基于Win3DD-M 型三維掃描儀對泵蓋零件逆向建模研究

朱書啟 焦太安

甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院 甘肅省天水市 741001

1 基于Win3DD-M 型三維掃描儀掃描復雜曲面的主要難點和和技術(shù)分析

掃描數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量與掃描環(huán)境的不穩(wěn)定性、操作人員的標定方法、掃描件的大小、細節(jié)特征以及噴粉均勻程度等因素有關(guān)，這就需要大量的實驗，從中找到對應問題的解決方案。

1.1 前期的工件準備工作及掃描環(huán)境

工件的大小、細節(jié)特征的數(shù)量以及噴粉的均勻程度等是前期對工件的準備過程。是掃描工件的前提條件，也是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，直接影響著后續(xù)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。周邊環(huán)境因素，例如強烈的光線和靠近反光物體等，會造成掃描區(qū)域識不到相對應的標志點。

1.1.1 噴顯像劑

在物體表面噴的顯像劑要均勻，不宜過厚，否則會影響掃描精度，也不易過薄，否則會導致掃描物體出現(xiàn)破洞。噴完顯像劑后等待自然風干，大約五分鐘。

1.1.2 貼標定點

貼標定點前要先把貼點位置找好，然后用棉簽將貼點位置刮出，之后使用有棉花的一面將貼點位置刮干凈，然后再貼點。兩面相接處不要貼點，面兩邊較窄處不要貼點，表面凹凸不平不要貼點。標定點要貼的不規(guī)則，否則會出現(xiàn)標定點識別出錯的問題。

1.2 中期的標定精度及掃描過程

掃描儀的標定精度是否符合標定操作的標準，標志點的粘貼是否合理，以及對應粘貼的方式方法和掃描過程中的方式方法及相關(guān)的注意事項。掃描過程中掃描次數(shù)過多，導致工件某個部分采集的數(shù)據(jù)重疊，點云數(shù)量相對其他區(qū)域更加密集，從而影響最終的掃描結(jié)果。

（1）調(diào)整掃描儀的高度及投射角度等，使投射到地面的光幕成矩形為止。

（2）通過調(diào)整相機高度使相機預覽十字與光幕十字盡量重合。

（3）放置標定板，標定板兩大點朝向操作者，使光幕十字與標定板十字重合，按空格。

（4）向上搖 4 圈，按空格（不需要十字重合）。

（5）向下?lián)u 8 圈，按空格（不需要十字重合）。

（6）上搖4 圈（即回到原高度），標定板順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角（操作者左下角），使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（7）標定板再順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（8）標定板再順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（9）標定板再順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（10）標定板再順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起標定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（11）標定板再順時針旋轉(zhuǎn) 90 度，并墊起標定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

（12）標定板再順時針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起標定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標定板十字與光幕十字重合，按空格。

標定時注意不要反光，標定精度不小于0.02mm。

1.3 掃描物體

掃描儀是通過標定點來拼接物體的，一個面至少要有三個標定點（理論上來講三個就足夠，不過通常會貼四個或五個點）。如圖1 所示，掃描A 面后可得到A 面得到四個點，便可旋轉(zhuǎn)物體同時掃描A、B 兩個面，可以通過A 面的四個點定位出B 面，同時獲得B 面的四個點，C 面同理，以此類推，便可以掃描出整個物體。

圖1

簡單的物體可以通過轉(zhuǎn)盤來掃描，如圖2所示，減少被掃件上的標定點，以此來提高效率（在轉(zhuǎn)盤上掃描時，被掃件要固定不動，不可發(fā)生位移）。在轉(zhuǎn)盤上掃描時是使用轉(zhuǎn)盤上的標定點進行定位的，利用轉(zhuǎn)盤上的點對被掃件進行掃描，當上五個面掃描完成后進行翻面（連轉(zhuǎn)盤一起翻），翻過之后未掃描的面向上，通過物體上貼的四個點對未掃面進行拼接，如果掃不出來可以用墊塊將轉(zhuǎn)盤墊高，還是不出來可以在其他面補點，然后用第一種方法進行補救。

圖2

拼接：在轉(zhuǎn)盤的兩個面上分別掃描出被掃件的兩個將兩次掃描的文件導入，分別進行聯(lián)合點、雜點處理、封裝。使用移動器（工具→對象→移動器）進行大致對齊。使用N點注冊（對齊→手動注冊→N 點對齊），在兩次掃描文件都有的位置大致標出三個一樣位置的點，之后下一步，確定。使用全局注冊，公差0.005（更小的話會加大電腦運轉(zhuǎn)速度，不過精度也更高，自己根據(jù)情況選擇），然后使用合并（多邊形→合并）。

1.4 后期的數(shù)據(jù)處理及精度對比

掃描后完整的點云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中進行的去除雜點、降噪等過程，實現(xiàn)參數(shù)化把控，并可與實際物體尺寸進行精度比對。

掃描完成后的點云數(shù)據(jù)為黑色，先點擊對話框里的確定，之后在模型管理器中可以查看到兩組數(shù)據(jù)，將fwp開頭的數(shù)據(jù)刪除（fwp開頭的數(shù)據(jù)是標定點），將其余數(shù)字開頭的數(shù)據(jù)選中后使用聯(lián)合點對象。勾選著色點（點→著色），去頂點顏色（顯示→幾何圖形顯示）。顯示為綠色（默認為綠色，若顯示為其他顏色在試圖→對象中查看顏色被更改）。在右側(cè)選擇自己常用的工具對多余雜點進行刪除（推薦使用套索工具）。處理完畢以后使用封裝。之后打開模型管理器刪除綠色的部分，將頂點顏色關(guān)閉，顯示為藍色繼續(xù)操作（默認色），通過橢圓選擇工具選中標定點的范圍（記得取消背面選到的部分），刪除之后進行填孔（推薦使用相切）。有過大的縫隙可以使用搭橋分割成多個小的孔洞之后進行填孔。處理完成之后選擇自己需要的格式進行保存。

