基于3D掃描儀的逆向設(shè)計(jì)

高春

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原030006）

0 引言

3D 激光掃描技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，又被稱(chēng)為實(shí)物再現(xiàn)技術(shù)，是測(cè)繪和逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次技術(shù)革新，在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注[1]。3D 激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)采集被測(cè)零件表面大量的點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再由這些點(diǎn)云構(gòu)成三角面片，最終通過(guò)這些三角面片復(fù)建出被測(cè)零件的三維模型[2]。

由于科學(xué)技術(shù)的提高和3D 掃描、3D 打印技術(shù)的成熟，3D 掃描技術(shù)被應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在逆向工程中備受青睞[3]，同樣在煤礦機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本文以煤礦機(jī)械設(shè)備的零件為例，介紹激光測(cè)距的原理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集方法以及后續(xù)逆向設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟和方法。

1 3D 掃描儀的分類(lèi)及原理

1.1 3D 掃描儀分類(lèi)

3D 掃描儀的種類(lèi)較多，有移動(dòng)式和固定式之分、接觸式和非接觸式之分等，圖1 是以接觸式和非接觸式分類(lèi)的[4]。

圖1 3D 掃描儀的分類(lèi)

從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集方法和便捷上來(lái)考慮，非接觸式的采集方法既具備了速度快又具備精度高的優(yōu)點(diǎn)，因而在逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用中最廣泛，本文選用HandySCAN 3D 非接觸式掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，外形如圖2所示。

圖2 HandySCAN 3D 掃描儀

1.2 3D 掃描儀激光測(cè)距的基本原理

3D 掃描儀激光測(cè)距的主要原理是雙三角測(cè)距原理。掃描儀向待測(cè)物表面發(fā)射兩束線(xiàn)激光，經(jīng)待測(cè)物反射后由掃描儀攝像頭接受。隨著待測(cè)物表面與掃描儀的距離變化，攝像頭感光元件上的激光光點(diǎn)的位置亦變化，可以得到待測(cè)物表面各點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定物體表面的空間位置。原理圖如圖3所示。

圖3 雙三角測(cè)距原理示意圖

圖中，O為攝像頭光心；A、G為投射在待測(cè)物上的激光光點(diǎn)；B、H為線(xiàn)狀激光器；BH線(xiàn)段表示攝像頭和激光器所在的平面；α、β 分別表示線(xiàn)狀激光器發(fā)出的線(xiàn)激光與此平面的兩個(gè)夾角；f表示攝像頭的焦距；d、d1表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)的距離；L、L1表示待測(cè)物到攝像頭光心平面的垂直距離；x、x1表示待測(cè)物與激光器之間的直線(xiàn)距離（即為所求的值）[5-8]。

由圖中所示的幾何關(guān)系可以得到△BOA∽△CDO，△OGH∽△IOJ，激光光點(diǎn)、攝像頭，與激光本身構(gòu)成三角形。根據(jù)相似三角形法則可以得到關(guān)系式：

即：

式中a、a1表示激光在照射到待測(cè)物之后反射到攝像頭感光元件上的成像點(diǎn)到邊緣的距離。隨著被測(cè)物體的距離改變，a、a1也會(huì)發(fā)生改變，兩者成反比。當(dāng)距離很近時(shí)a、a1很大，可能會(huì)超出CCD 檢測(cè)器范圍，無(wú)法測(cè)量；當(dāng)距離很遠(yuǎn)，a、a1很小則要求CCD 檢測(cè)器靈敏度較高。

根據(jù)式（2）可計(jì)算出待測(cè)物到攝像頭光心平面的垂直距離L、L1：

通過(guò)攝像頭感光元件上的激光光點(diǎn)位置，可以計(jì)算出攝像頭位于三角形中的角度。在△BEA、△FGH中，通過(guò)角α 的正弦關(guān)系可計(jì)算出待測(cè)物與激光器之間的直線(xiàn)距離x、x1為

