夏名祥，石光林*，陳晨，宋恩權(quán)

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.柳州鑫鼎科技有限公司，廣西柳州545007）

逆向工程與激光制造技術(shù)在工藝品上的應(yīng)用研究

夏名祥1，石光林*1，陳晨1，宋恩權(quán)2

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.柳州鑫鼎科技有限公司，廣西柳州545007）

以木鼎工藝品為研究對(duì)象，簡述了光柵投影測量的基本原理，分析了三點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)齊變化算法的實(shí)現(xiàn).使用ATOS光學(xué)掃描儀取得木鼎的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在GOM Inspect軟件中構(gòu)建木鼎數(shù)字模型，轉(zhuǎn)換為STL數(shù)據(jù)格式輸入PreForm軟件，采用SLA激光快速成型機(jī)打印木鼎模型；運(yùn)用激光內(nèi)雕加工方法，設(shè)計(jì)加工出新的玻璃內(nèi)雕工藝品，為工藝品數(shù)字化保護(hù)和開發(fā)提供一條新的途徑.

逆向工程；光學(xué)測量；SLA快速成型；激光內(nèi)雕

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是在只有產(chǎn)品實(shí)物的前提下，使用測量設(shè)備獲取實(shí)物的表面數(shù)據(jù)，通過三維幾何建模的方法重構(gòu)實(shí)物的數(shù)字模型，然后將數(shù)字模型進(jìn)行產(chǎn)品分析和再設(shè)計(jì)、模具制造和加工生產(chǎn)的過程［1］.

工藝品、文物和藝術(shù)浮雕等物品，通常具有曲面造型復(fù)雜、細(xì)節(jié)特征明顯、缺少CAD數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，難以用正向設(shè)計(jì)的方式得到這些物體的數(shù)字模型.運(yùn)用逆向工程技術(shù)，能夠得到物體的表面數(shù)據(jù)模型，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝品、文物等物品的保護(hù)和開發(fā)［2］.

本文采用ATOS三維光學(xué)測量系統(tǒng)對(duì)木鼎進(jìn)行掃描，得到工藝品的數(shù)字模型，采用SLA激光快速成型機(jī)加工出工藝品模型；同時(shí)在測量的木鼎數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用激光內(nèi)雕機(jī)設(shè)計(jì)加工出新的工藝品，對(duì)工藝品的保護(hù)和開發(fā)有一定的參考作用，具體流程如圖1所示.

圖1　工藝品保護(hù)開發(fā)流程圖Fig.1 Flow chart for the protection and development of the arts and crafts

1　三維數(shù)據(jù)采集

物品表面三維數(shù)據(jù)的采集是重構(gòu)模型的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)測量方式的不同，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類.基本原理都是通過測量設(shè)備和方法，獲得物體表面離散點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù).

木鼎工藝品具有表面紋理復(fù)雜、細(xì)節(jié)特征明顯、曲面過渡較大的特點(diǎn)，接觸式測量在速度和精度上難以滿足實(shí)際需要.采用基于結(jié)構(gòu)光法的非接觸式測量，能夠較好地獲取物體表面的幾何數(shù)據(jù).

1.1光柵投影法

光柵投影法是一類主動(dòng)式全場三角測量技術(shù)，與其他結(jié)構(gòu)光方法不同之處在于：它投影的是一個(gè)在空間中周期分布的光柵場，在測量中以相位來描述光柵場的空間分布，并在條紋圖像中求出相位得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)［3］.

如圖2所示，投影點(diǎn)射出的光源在沒有放置被測物體時(shí)應(yīng)照射在A點(diǎn)，在CCD上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)為A′點(diǎn).放置被測物體后，照射到被測物體的C點(diǎn)，從圖示方向觀察，A點(diǎn)移動(dòng)到新的位置B點(diǎn)，在CCD上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)為B′點(diǎn).距離AB包含了高度信息z=H（x，y），即高度受到了表面形狀的調(diào)制，通過解調(diào)變形光柵影線可解算出被測物面的空間坐標(biāo).

圖2　光柵投影測量系統(tǒng)光路圖Fig.2 Optical path of grating projection measuring

德國GOM公司研發(fā)的ATOS三維光學(xué)測量系統(tǒng)利用光柵投影單元，將一組具有相位信息的光柵條紋投影到測量工件表面，左右2個(gè)高分辨率數(shù)模相機(jī)進(jìn)行同步測量，可以在極短時(shí)間內(nèi)獲得物體表面的高密度三維數(shù)據(jù).其單幅測量可創(chuàng)建多達(dá)4×106個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)，形狀誤差不大于0.005mm，整體拼合掃描精度為0.1mm／m［4］.

1.2三點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)齊變換

在實(shí)際測量中，由于受掃描儀測量范圍、物體外部形狀等因素的影響，需要對(duì)物體進(jìn)行多次測量，然后將測量的多視點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)齊和拼接，從而得到完整的反映物體全貌的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)操作提供可靠的數(shù)據(jù)模型［5］.

