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

計算機(jī)輔助檢測技術(shù)（Computer Aided Inspection，CAI）是涉及到檢測理論、測量設(shè)備、計算機(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云數(shù)據(jù)，并將其與零件的設(shè)計CAD模型進(jìn)行比較，得到已加工零件和設(shè)計模型之間的偏差，從而實現(xiàn)零件全面整體檢測的一項技術(shù)［1-2］。隨著我國航空、汽車、機(jī)械等行業(yè)的迅速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，檢測技術(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］，計算機(jī)輔助檢測技術(shù)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。基于此，計算機(jī)輔助檢測技術(shù)實驗教學(xué)已成為培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵺`能力要求的重要手段。

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

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

1 Geomagic Qualify檢測流程

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

圖1 Geomagic Qualify檢測流程

2 實驗步驟

結(jié)合某空調(diào)中隔板零件，介紹本實驗的步驟。首先對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來獲取點云數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再借用Geomagic Qualify軟件來實現(xiàn)零件的檢測，包括對齊、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)劃檢測方案。最后將檢測的結(jié)果以報告形式進(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)點云數(shù)據(jù)［9］。它是計算機(jī)輔助檢測中的關(guān)鍵步驟，點云數(shù)據(jù)能否快速精確地表示實物原型，將直接影響后面的檢測結(jié)果及效率。

在數(shù)據(jù)采集階段，本實驗采用由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，換算出被測點所在的空間位置。依據(jù)該原理，關(guān)節(jié)臂測量系統(tǒng)可快速高密度地對各種特殊形狀的物件進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集，對柔軟物體（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）組配測量系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)安裝規(guī)范，將測量機(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。在啟動掃描程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，對關(guān)節(jié)臂進(jìn)行初始化操作，轉(zhuǎn)動各個關(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，沿曲面的法向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描完一個面再轉(zhuǎn)至相鄰面。整個掃描過程的數(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)臂從各個角度進(jìn)行多次掃描。最后掃描數(shù)據(jù)可在后續(xù)檢測軟件中進(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云數(shù)據(jù)非常龐大且包含大量的冗余點和噪音點等，為提高檢測的準(zhǔn)確度和效率，因此，作為比較的點云數(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去除、統(tǒng)一采樣、減少噪音點等［13］，以獲得質(zhì)量較高的點云數(shù)據(jù)。

2.3 對 齊

該步驟是為比較分析做準(zhǔn)備的。進(jìn)行比較分析時需要實物點云數(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，這兩個模型不具備該條件，因此有必要通過模型對齊來將兩模型統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系。

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

圖3 對齊模型

2.4 比較分析

模型對齊后，便可根據(jù)檢測的要求，選擇相應(yīng)的檢測功能，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）分析主要是針對有特殊形位公差需求的模型而設(shè)定的操作。比如對于中隔板模型，有必要對其特定部位的平面度和圓柱度進(jìn)行檢測評估分析，圖6為該模型指定部位的形位公差評估結(jié)果。

圖6 形位公差評估

2.5 輸出檢測報告

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

3 結(jié)語

對基于關(guān)節(jié)臂掃描儀的計算機(jī)輔助檢測實驗教學(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)采集到形成檢測報告的實驗流程，建立了計算機(jī)檢測技術(shù)實驗教學(xué)的思路。從教學(xué)手段上，給出檢測流程，可由學(xué)生自選實物模型，針對特定模型規(guī)劃檢測方案，自主完成數(shù)據(jù)采集、軟件檢測等內(nèi)容，注重理論與實踐相結(jié)合的原則［14-16］。通過在實驗教學(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)對現(xiàn)代設(shè)計制造領(lǐng)域?qū)嵺`能力的需求，而且有利于學(xué)生進(jìn)一步鞏固測量理論知識，掌握最先進(jìn)的檢測技術(shù)。對于拓展學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)的應(yīng)用能力起到積極作用。

（References）：

［1］ 王萬龍，王勇勤.計算機(jī)輔助三維檢測技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 鄒付群，成思源，李蘇洋，等.基于Geomagic Qualify軟件的沖壓件回彈檢測［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2010，26（2）：79-81.

［3］ 楊雪榮，成思源，馬登富，等.基于三坐標(biāo)測量機(jī)實驗教學(xué)的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（11）：112-115.

［4］ 張國雄.三坐標(biāo)測量機(jī)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1999.

［5］ 高大軍，余曉芬.三坐標(biāo)測量機(jī)交互式虛擬實驗室的設(shè)計［J］.實驗室研究與探索，2008，27（9）：58-60.

［6］ Geomagic公司.Geomagic Qualify 12.0基礎(chǔ)培訓(xùn)手冊［R］.2010.

［7］ 成思源.逆向工程技術(shù)綜合實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［8］ ?？怂箍禍y量技術(shù)（青島）有限公司.實用坐標(biāo)測量技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［9］ 胡義剛.CAD/CAM綜合性訓(xùn)練的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27（6）：131-134.

［10］ 馮文杰，崔秀梅，楊 濤.基于FARO測量系統(tǒng)的逆向工程實驗研究［J］.實驗室研究與探索，2008，27（7）：49-51.

［11］ 付澤民，李延平.基于ATOS測量系統(tǒng)快速原型制造技術(shù)的實驗教學(xué)［J］.實驗室研究與探索，2006，25（12）：1520-1522.

［12］ 張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009.

［13］ 蔣文科，鐘高建，劉占兵.基于光學(xué)掃描的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究［J］.實驗室研究與探索，2007，26（11）：42-44.

［14］ 黃道鳳，李懷健，朱玉華.提高實驗教學(xué)質(zhì)量的措施［J］.實驗室研究與探索，2010，29（2）：120-122.

［15］ 趙天嬋，馮 俊，胡 堵.充分利用三坐標(biāo)測量機(jī)培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力［J］.實驗技術(shù)與管理，2008，25（6）：151-155.

［16］ 成思源，張湘?zhèn)?，何漢武.機(jī)械設(shè)計實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與實踐［J］.實驗室研究與探索，2010，29（6）：107-109.