在得到待測(cè)物外表面各點(diǎn)與線(xiàn)狀激光器之間的直線(xiàn)距離后，系統(tǒng)通過(guò)三角關(guān)系可得到各點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，換算為三維坐標(biāo)（x，y，z）。攝像頭通過(guò)感光元件接收到的激光光點(diǎn)亮度大小測(cè)得激光反射強(qiáng)度，以及對(duì)待測(cè)物表面的顏色識(shí)別得到RGB（顏色）信息。隨后系統(tǒng)將所有點(diǎn)的三維坐標(biāo) （x，y，z）、激光反射強(qiáng)度、信息集中整合RGB，形成待測(cè)物的點(diǎn)云圖像[8]。

3 耙爪逆向設(shè)計(jì)

本文以煤機(jī)上常用零件——耙爪作為逆向?qū)ο螅瓿烧麄€(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程。耙爪整體尺寸適中，一般最大外圍尺寸在1200～1500 mm 內(nèi)，實(shí)物如圖4所示。

圖4 零件實(shí)物圖

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

采用HandySCAN 3D 掃描儀和VXelements掃描軟件相結(jié)合，掃描儀最高分辨率為0.2 mm。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，在掃描之前，利用校準(zhǔn)板對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

掃描前。先設(shè)置VXelements 軟件中的參數(shù)，主要是分辨率，而分辨率根據(jù)被掃零件關(guān)鍵尺寸設(shè)定，如掃描鍵槽時(shí)可設(shè)定分辨率為0.2，掃描總體尺寸時(shí)可設(shè)定為0.5。其他參數(shù)可不設(shè)定，如特殊零件視情況參考說(shuō)明書(shū)而定。參數(shù)設(shè)定后，開(kāi)始對(duì)零件進(jìn)行逐步掃描，根據(jù)耙爪中心對(duì)稱(chēng)曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先從正面中間開(kāi)始掃描，掃描完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

SolidWorks 提供了業(yè)界內(nèi)最強(qiáng)大的點(diǎn)云、網(wǎng)格編輯功能和高級(jí)曲面處理能力，并保持了其專(zhuān)業(yè)、易用的特點(diǎn)。本文利用SolidWorks 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，將掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.stl 格式的文件，然后利用SolidWorks 軟件對(duì).stl 文件進(jìn)行逆向建模處理。

3.2.1 劃分領(lǐng)域組

劃分領(lǐng)域組是為了擬合出平面、圓柱等特征，為后續(xù)創(chuàng)建基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)線(xiàn)等提供參考。領(lǐng)域組可通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分割，也可通過(guò)人工判斷并手動(dòng)提取需要?jiǎng)?chuàng)建的領(lǐng)域，最終把在同一平面內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)化分為一個(gè)領(lǐng)域，用不同的顏色表示出來(lái)，如圖6所示。

圖6 領(lǐng)域劃分圖

3.2.2 坐標(biāo)系對(duì)齊

在逆向設(shè)計(jì)技術(shù)中，由于導(dǎo)入的.stl 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軟件的坐標(biāo)系未能對(duì)齊，在設(shè)計(jì)時(shí)不能將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的視圖切換到與軟件窗口視圖一致。故需按空間坐標(biāo)位置將工件對(duì)齊，即讓掃描件的坐標(biāo)與軟件中的坐標(biāo)重合，便于后續(xù)的逆向建模。因此，坐標(biāo)系對(duì)齊是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。首先通過(guò)平面領(lǐng)域組擬合出耙爪底平面，且與xoy基準(zhǔn)面重合，再利用中間孔曲面領(lǐng)域組擬合出中心軸且與y軸重合。這樣3D 掃描模型坐標(biāo)系在SolidWorks 中已對(duì)齊，可以進(jìn)行后續(xù)逆向建模。

3.2.3 創(chuàng)建曲面并建模

在SolidWorks 軟件中，特征線(xiàn)的提取通過(guò)“面片草圖”進(jìn)行平面草圖的繪制，繪制空間樣條曲線(xiàn)。特征線(xiàn)的提取要根據(jù)創(chuàng)建曲面的命令需求來(lái)完成，否則提取的特征線(xiàn)是無(wú)用的。草圖的質(zhì)量決定了后續(xù)曲面的質(zhì)量。