圖3　三點(diǎn)對(duì)齊示意圖Fig.3 Schematic diagram of three point alignment

分塊測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可看作一個(gè)剛體，兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊屬于空間剛體移動(dòng)；因此，多視點(diǎn)云的對(duì)齊可看作空間兩個(gè)剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.由于三點(diǎn)可以確定一個(gè)完整的坐標(biāo)系，因而單個(gè)零件多次測量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以使用三點(diǎn)對(duì)齊變換方法［6］.其基本原理如下：

在被測S曲面上選取3個(gè)不共線且在2次定位狀態(tài)下均可測量的點(diǎn)A，B和C，如圖3所示.

設(shè)第1次測量時(shí)A，B和C點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為p1，p2和p3，第2次測得的坐標(biāo)值q1，q2和q3.

剛體變換通過3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：Step1變換p1到q1；Step2變換矢量（p2-p1）到（q2-q1）；Step3變換包含3點(diǎn)p1，p2和p3的平面到包含q1，q2和q3的平面.

算法如下：

1.3木鼎的ATOS光學(xué)測量

在使用ATOS光學(xué)測量系統(tǒng)對(duì)木鼎進(jìn)行掃描前，要在木鼎表面隨機(jī)粘貼5mm的圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)（黑底白圈）作為拼接基準(zhǔn)參考點(diǎn)，如圖4所示.

多次掃描測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過“三點(diǎn)坐標(biāo)變換”進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合：每個(gè)單幅測量范圍內(nèi)必須含有3個(gè)以上同時(shí)也屬于上一幅測量的參考點(diǎn)（位于重疊／連接部分），第2批測量的點(diǎn)序列被轉(zhuǎn)化到前一次測量所定義的坐標(biāo)系中，測量數(shù)據(jù)拼合如圖5所示.

圖4　木鼎的ATOS光學(xué)測量Fig.4 ATOS optical measurement of wooden tripod

圖5　測量數(shù)據(jù)拼合Fig.5 Registration of measuring data

ATOS系統(tǒng)測量的第一幅數(shù)據(jù)將確定物體在ATOS Professional中的坐標(biāo)系，通過ATOS逐步對(duì)木鼎的4個(gè)側(cè)面、內(nèi)外面、上下面等進(jìn)行多次測量，得到不同測量視圖下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，ATOS Professional將利用參考點(diǎn)把不同的視圖對(duì)齊和拼合到一個(gè)坐標(biāo)系中，從而得到木鼎完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù).

2　數(shù)字模型的重構(gòu)

完成木鼎測量得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需將測量的點(diǎn)云轉(zhuǎn)變到一個(gè)沒有重疊的、由不同三角形組成的網(wǎng)格里［7］.通過GOM Inspect軟件進(jìn)行多邊形計(jì)算，并進(jìn)行網(wǎng)格編輯，包括補(bǔ)孔、創(chuàng)建網(wǎng)格橋、光順網(wǎng)格和稀化網(wǎng)格等操作，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)預(yù)處理.

在數(shù)字化測量物體時(shí)有時(shí)可能無法涉及所有表面，缺失數(shù)據(jù)表現(xiàn)在多邊形網(wǎng)格上就是網(wǎng)格上有孔，需要在ATOS軟件中修補(bǔ)填上這些缺孔.通過GOM Inspect軟件對(duì)網(wǎng)格處理，可以得到完整的木鼎多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)［8］，如圖6所示，同時(shí)可以輸出STL格式數(shù)據(jù).

圖6　木鼎數(shù)字模型Fig.6 Digital model of wooden tripod

3　工藝品保護(hù)與開發(fā)

3.1SLA激光快速成型

光固化快速成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)控制激光按零件的分層截面信息在液態(tài)光敏樹脂的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化.一層固化完成后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，依次不斷掃描新的一層液態(tài)樹脂，直至得到完整的三維實(shí)體模型［9］.

采用SLA工藝加工木鼎的過程主要包括前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、成型加工階段和后處理階段［10］.其工藝流程如圖7所示.

圖7　SLA加工工藝流程Fig.7 Machining process of SLA

使用FormLabs型SLA激光成型打印機(jī)加工木鼎模型的操作步驟如下：

Step1在液槽中裝入液態(tài)光敏樹脂，將木鼎的STL格式數(shù)據(jù)輸入PreForm軟件后，進(jìn)行模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放比例等布局操作，設(shè)置模型支撐結(jié)構(gòu)的間距和斜度系數(shù)，查看模型的分層切片數(shù)據(jù)；

Step2完成模型預(yù)操作后，連接打印機(jī)進(jìn)行打印，激光束將材料進(jìn)行逐層打印，直至完成打印.

最終打印模型如圖8所示.

圖8　木鼎的快速原型模型Fig.8 Rapid prototype model of wooden tripod

3.2激光內(nèi)雕加工

激光內(nèi)雕技術(shù)是內(nèi)部破壞技術(shù)，它通過計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑，使激光束在玻璃體內(nèi)部聚焦.激光束的能量密度在需要加工的區(qū)域超過玻璃的破壞閾值，能夠在瞬間使玻璃受熱破裂，產(chǎn)生大量微米量級(jí)大小的爆裂白點(diǎn)，從而在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)定的2D／3D形狀，而玻璃其余未爆裂的部分則保持原樣完好無損［11］.

