曹冉+葉鋒+唐超江+鎖文

摘要：本文首先介紹了三維數(shù)據(jù)的采集原理與方式。據(jù)此，先對被測件進行預(yù)處理，并調(diào)整steinbichler三維光學(xué)掃描儀的聚焦點，修改COMETplus-2m軟件參數(shù)，再進行點云采集與擬合，最后運用Geomagic Qualify軟件對片體進行修整，使用UG軟件進行逆向造型，得到產(chǎn)品的最終模型。在點云的采集、擬合過程中，對點云無法自動拼接及氣道區(qū)域掃描不到兩個問題給出了簡單且實用的解決措施。

關(guān)鍵詞：三維掃描；數(shù)據(jù)采集；點云；逆向設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0230-02

3D Scanning and Reverse Design of Cylinder Head

CAO Ran，YE Feng，TANG Chao，JIANG Suo-wen

（Changzhou Key Laboratory of Large Plastic Parts Intelligence Manufacturing， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China）

Abstract：This paper first introduces the principle of 3d data acquisition and way. Preprocessing， accordingly， the first thing to be measured and adjust the steinbichler focal point of three-dimensional optical scanner， modify COMETplus - 2m software parameters， and then to the collection and fitting of the point cloud finally using Geomagic software Qualify to trim strip， reverse modeling using UG software to get the final model products. In the process of collecting， fitting point cloud， the point cloud can't automatic splicing and airway scans the area less than two gives a simple and practical solutions.

Key words： 3D scanner； data acquisition； point cloud； the reverse design

1 引言

逆向設(shè)計是一個從有到無的過程，根據(jù)已經(jīng)存在的模型，用一定的測量設(shè)備對模型進行測量，獲得三維輪廓點數(shù)據(jù)，利用三維幾何建模方法重新構(gòu)建實物的CAD模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)的過程[1]。簡單地說，就是從產(chǎn)品到數(shù)據(jù)模型再到產(chǎn)品的一個過程。本文主要說明了利用三維掃描儀和COMETplus-2m軟件進行三維數(shù)據(jù)采集并擬合的一些方法，最后生成CAD模型。

2 數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)的采集是逆向設(shè)計環(huán)節(jié)的重要步驟，如今數(shù)據(jù)的測量方式主要分為3種方式：接觸式測量、非接觸式測量和斷層式測量。接觸式測量主要是以三坐標(biāo)測量為代表，擁有較高的準(zhǔn)確性，但是會受到被測工件材料的影響。本文介紹非接觸式測量，運用光學(xué)原理進行數(shù)據(jù)采集，其測量系統(tǒng)統(tǒng)稱為3D掃描儀，如圖1所示。測量方法有激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)分析法等[2]。非接觸式測量因其測量簡易，并且不受被測工件材料而影響測量，發(fā)展迅速。非接觸式測量的精度易受工件的表面反射特性以及環(huán)境溫度的影響，所以在測量時應(yīng)噴涂顯影劑來減小采集到的數(shù)據(jù)誤差。

三維光學(xué)掃描儀采用的是基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)，在物體表面投射光柵后，由兩攝像機拍攝產(chǎn)生畸變的圖像，利用相位解碼獲取每一點的相位信息，再結(jié)合極線幾何約束關(guān)系實現(xiàn)兩幅圖像上點的匹配，最后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，利用三角計算點的三維坐標(biāo)，以實現(xiàn)物體表面三維輪廓的測量。

本次測量采用德國steinbichler三維掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，并運用COMETplus軟件對數(shù)據(jù)進行擬合。在數(shù)據(jù)采集時，按照下列步驟進行。

1）測量設(shè)備校核：在掃描前，需要對掃描儀進行校核，使掃描儀的兩個鏡頭的光點聚焦到一點。

2）環(huán)境控制：掃描時，需室內(nèi)溫度恒定，設(shè)定在33度左右，由于該測量方式采用光學(xué)原理，因此室內(nèi)光線不能過亮。此外被測件應(yīng)靜置在工作臺上，不能振動。

3）被測件預(yù)處理：一般情況下，通過在被測件上貼參考點來使掃描出來的點云通過參考點進行擬合，但本次被測件特征明顯，可以很好的進行拼接，所以不需要貼參考點。本次測量的氣缸蓋表面顏色顯暗黑色，所以需在被測件表面噴涂顯影劑來使被測件達到測量要求。在噴涂顯影劑時，要求噴涂的越薄越好，以便減少點云數(shù)據(jù)誤差。

4）測量路徑：在測量時，需要規(guī)劃好測量得路徑，這樣可以快速準(zhǔn)確的完成測量。

在數(shù)據(jù)采集的過程中，COMETplus-2m軟件會得到點云圖像，在采集到的點云特征明顯的情況下，點云圖片會自動拼接，但是如果掃描出來的點云特征不明顯，就需手動調(diào)節(jié)，找到兩張圖的特征部位，做上標(biāo)記，從而進行手動拼接，如圖2所示。在拼接圖像時，需要通過多次匹配來使得偏差達到最小，一般要求在0.02內(nèi)。

3 點云的處理及模型的重建

把STL文件導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件，經(jīng)過降噪、修補和調(diào)整坐標(biāo)系后，如圖4所示。然后用NX10.0進行產(chǎn)品的逆向設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文主要研究了逆向設(shè)計中對現(xiàn)有模型的數(shù)據(jù)采集，在采集數(shù)據(jù)時運用的一些技巧和方法，并對掃描模型的特殊部位運用不同的掃描方法，在此基礎(chǔ)上基于COMETplus-2m軟件對采集的數(shù)據(jù)進行擬合，最終完成模型的數(shù)據(jù)采集。

參考文獻：

[1]羅大兵.逆向工程中數(shù)字化測量與點云數(shù)據(jù)處理[J].2005（9）：56-57.

[2]王宏濤，周儒榮，張麗艷.現(xiàn)代測量方法在逆向工程數(shù)據(jù)采集技術(shù)中的利用[J].2003（4）：2-3.

[3]李大鵬.三坐標(biāo)測量機在逆向工程中的應(yīng)用[J].2007（7）：72-73.