特征線(xiàn)的提取完成后，可通過(guò)特征命令對(duì)耙爪的模型進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)后的效果如圖7所示。在重構(gòu)的過(guò)程中，需利用SolidWorks 軟件中的“體偏差” 模塊對(duì)所建模型和掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，若尺寸精度質(zhì)量較差，可通過(guò)重新調(diào)整特征線(xiàn)或修剪曲面再進(jìn)行填補(bǔ)來(lái)完成，如圖7所示為所建模型與掃描數(shù)據(jù)重合度的云圖：紅色為所建模型值大于掃描數(shù)據(jù)值，反之，藍(lán)色為小于。

圖7 三維實(shí)體模型與云點(diǎn)圖形的精度云圖

完成以上逆向建模步驟后，將建立一個(gè)在尺寸精度范圍內(nèi)的三維模型，如圖8所示。

圖8 三維實(shí)體圖

3.3 靜力分析

逆向建模只完成了逆向設(shè)計(jì)中尺寸層面上的復(fù)建，能否在實(shí)際工況中使用，還需根據(jù)實(shí)際的受力分析。利用Solidworks 軟件中有限元分析模塊進(jìn)行受力分析。本分析的目的是評(píng)估所考慮的耙爪在旋轉(zhuǎn)耙煤時(shí)，求出應(yīng)力最大值，并觀(guān)察出現(xiàn)變形量最大的位置，尋找應(yīng)力集中部位，在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先優(yōu)化薄弱位置，增加使用壽命。通過(guò)有限元分析，確定出加載工況下的應(yīng)力集中部位。

按實(shí)際安裝情況，耙爪通過(guò)4 個(gè)平鍵傳遞扭矩，利用4 個(gè)爪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行耙推。首先，耙材料選用Q550 高碳鋼，其次約束固定4 個(gè)平鍵，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)機(jī)型設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定的最大耙推力，在耙爪的4 個(gè)爪外端面垂直各施加15000 N 的力，圖9、圖10 中箭頭所指方向?yàn)槭┝Ψ较?，不同零件的靜力分析根據(jù)實(shí)際工況而定。

圖9 應(yīng)變分布云圖

計(jì)算結(jié)果表明，4 個(gè)爪在靜力15000 N 的作用下，每個(gè)爪的根部應(yīng)力最集中且應(yīng)變也最大，如圖9所示，且產(chǎn)生的最大應(yīng)力為14.5 MPa，如圖10所示。根據(jù)機(jī)型設(shè)計(jì)手冊(cè)，此耙爪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合使用要求。

圖10 應(yīng)力分布云圖

4 三維實(shí)體模型的建立與二維圖紙的導(dǎo)出

雖然三維設(shè)計(jì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家尤其是小型機(jī)械加工廠(chǎng)還是根據(jù)二維圖紙來(lái)加工零件，所以接下來(lái)就是將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖紙，目前市場(chǎng)上大部分的三維軟件都具備三維轉(zhuǎn)二維的功能，利用Solidworks 軟件轉(zhuǎn)換，如圖11，將轉(zhuǎn)換后的二維圖紙進(jìn)行調(diào)整、修改，標(biāo)注尺寸、公差及其他技術(shù)要求，至此整個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程完成。

圖11 二維加工圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了3D 掃描儀激光測(cè)距的基本原理。利用HandySCAN 3D 掃描儀采集零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.stl 格式，最終使用SolidWorks 軟件逐步完成逆向設(shè)計(jì)的全過(guò)程。首先是坐標(biāo)系的對(duì)齊、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的領(lǐng)域組劃分，其次是根據(jù)領(lǐng)域組提取特征線(xiàn)，借助特征線(xiàn)建立三維模型，在建模過(guò)程中利用SolidWorks 軟件中的“體偏差” 模塊對(duì)所建模型和掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，以提高建模精度。再次根據(jù)實(shí)際運(yùn)行受力情況將三維模型進(jìn)行靜力分析，如滿(mǎn)足受力要求，即為合格，反之不合格。最后將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖，為后續(xù)生產(chǎn)做準(zhǔn)備。