成思源， 彭慧娟， 郭鐘寧， 于兆勤， 張湘?zhèn)?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)（Computer Aided Inspection，CAI）是涉及到檢測(cè)理論、測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)、控制及軟件技術(shù)等綜合應(yīng)用而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)。它是通過光學(xué)三維掃描設(shè)備獲取已加工零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其與零件的設(shè)計(jì)CAD模型進(jìn)行比較，得到已加工零件和設(shè)計(jì)模型之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)零件全面整體檢測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)［1-2］。隨著我國(guó)航空、汽車、機(jī)械等行業(yè)的迅速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，檢測(cè)技術(shù)作為保障產(chǎn)品質(zhì)量的基本手段，起著舉足輕重的作用［3-5］，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；诖?，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵺`能力要求的重要手段。

計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的操作步驟一般可歸納為三步：① 實(shí)物模型的數(shù)字化;② 模型對(duì)齊;③ 比較分析［6-7］。其特點(diǎn)是測(cè)量精度高、柔性好、效率高，可有效地減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)利益。尤其是對(duì)于復(fù)雜零件的檢測(cè)，更是具有傳統(tǒng)測(cè)量方法所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，它對(duì)檢測(cè)手段的柔性化、自動(dòng)化意義重大，具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與光電技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集通常采用三維光學(xué)掃描設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)速度快、操作簡(jiǎn)便、能夠達(dá)到較高的精度［7-8］。考慮到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的便利性，提出了通過關(guān)節(jié)臂掃描儀進(jìn)行實(shí)物模型的數(shù)字化，并利用 Geomagic Qualify軟件來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)流程。

1 Geomagic Qualify檢測(cè)流程

Geomagic Qualify是一款在計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的軟件。通過該軟件可快速、全面地檢測(cè)到產(chǎn)品的三維CAD模型與實(shí)物模型被掃描后的點(diǎn)云模型間的尺寸偏差，并自動(dòng)將這種比較結(jié)果以直觀、易懂的色譜圖形式顯示出來，并形成檢測(cè)報(bào)告［6-7］。到目前為止，該軟件已發(fā)行到12.0版本。本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)將主要結(jié)合Geomagic Qualify的操作步驟來進(jìn)行，其具體的檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 Geomagic Qualify檢測(cè)流程

2 實(shí)驗(yàn)步驟

結(jié)合某空調(diào)中隔板零件，介紹本實(shí)驗(yàn)的步驟。首先對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再借用Geomagic Qualify軟件來實(shí)現(xiàn)零件的檢測(cè)，包括對(duì)齊、3D比較、2D比較、形位公差分析等。學(xué)生可根據(jù)不同零件的具體要求自行規(guī)劃?rùn)z測(cè)方案。最后將檢測(cè)的結(jié)果以報(bào)告形式進(jìn)行輸出。

2.1 數(shù)據(jù)采集

所謂的數(shù)據(jù)采集也即實(shí)物模型的數(shù)字化，是指通過三維掃描設(shè)備，將物體表面的輪廓信息離散為大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)［9］。它是計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)中的關(guān)鍵步驟，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能否快速精確地表示實(shí)物原型，將直接影響后面的檢測(cè)結(jié)果及效率。

在數(shù)據(jù)采集階段，本實(shí)驗(yàn)采用由Cimcore公司提供的Infinite 1.8m型七自由度柔性關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)系統(tǒng)（見圖2）。其配套的掃描頭為ScanWork V4i線結(jié)構(gòu)光掃描頭，配套軟件為ScanWorks。

圖2 七自由度關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)

Infinite掃描系統(tǒng)基于常見的激光三角法原理，采用線結(jié)構(gòu)光掃描方式，通過激光光源發(fā)射光線，以一定角度照射到被測(cè)物體上，然后通過高精度的CCD鏡頭與光源之間的位置及投影和反射光線之間的夾角，換算出被測(cè)點(diǎn)所在的空間位置。依據(jù)該原理，關(guān)節(jié)臂測(cè)量系統(tǒng)可快速高密度地對(duì)各種特殊形狀的物件進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集，對(duì)柔軟物體（如紙和橡膠制品）也可方便采集，死角少，柔性好，輕巧便捷［10-12］。數(shù)據(jù)采集的具體操作流程如下：

（1）實(shí)物表面處理。將模型需掃描部分的表面清理干凈，并噴上顯像劑，以便于數(shù)據(jù)采集。

（2）組配測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)安裝規(guī)范，將測(cè)量機(jī)主體安裝好，用各種數(shù)據(jù)線將系統(tǒng)各部件連接起來。

（3）初始化操作。在啟動(dòng)掃描程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，對(duì)關(guān)節(jié)臂進(jìn)行初始化操作，轉(zhuǎn)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)直到所有的關(guān)節(jié)都有正常的響應(yīng)。初始化完成后，啟動(dòng)掃描程序ScanWorks，準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)。

