池金環(huán)

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，天津 300131）

快速成型及非接觸式數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用

池金環(huán)

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，天津 300131）

快速成型是由計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、激光技術(shù)、新材料技術(shù)等，省去傳統(tǒng)加工所需要的刀具、夾具等，縮短了生產(chǎn)周期。通過(guò)逆向工程中的非接觸式測(cè)量方法為例，介紹了產(chǎn)品測(cè)量應(yīng)用及測(cè)量后處理，實(shí)踐證明該方法是可行的。

快速成型技術(shù)；逆向工程；點(diǎn)云處理；非接觸式測(cè)量

0 引言

逆向工程，也稱(chēng)反向工程，其思想最初來(lái)自從油泥模型到產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)過(guò)程。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種手段，在20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開(kāi)始引起各國(guó)的高度重視[1]。針對(duì)現(xiàn)有的模型或樣品，利用數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)確快速的測(cè)得輪廓坐標(biāo)，并進(jìn)行曲面重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助制造，產(chǎn)生刀具加工代碼，或者通過(guò)快速成型機(jī)將產(chǎn)品打印出來(lái)。其中獲得輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)云是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量探頭或傳感器是否和實(shí)物接觸，可分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明這種方法。

1 數(shù)據(jù)采集方法

接觸式測(cè)量效率低，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是廣泛采用的接觸式測(cè)量設(shè)備，精度較高，主要應(yīng)用于零件的幾何尺寸檢測(cè)[2]。非接觸式測(cè)量效率高，在逆向工程研究應(yīng)用廣泛，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后再對(duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)測(cè)量原理不同，有以下幾種方法：光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量及電磁測(cè)量等，這里主要介紹光學(xué)非接觸測(cè)量。

2 非接觸式測(cè)量應(yīng)用

2.1 測(cè)量準(zhǔn)備

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集之前比較重要的一項(xiàng)準(zhǔn)備工作就是標(biāo)志點(diǎn)的粘貼。標(biāo)志點(diǎn)的粘貼需要注意幾點(diǎn)：

①保證掃描策略的順利實(shí)施，并使標(biāo)志點(diǎn)在長(zhǎng)度、寬度、高度方向均布分布合理；

②標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使左右相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到，并且標(biāo)志點(diǎn)要盡量貼在產(chǎn)品的平面區(qū)域或曲率較小的曲面；

③距離產(chǎn)品邊界不能過(guò)近；

④盡量使標(biāo)志點(diǎn)不出現(xiàn)在一條線上。產(chǎn)品標(biāo)志點(diǎn)粘貼實(shí)例見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)志點(diǎn)粘貼

2.2 三維測(cè)量

三維測(cè)量是逆向工程的第一個(gè)重要階段，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。目前樣品三維數(shù)據(jù)的獲得主要通過(guò)三維測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光三維掃描、結(jié)構(gòu)光測(cè)量等裝置來(lái)獲取樣件的三維表面坐標(biāo)值。本例選擇光學(xué)雙目三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。過(guò)程如下。

首先啟動(dòng)掃描系統(tǒng)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)及硬件系統(tǒng)。然后開(kāi)啟系統(tǒng)軟件，調(diào)整掃描距離進(jìn)行標(biāo)定。調(diào)整標(biāo)定板，得到標(biāo)定精度符合要求即完成了全部標(biāo)定過(guò)程準(zhǔn)備測(cè)量產(chǎn)品。

在系統(tǒng)軟件上完成新建工程，將被掃描模型產(chǎn)品放在轉(zhuǎn)盤(pán)上時(shí)，將粘有標(biāo)志點(diǎn)的位置盡量放在視圖中央，通過(guò)云臺(tái)調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度及俯仰角，使此十字與相機(jī)顯示區(qū)的十字盡量重合，并且保證十字盡量在被掃描產(chǎn)品上，測(cè)量過(guò)程見(jiàn)圖2。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理與計(jì)算，得到掃描系統(tǒng)所需的各項(xiàng)參數(shù)，并在標(biāo)定信息顯示區(qū)給出標(biāo)定誤差結(jié)果。

圖2 測(cè)量距離

重復(fù)進(jìn)行下次掃描直至系統(tǒng)拼接全部掃描完成完整產(chǎn)品，完成全部掃描后整理點(diǎn)云然后保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。

3 快速成型后處理

在獲取了處理好的測(cè)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)各面片的特征分別進(jìn)行曲面擬合，然后面片間求交、拼接和匹配，使之成為連續(xù)光順的曲面，從而獲得樣件模型的過(guò)程。下一步是進(jìn)行三維模型重構(gòu)創(chuàng)新以得到性能優(yōu)良的新產(chǎn)品。三維模型重構(gòu)是逆向工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，而模型重構(gòu)的關(guān)鍵是將逆向工程軟件與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的步驟[3]。通過(guò)掃描儀得到的測(cè)量數(shù)據(jù)在模型重構(gòu)之前必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、平滑、對(duì)齊、合并等一系列數(shù)據(jù)處理。得到的復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)過(guò)濾等方法獲取樣件模型所具有的設(shè)計(jì)和加工特征。

4 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式測(cè)量具有高效率、無(wú)破壞性、工作距離大等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)物體進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的測(cè)量而不需要與待測(cè)物體接觸，非接觸式測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在逆向工程中可以大大節(jié)約成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期[4]。尤其是現(xiàn)代光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為逆向工程非接觸式提供了必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。未來(lái)非接觸式測(cè)量定會(huì)應(yīng)用于更多領(lǐng)域提供給生產(chǎn)生活更多的便利。

［1］陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］何亞銀.基于逆向工程的連桿快速成型設(shè)計(jì)［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2011（4）：69-71.

［3］張勇，王超.基于快速成型技術(shù)的水泵銅葉輪的快速鑄造［J］.鑄造，2011（5）：493-495.

［4］張海強(qiáng)，劉玉鵬.激光固化快速成型樹(shù)脂加熱器的研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（6）：36-37.

［5］張汪年，鄧寧，鞠銀燕.快速成型技術(shù)及其在模具制造中的應(yīng)用［J］.九江學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（1）：9-11.

Application of Rapid Prototyping and Non-Contact Data Acquisition Technology

CHI Jin-huan
（Tianjin Vocational College of Mechanical and Electronics&Mechanical Technology，Tianjin300131，China）

The three-dimensional computer model of product is designed by rapid prototyping， integrated CAD， CAM， laser technology，new material technology，eliminating the need for traditional processing tools，fixture and shorten the production cycle. Through the non-contact measurement method of reverse engineering，the application of measurement of product and after treatment，the practice proves that the method is feasible.

rapid prototyping technology；reverse engineering；point cloud processing；non-contact measurement

TP391.7

A

1009－9492(2014)09－0091－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.024

池金環(huán)，女，1982年生，遼寧朝陽(yáng)人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：模具設(shè)計(jì)與制造。 (編輯：向 飛)

2014－03－11