航空零部件三維掃描與逆向建模

□ 張 川 □ 韓永松 □ 陳衛(wèi)林 □ 陳 浩

安徽天航機(jī)電有限公司 安徽蕪湖 241007

在航空維修中,零部件由于某些原因需要更換,但是沒(méi)有圖紙及其它技術(shù)信息,現(xiàn)場(chǎng)只有實(shí)物,想要重新制造零部件進(jìn)行更換異常困難。對(duì)此,可以采用三維掃描和逆向建模。通過(guò)三維掃描儀可以在零部件上采集數(shù)據(jù),采集的數(shù)據(jù)可以直接合并至計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中,進(jìn)行額外測(cè)量和操作,生成虛擬三維模型,由此得到零部件的實(shí)物尺寸及其它技術(shù)信息,生成二維工程圖,直接用于加工制造,大大縮短零部件更換周期。筆者就此對(duì)航空零部件的三維掃描和逆向建模進(jìn)行介紹。

1 基本流程

航空零部件三維掃描和逆向建模基本流程如圖1所示,一般分為三個(gè)階段:掃描階段、點(diǎn)云處理階段、造型階段。掃描階段和點(diǎn)云處理階段可能會(huì)因?yàn)辄c(diǎn)云缺陷問(wèn)題而反復(fù)進(jìn)行。

▲圖1 航空零部件三維掃描和逆向建模基本流程

2 三維掃描

三維掃描是一項(xiàng)集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù),主要用于對(duì)物體空間外形、結(jié)構(gòu)、色彩進(jìn)行掃描,以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)的原理是局部三角形測(cè)量法,如圖2所示。通過(guò)白光源將一系列格柵化光束投射到待測(cè)量物體上,用數(shù)碼相機(jī)沿光束方向?qū)⑦@些投射到待測(cè)量物體表面上的格柵拍下來(lái)。移動(dòng)格柵,投影的模式隨之變化。由此,對(duì)每一張?jiān)跀?shù)碼相機(jī)上獲得的圖片都會(huì)分配一個(gè)確定的編碼。對(duì)于待測(cè)量物體每一個(gè)點(diǎn)的三維位置,可以由目標(biāo)鏡頭K1、K2之間的距離b,以及角α、β計(jì)算得到。

▲圖2 局部三角形測(cè)量法

逆向建模的首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集,三維掃描獲得物體表面空間坐標(biāo)的過(guò)程就是數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)是逆向建模的基礎(chǔ)。對(duì)于航空零部件,利用高精度三維掃描儀采集實(shí)物表面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。高精度三維掃描儀如圖3所示。

▲圖3 高精度三維掃描儀

三維掃描采集數(shù)據(jù)的過(guò)程包括獲取點(diǎn)云和點(diǎn)云編輯兩步。

(1) 獲取點(diǎn)云。將航空零部件實(shí)物擺放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,將高精度三維掃描儀發(fā)出的格柵化光束投射到航空零部件表面,隨后圍繞航空零部件進(jìn)行空間多角度掃描,生成多張點(diǎn)云照片,利用掃描系統(tǒng)點(diǎn)云處理軟件合成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2) 點(diǎn)云編輯。合成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在部分無(wú)用數(shù)據(jù)及噪點(diǎn),通過(guò)點(diǎn)云編輯功能過(guò)濾噪點(diǎn),修剪無(wú)用數(shù)據(jù),再對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化處理,形成三角面片數(shù)據(jù),如圖4所示。

▲圖4 三角面片數(shù)據(jù)

3 逆向建模

采用CATIA軟件進(jìn)行逆向建模。在CATIA軟件的DSE模塊中導(dǎo)入航空零部件三角面片數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合和重構(gòu)三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)航空零部件的快速原型設(shè)計(jì)。

具體而言,將通過(guò)三維掃描生成的航空零部件三角面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件,分析并確定合適的造型基準(zhǔn),構(gòu)造基準(zhǔn)線、面,將三角面片數(shù)據(jù)擺正,為建模做好準(zhǔn)備。以上操作完成后,利用軟件平面切面掃描線等功能提取出航空零部件部分輪廓掃描線,轉(zhuǎn)換為曲線,利用曲線重構(gòu)曲面等元素。曲面重構(gòu)如圖5所示,曲面修剪如圖6所示。

▲圖5 曲面重構(gòu)

▲圖6 曲面修剪

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了對(duì)航空零部件進(jìn)行三維掃描和逆向建模的過(guò)程,可以使航空零部件實(shí)物從唯一品轉(zhuǎn)變?yōu)榕科?大大降低制造難度,縮短維修周期。通過(guò)介紹可知,三維掃描和逆向建模在航空維修行業(yè)具有較高的實(shí)用價(jià)值。