（4）掃描數(shù)據(jù)。把模型放置在可掃描范圍內(nèi)，按下臂上開關(guān)開始掃描。從曲率變化較小的面開始，順著模型表面的特征走勢(shì)，沿曲面的法向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描完一個(gè)面再轉(zhuǎn)至相鄰面。整個(gè)掃描過程的數(shù)據(jù)結(jié)果在軟件界面上直接觀察到，如需追加數(shù)據(jù)可借用靈活的七自由度關(guān)節(jié)臂從各個(gè)角度進(jìn)行多次掃描。最后掃描數(shù)據(jù)可在后續(xù)檢測(cè)軟件中進(jìn)行拼接等處理。

（5）數(shù)據(jù)保存。將最終掃描得到的有效數(shù)據(jù)以.bin等通用數(shù)據(jù)格式保存起來并輸出。

2.2 數(shù)據(jù)處理

一般通過光學(xué)掃描采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常龐大且包含大量的冗余點(diǎn)和噪音點(diǎn)等，為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率，因此，作為比較的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理。處理操作主要包括雜點(diǎn)去除、統(tǒng)一采樣、減少噪音點(diǎn)等［13］，以獲得質(zhì)量較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 對(duì) 齊

該步驟是為比較分析做準(zhǔn)備的。進(jìn)行比較分析時(shí)需要實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與CAD模型處于同一坐標(biāo)系，才可以進(jìn)行。而在大多數(shù)情況，這兩個(gè)模型不具備該條件，因此有必要通過模型對(duì)齊來將兩模型統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系。

圖3（a）為加載到Geomagic Qualify中的兩模型對(duì)齊前的圖示。根據(jù)該模型特性，選擇執(zhí)行“基于特征對(duì)齊”命令進(jìn)行對(duì)齊。執(zhí)行該命令前首先需要判斷在兩對(duì)象上創(chuàng)建出幾個(gè)相對(duì)應(yīng)的特征，如圓柱體、圓、矩形槽等，并將其作為對(duì)齊特征。再通過將選定特征對(duì)進(jìn)行重合以實(shí)現(xiàn)兩模型的對(duì)齊，如圖3（b）為兩模型對(duì)齊后圖示。

圖3 對(duì)齊模型

2.4 比較分析

模型對(duì)齊后，便可根據(jù)檢測(cè)的要求，選擇相應(yīng)的檢測(cè)功能，進(jìn)行模型間的比較分析。

（1）3D比較。通過3D比較，可得到一張顯示實(shí)物模型整體偏差的彩色結(jié)果圖。為了進(jìn)一步顯示出某一具體位置的偏差，還可通過“創(chuàng)建注釋”命令來對(duì)模型上任一指定位置進(jìn)行偏差注釋，如圖4為其3D比較注釋結(jié)果。

（2）2D比較。3D比較可從整體上來把握模型的偏差，2D比較則可縮小范圍，針對(duì)截取的特定二維截面來顯示其偏差情況。如通過系統(tǒng)XZ平面平移－70 mm截取一個(gè)截面后進(jìn)行2D比較及注釋，圖5為該截面的2D比較偏差注釋結(jié)果。

圖4 3D比較注釋

圖5 2D比較注釋

（3）形位公差分析。形位公差（GD＆T）分析主要是針對(duì)有特殊形位公差需求的模型而設(shè)定的操作。比如對(duì)于中隔板模型，有必要對(duì)其特定部位的平面度和圓柱度進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估分析，圖6為該模型指定部位的形位公差評(píng)估結(jié)果。

圖6 形位公差評(píng)估

2.5 輸出檢測(cè)報(bào)告

當(dāng)模型的比較分析完成后，軟件系統(tǒng)可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告。學(xué)生可選擇將檢測(cè)結(jié)果以PDF、HTML、DOC等多種形式進(jìn)行報(bào)告輸出，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的共享。

3 結(jié)語

對(duì)基于關(guān)節(jié)臂掃描儀的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究，以某空調(diào)中隔板零件為例，探索了從數(shù)據(jù)采集到形成檢測(cè)報(bào)告的實(shí)驗(yàn)流程，建立了計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路。從教學(xué)手段上，給出檢測(cè)流程，可由學(xué)生自選實(shí)物模型，針對(duì)特定模型規(guī)劃?rùn)z測(cè)方案，自主完成數(shù)據(jù)采集、軟件檢測(cè)等內(nèi)容，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則［14-16］。通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入關(guān)節(jié)臂掃描儀、Geomagic Qualify等機(jī)械工程領(lǐng)域的最新軟硬件設(shè)備，不僅開拓了學(xué)生的視野，適應(yīng)了企業(yè)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域?qū)嵺`能力的需求，而且有利于學(xué)生進(jìn)一步鞏固測(cè)量理論知識(shí)，掌握最先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于拓展學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用能力起到積極作用。

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