)備為高精密設(shè)備，其工作溫度范圍為5-40攝氏度，為保證其測(cè)量精度最好放置于20-26攝氏度環(huán)境溫度下，設(shè)備應(yīng)在無塵環(huán)境中存放，并注意保持室內(nèi)衛(wèi)生;2.鏡頭使用完畢后，應(yīng)用鏡蓋將其蓋上，以免進(jìn)入灰塵;3.避免在震動(dòng)大的工作環(huán)境中使用，影響標(biāo)定精度;4.轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)置于平整地面，鏡頭校準(zhǔn)周期為5-7天，更換鏡頭后必須校準(zhǔn);5.地面震動(dòng)劇烈時(shí)，應(yīng)增加鏡頭校準(zhǔn)頻率，系統(tǒng)提示鏡頭校準(zhǔn)時(shí)需校準(zhǔn);6.鏡頭輕拿輕放，嚴(yán)禁磕碰，鏡頭禁止擦拭，應(yīng)用清潔吹氣球清除表面灰塵，使用后完畢電源。

2.5點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向建模技術(shù)

掃描結(jié)束后，可通過3D掃描儀專用工作站進(jìn)行點(diǎn)云的擬合，拼接，形成完成的數(shù)據(jù)點(diǎn)云，最后將拼接好的點(diǎn)云導(dǎo)出，對(duì)接到CATIA或者UG等三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。三維掃描儀實(shí)現(xiàn)了零部件的快速逆向，可以迅速獲取點(diǎn)云，通過三維掃描儀直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不能快速連接到三維設(shè)計(jì)軟件中，故通過工作站將擬合好的stl 文件與CATIA或者UG等軟件對(duì)接，通過CATIA或者UG等軟件的設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行點(diǎn)云的處理，點(diǎn)線面獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，獲得所需的三維模型，為之后的設(shè)計(jì)建模工作，設(shè)計(jì)變更，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了基礎(chǔ)，大大提高了設(shè)計(jì)工作的便捷性及準(zhǔn)確度。

結(jié)束語

通過本次研究，了解了3D激光掃描設(shè)備的工作原理，掌握了3D掃描的操作方法和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向建模技術(shù)，解決了獲取圖紙信息難的問題，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量到建模，再到設(shè)計(jì)的無縫連接，為改裝項(xiàng)目的全三維生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，通過技術(shù)人員的不斷追求，在3D掃描儀提供的逆向設(shè)計(jì)便利性的基礎(chǔ)之上，相信在未來會(huì)有更多的正向設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，科研水平一定會(huì)越來越好。

參考文獻(xiàn)：

[1]三維激光掃描技術(shù)在隧道收斂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].陶鈞，劉勝男.安徽建筑.2020（12）

[2]基于三維激光掃描技術(shù)的橋梁檢測(cè)應(yīng)用研究[J].駱義，趙文舉，張建.智能建筑與智慧城市.2020（03）

[3]三維激光掃描技術(shù)在道路測(cè)繪中的應(yīng)用[J].阮文龍.中國(guó)住宅設(shè)施.2020（12）

[4]船載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈蔚，惠笑，崔曉冬，欒奎峰，朱衛(wèi)東，張進(jìn).海洋技術(shù)學(xué)報(bào).2020（06）

[5]三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用[J].崔海文.技術(shù)與市場(chǎng).2020（06）

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）