本文所述HSGP－3KC型激光內(nèi)雕機(jī)采用半導(dǎo)體泵浦固體激光技術(shù)，產(chǎn)生的激光經(jīng)倍頻處理輸出波長為532 nm的激光，側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)原理如圖9所示［12］.激光內(nèi)雕機(jī)通過專用點(diǎn)云轉(zhuǎn)換軟件將二維或三維圖形轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，振鏡掃描器在計(jì)算機(jī)控制下高速擺動(dòng)，同時(shí)工作臺(tái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，輸出激光在玻璃中掃描點(diǎn)的位置，從而完成點(diǎn)云圖像的激光內(nèi)雕加工.

HSGP－3KC型激光內(nèi)雕機(jī)的激光波長為532 nm，激光頻率3 000Hz，最快雕刻速度為3 500點(diǎn)／s，進(jìn)行木鼎工藝品的加工步驟如下：

Step1點(diǎn)數(shù)據(jù)生成.將木鼎的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DXF格式文件，輸入Dot Cloud軟件中，進(jìn)行模型調(diào)整，設(shè)置加點(diǎn)方式為線面加點(diǎn)，輸入線點(diǎn)距、面點(diǎn)距值，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保存DXF點(diǎn)云文件；

Step2激光雕刻.將計(jì)算的木鼎DXF點(diǎn)云文件導(dǎo)入雕刻加工軟件中，設(shè)置玻璃體和工作臺(tái)尺寸，完成設(shè)置后，開始激光加工，得到的木鼎玻璃內(nèi)雕工藝品如圖10所示.

圖9　側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)原理Fig.9 Principle of side pump laser

圖10　木鼎激光內(nèi)雕工藝品Fig.10 Crafts of wooden tripod made by laser carving

4　總結(jié)

采用ATOS三維光學(xué)掃描系統(tǒng)對(duì)具有復(fù)雜型面及細(xì)節(jié)特征的木鼎進(jìn)行表面數(shù)字化，解決了以往測量精度難以滿足實(shí)際需要的難題.運(yùn)用SLA快速成型與激光內(nèi)雕技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了木鼎的復(fù)制與開發(fā)，為此類工藝品或文物的保護(hù)開發(fā)提供了新的途徑和手段.

［1］張德海，李艷芹，謝貴重，等.三維光學(xué)掃描技術(shù)逆向工程應(yīng)用研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2015，36（4）：519－525.

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

［3］達(dá)飛鵬，蓋紹彥.光柵投影三維精密測量［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［4］張坤，馮蘭芳，惠延波，等.基于逆向工程技術(shù)的某微客車排氣系統(tǒng)的快速開發(fā)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（16）：30－33，42.

［5］康蘭，馮亞娟，陳正鳴.多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速對(duì)齊方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2009，25（1）：7－9，14.

［6］牟小云.基于RE／RP集成的復(fù)雜外型產(chǎn)品快速成型技術(shù)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2008.

［7］胡迎春，余兵浩，歐亞龍.人體腰椎節(jié)段CT圖像的反求建模和有限元分析［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25（2）：13－16.

［8］靳龍，袁愛霞，胡迎春.基于Mimics和ProE的人體腰椎生物力學(xué)分析［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，24（4）：45－49.

［9］龔運(yùn)息.基于SLA和FDM的3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇工藝與性能分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2015（11）：111－115.

［10］劉杰.光固化快速成型技術(shù)及成型精度控制研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2014.

［11］何文浩.三維激光微雕技術(shù)在玻璃深加工中的應(yīng)用發(fā)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2015，34（S）：311－313.

［12］蘇維均，劉贇喆，王群.激光內(nèi)雕機(jī)的使用及相關(guān)問題的解決方案［J］.北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，26（3）：25－28.

（學(xué)科編輯：黎婭）

Application and research of reverse engineering and laser manufacturing technology in the arts and crafts

XIA Ming-xiang1,SHI Guang-lin*1,CHEN Chen1,SONG En-quan2
(1.School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China; 2.Liuzhou Xin Ding Technology Co.,Ltd.,Liuzhou 545007,China)

Taking a wooden tripod craft as the research object,the basic principle of grating projection measurement is described briefly.The realization of the three point coordinate change algorithm is analyzed.The point cloud data of wooden tripod has been obtained by using ATOS optical scanner.The digital model has been established with the GOM Inspect software.And it is converted to STL data format to input PreForm software,using SLA laser rapid prototyping machine to complete the model of printing;the laser processing method has been used to design and process the new glass carving arts and crafts.And this provides a new way for the digital protection and development of arts and crafts.

reverse engineering;optical measurement;SLA rapid prototyping;laser engraving

TB472

A

2095-7335（2016）03-0045-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.008

2016-02-25

廣西科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科能1598024-2-1）資助.

石光林，教授，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)，E-mail：sgl8913＠163.com.