孫思文，高鳳嬌

基于HandyScan三維掃描儀的農(nóng)業(yè)機(jī)械零件修復(fù)技術(shù)

孫思文1，2，高鳳嬌2，3

（1.黑龍江省自動(dòng)化系統(tǒng)工程公司，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱 150090；3.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150000）

本文以破損的農(nóng)業(yè)機(jī)械塑料零件為例，利用手持式激光掃描儀HandyScan對(duì)零件表面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并利用逆向設(shè)計(jì)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化處理生成CAD模型，進(jìn)而通過光敏樹脂3D打印技術(shù)完成塑料零件的制造。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；三維掃描；HandyScan

1　數(shù)據(jù)采集

三維測(cè)量技術(shù)能夠快速地將實(shí)物三維空間形態(tài)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)直接識(shí)別的圖形數(shù)字信號(hào)，為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了方便快捷的手段［1］。

1.1HandyScan三維激光掃描儀

Handyscan三維激光掃描系統(tǒng)由硬件和掃描軟件兩部分組成。其中硬件包括HandyScan主機(jī)、筆記本電腦、USB3.0電纜、電源、定位靶點(diǎn)、校準(zhǔn)板。軟件采用VXelements三維掃描軟件。HandyScan主機(jī)的核心部件是兩個(gè)對(duì)稱的攝像頭以及位于掃描儀中部的7條十字激光發(fā)射器，其工作原理是在對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集時(shí)，投影到對(duì)象上的激光隨對(duì)象形狀發(fā)生變形，攝像頭會(huì)拍攝該特定形狀并對(duì)它進(jìn)行計(jì)算，形成被測(cè)物體的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過VXelements掃描軟件的自動(dòng)封裝，形成可視化的圖形文件。

1.2HandyScan的使用

HandyScan的典型工作流程分為掃描前準(zhǔn)備、掃描、數(shù)據(jù)處理3個(gè)階段。

掃描前準(zhǔn)備過程中的掃描儀校準(zhǔn)、粘貼定位靶點(diǎn)以及第2階段掃描是決定數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的核心。

A.掃描儀校準(zhǔn)

掃描儀在校準(zhǔn)時(shí)必須指向校準(zhǔn)板中心，并將紅線（掃描儀的高度和方向）對(duì)齊到綠色矩形內(nèi)。

B.掃描儀配置

由于被側(cè)物體的材質(zhì)以及表面加工工藝不同，需要調(diào)整掃描儀發(fā)射的激光線強(qiáng)度以及快門頻率，以獲得最優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，當(dāng)激光線完全平鋪在被測(cè)零件表面后，軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整掃描儀的配置。

C.粘貼坐標(biāo)靶點(diǎn)

HandyScan掃描儀通過相機(jī)追蹤坐標(biāo)靶點(diǎn)，只要攝像頭能夠追蹤到3個(gè)以上的坐標(biāo)靶點(diǎn)，掃描系統(tǒng)就可以立刻解算出靶點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)被測(cè)部件的體積及細(xì)節(jié)特征不同，可選擇直接將標(biāo)志點(diǎn)粘貼于被測(cè)物體表面或?qū)⒃撐矬w放置于已粘貼有坐標(biāo)靶點(diǎn)的環(huán)境中。坐標(biāo)靶點(diǎn)的相對(duì)位置應(yīng)在20～100mm，避免使用損壞、油膩、臟污的標(biāo)志點(diǎn)以及在彎曲率較高的被測(cè)表面上添加標(biāo)志點(diǎn)。

D.掃描表面

對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行掃描時(shí)，通常采用掃描與觀察相結(jié)合的方式進(jìn)行，以便掃描數(shù)據(jù)完整全面，調(diào)整好掃描距離的基礎(chǔ)上，還要注意觀察掃描軟件中呈現(xiàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)缺失的地方，要再次進(jìn)行掃描。在本例中，零件模型厚度為8mm，長(zhǎng)度約為160mm，該零件的細(xì)節(jié)特征過多，所以采用分區(qū)掃描的方法進(jìn)行正反面掃描，之后使用Geomagic Studio軟件進(jìn)行注冊(cè)、合并，如圖1所示為最終掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1　掃描后的點(diǎn)云文件Fig.1 Point cloud data after scanning

2　零件CAD模型重建、檢測(cè)

由Handyscan三維掃描儀掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去除飛濺點(diǎn)、雜點(diǎn)和非連接點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)云過濾［2］。把點(diǎn)云文件導(dǎo)入到GeomagicDesign逆向設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行處理。為了驗(yàn)證逆向后的CAD模型相對(duì)原始數(shù)據(jù)的可靠性，還需要通過Geomagic Qualify進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。

2.1依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建CAD模型

逆向設(shè)計(jì)的主要步驟有特征提取——曲面重構(gòu)——主體特征提取——局部特征提取——布爾運(yùn)算——封閉實(shí)體——倒角7個(gè)步驟，圖2所示為Geomagic Design軟件處理后的零件CAD模型圖。

圖2　逆向后的CAD農(nóng)業(yè)機(jī)械零件模型Fig.2 Reverse agricultural machinery parts after CAD model

2.2數(shù)據(jù)檢測(cè)

使用Geomagic Qualify對(duì)逆向設(shè)計(jì)后的CAD模型與HandyScan掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件進(jìn)行對(duì)比，通過觀察色譜對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本例中檢測(cè)公差設(shè)為0.01mm，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3　Geomagic Qualify檢測(cè)CAD零件準(zhǔn)確性Fig.3 Geomagic Qualify CAD parts detection accuracy

3　3D打印加工制造

3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)［3］。

本文使用Stratasys 260光固化3D打印機(jī)對(duì)復(fù)原的CAD模型進(jìn)行制造，如圖4所示，打印后的效果與原始零件。

圖4　3D打印機(jī)與3D打印的零件Fig.4 3D printers and 3D printed parts diagram

4　結(jié)語

本文給出了應(yīng)用HandyScan三維掃描儀的農(nóng)業(yè)機(jī)械零件修復(fù)技術(shù)，創(chuàng)新的將三維掃描技術(shù)、逆向設(shè)計(jì)技術(shù)、3D打印技術(shù)相融合，為農(nóng)業(yè)機(jī)械零件修復(fù)提供了相當(dāng)方便快捷的手段。

［1］ 李麗娟，高姍林，雪竹.基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測(cè)技術(shù)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，（10）：35-38.

［2］ 思源，劉俊，張湘?zhèn)?基于手持式激光掃描的反求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（8）：153-156.

［3］席駿.3D打印技術(shù)及產(chǎn)品簡(jiǎn)介［J］.數(shù)碼印刷，2014，（02）：27-29.

Agricultural Machinery Parts Repair Technology of 3D Scanner Based on HandyScan

SUNSi-wen1，2,GAOFeng-jiao2,3
（1.HeilongjiangAutomation Systems EngineeringCompany,Harbin 150090,China；2.Institute ofAutomation,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150090,China；3.High Tech Research Institute,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150000,China）

In this paper,damaged agricultural machineryand plastic parts were taken as examples,collecting point cloud data on the part surface using hand-held laser scanner HandyScan,and the point cloud data were parameterized CADmodel generated by reverse design software，and then through the manufacture of photosensitive resin 3Dprinting,plastic parts were finished.

HandyScanagricultural machinery；3Dscanning；HandyScan

TH13

A

1674-8646（2015）06-0022-02

2015-05-15

孫思文（1987-），男，黑龍江哈爾濱人，研實(shí)員，碩士，從事工業(yè)設(shè)計(jì)研究。