2 直流微型水泵泵蓋逆向建模研究

在某產(chǎn)品的零件逆向掃描和建模過程中，出現(xiàn)了多處掃描不全的問題，同時在曲面與曲面的過渡處，出現(xiàn)破面，需要建模者根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和特點進行修補，造成建模的誤差。在關(guān)鍵曲面上，會影響產(chǎn)品的使用性能。本文著重研究泵蓋零件曲面掃面建模過程中掃描不全的問題以及由于重面對零件逆向建模精度的影響因素，找到產(chǎn)品逆向設(shè)計最合理的掃描方案，進而提高零件的建模精度。

曲面掃描精度研究的技術(shù)路線：

通過校企合作，共同研究，利用我校先進的逆向掃描設(shè)備，通過參與企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，研究產(chǎn)品逆向設(shè)計的精度和效率，主要研究復雜曲面的逆向設(shè)計的方法，通過不同類型產(chǎn)品的逆向建模精度對比和建模效率對比，得出產(chǎn)品逆向設(shè)計可推廣的建模方法，并總結(jié)相應結(jié)論并在企業(yè)得以推廣。

通過大量不同類型產(chǎn)品的逆向設(shè)計，進行產(chǎn)品設(shè)計精度數(shù)據(jù)分析對比，找到產(chǎn)品逆向設(shè)計的誤差產(chǎn)生的原因，通過總結(jié)誤差產(chǎn)生的規(guī)律，得出消除誤差的方法；對同類產(chǎn)品進行逆向掃描分析，找出其共性特征，從而總結(jié)不同類型產(chǎn)品合理的掃描標定點的設(shè)計和掃描順序的確定原則，最終得出復雜零件逆向設(shè)計精度和建模效率提高的具體措施和可推廣的依據(jù)。

2.1 泵蓋的掃描過程與技巧

2.1.1 掃描過程

由于零件外輪廓相對規(guī)整，便于手動拼接，因此采用正反面分開掃描，然后手動拼接。

掃描的基本過程本文前面已經(jīng)闡述，在此只描述基本掃描過程和展示必要圖片。

如果掃描之前未完成標定，則需要完成標定，并根據(jù)需要均勻噴涂顯像劑，以保證掃描質(zhì)量，同時將零件至于掃描轉(zhuǎn)臺臺的合適位置，如圖3 所示：

圖3

每轉(zhuǎn)動60-70°掃描一次，正面掃描6 次，得到如圖4 所示云點數(shù)據(jù)：

圖4

然后刪除所有帶有“fwp”名稱的所有點數(shù)據(jù)，然后粗略刪除工件外的點，其目的是讓點數(shù)據(jù)減少，下一步“聯(lián)合點對象，著色”時間更快。

完成上述步驟以后，進行聯(lián)合點對象，并關(guān)閉頂點顏色，便于觀察，最后刪除沉雜點，結(jié)果如圖5 所示：

圖5

隱藏“復合點1”，然后掃描泵蓋另外一面，掃描過程如泵蓋的正面掃描過程，不再細述。

2.1.2 零件的封裝

封裝之前同時選擇兩組云點數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一采樣，以減少數(shù)據(jù)點，然后刪除體外孤立點并減少噪音。

對已經(jīng)處理完成的云點數(shù)據(jù)分別命名為“正面”和“反面”便于后期進行對其操作。

2.1.3 零件的拼接

選中已掃描的兩組數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一采樣，間距設(shè)為0.02mm，刪除體外孤點和非連接項，敏感度設(shè)為85.0，并減少噪音，迭代調(diào)整為2，限制11.4。

2.1.4 對兩個點云數(shù)據(jù)分別進行封裝

封裝前可將“復合點1，復合點2”進行重命名，方便后期的對齊操作。

分別封裝正面和反面，并分別保存ASC格式的云點數(shù)據(jù)，封裝后的效果如圖6、圖7所示：

圖6

圖7

2.1.5 選擇兩組已經(jīng)封裝完成的三角面片數(shù)據(jù)，進行手動注冊

本步操作的核心是找特征點，盡可能的對齊。然后進行全局注冊，并刪除釘狀物。最后合并兩三角面片數(shù)據(jù)“合并”（即圖中正面和反面三角面片數(shù)據(jù)）。完成合并后，保存數(shù)據(jù)，輸出STL 文件。

2.1.6 應用逆向建模軟件對掃描的數(shù)據(jù)進行逆向建模

得到所需的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，逆向完成的產(chǎn)品模型如圖8所示。

圖8

3 結(jié)語

本文通過闡述具體產(chǎn)品的逆向設(shè)計過程，總結(jié)了帶有復雜曲面零件的逆向掃描過程以及注意事項、參數(shù)設(shè)置等。不僅闡述了應用Win3DD-M 型掃面設(shè)備獲取產(chǎn)品云點數(shù)據(jù)的基本過程和參數(shù)設(shè)置，還闡述了對云點數(shù)據(jù)處理的基本方法，通過具體操作過程說明了對復雜產(chǎn)品逆向建模的流程，總結(jié)了提高建模精度的方法，對產(chǎn)品的逆向設(shè)計有重要指導意義。同時，本文也闡明了產(chǎn)品逆向設(shè)計中常見缺陷的解決方法。