黃 麗，屈 坤，袁國強

（武昌工學院，湖北 武漢 430000）

1 主要研究內(nèi)容

文章的主要研究內(nèi)容是了解復雜零件的逆向方法，重點學習逆向工程的數(shù)據(jù)測量以及后續(xù)對點云數(shù)據(jù)的修復工作。先從葉片的數(shù)據(jù)測量開始，要能夠得到相對全面的葉片表面數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)去除雜點、精簡、降噪等一系列處理，為后面的建模提供一個完整的表面點云。文章研究的風機葉片為圓筒式軸流風機葉片，葉片的直徑為200mm，圓筒的直徑為90mm，圓筒的壁厚2mm，圓筒的高度40mm。

文章是使用光柵掃描技術得到了風機葉片的點云數(shù)據(jù)，然后基于Geomagic Studio軟件分析葉片的表面點云，并找到合理的建模方法。本設計以軸流風機葉片為例子，利用三維掃描儀對復雜曲面進行逆向測量，然后經(jīng)過點階段、多邊形階段等步驟的處理，得到了滿意的風機葉片模型。最后通過誤差的分析對比，最終得到了葉片CAD模型符合本次設計的要求。

（1）測量設備分析。經(jīng)過對各種設備的分析對比，文章選用的是華科大研究開發(fā)的三維掃描儀。本設備采用光柵掃描技術，標志點全自動拼接，擁有速度快、準確度高、高解析度等優(yōu)勢。對風機葉片等外表復雜的工件建模效果很好。

（2）點云數(shù)據(jù)的獲取。點云數(shù)據(jù)的獲取是葉片逆向建模的第一步。收集葉片數(shù)據(jù)的質量對最后建立葉片模型起著十分關鍵的作用，文章選擇的掃描儀采用光柵掃描，標志點全自動拼接。在使用前還需要對系統(tǒng)進行標定，標定后才能夠通過標識點將每次掃描獲取的數(shù)據(jù)建立起相互的位置關系，相對于手動拼接而言，大大節(jié)省了拼接的時間。根據(jù)掃描儀的特點以及風機葉片的特點，文章采用旋轉掃描的方式來進行數(shù)據(jù)獲取。掃描前還需要給風機葉片貼上標志點，以便于掃描識別，由于掃描時不易捕捉到圖像，風機葉片已經(jīng)被噴上顯象劑。每完成一次掃描需要將平臺轉動一定的角度進行下一次掃描，當轉過360°后風機葉片正面的數(shù)據(jù)獲取就完成了，需要注意的是轉動時風機葉片在平臺上沒有發(fā)生相對移動，否則獲取數(shù)據(jù)會混亂。此時需要將葉片翻轉過來，進行背面的數(shù)據(jù)掃描獲取，此時需要注意的是讓標志點對著攝像頭以便點云數(shù)據(jù)的自動拼接，操作方法與正面一樣。掃描后獲取的點云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)已經(jīng)自行著色，圖形顯示的比較清晰。其中黑色部分相對較少，距離主體點云較遠，為冗余點，后續(xù)處理需要去處，黃色部分為葉片數(shù)據(jù)缺失的部分，需要補齊，綠色部分為外表面，即本次掃描的有效點云。

（3）點階段處理。因為風機葉片形狀比較復雜，在掃描獲取數(shù)據(jù)時難以避免死角的出現(xiàn)，這導致了數(shù)據(jù)有所缺失，需要對其進行修復；數(shù)據(jù)中含有很多冗余點，需要對其精簡；另外，因一次掃描不可能獲得完善的風機葉片點云，只能從多個角度分別掃描才能獲得完善的點云，然后把這些點云拼接好就是一個整體的葉片點云了。本階段的步驟有下面3點：①從初始的點云中分離出有用點，去除掉無用點；②不破壞外形的情況下精簡點云；③封裝成多邊形對象。結果如圖1所示。

圖1 采樣后的葉片點云數(shù)據(jù)

對比可以發(fā)現(xiàn)，點云數(shù)據(jù)中的雜點等不必要的數(shù)據(jù)得到有效減少，這有利于模型后續(xù)的修復處理。最后是對點云數(shù)據(jù)進行封裝，選擇工具欄中的“點”→“合并”，彈出“合并點”對話框，在“設置”欄中的“局部噪音降低”設置為“中間”，選中“保持原始數(shù)據(jù)”、“刪除小組件”單選框，在“采樣”一欄中選中“最大三角形數(shù)”單選框，然后將最大三角形數(shù)設置為50萬。點擊“確認”后，形成了葉片封裝圖，如圖2所示。

圖2 封裝后的風機葉片

（4）多邊形階段處理。多邊形網(wǎng)格化是將預處理過的點云集合用多邊形連接起來，構成多邊形網(wǎng)格，也就是將原來的點轉換成面的形式反映出來，但是對點云進行多邊形網(wǎng)格化后會導致網(wǎng)格化的模型產(chǎn)生很多問題，比如模型的合法性和正確性等等。因為點云數(shù)據(jù)的丟失、噪音點、頂點數(shù)據(jù)的錯誤、網(wǎng)格化運算錯誤等等原因，網(wǎng)格化后的模型有可能會出現(xiàn)網(wǎng)格退化、自交、孤立、重疊、空洞等缺陷。這些缺陷會嚴重影響到后續(xù)對模型的處理。

因此多邊形階段需要修復以上所述原因所產(chǎn)生的錯誤，通過松弛、去噪、擬合等方式將風機葉片的模型進一步優(yōu)化。經(jīng)過多次完善后，就擁有了相對完整的多邊形對象，主要操作如下：①修復細微錯誤網(wǎng)格；②去處特征；③松弛網(wǎng)格；④填充孔洞。本次的修復效果較好。經(jīng)過多次的填充空洞，修復表面光順度等，最終得到的風機葉片模型如圖3所示。

圖3 風機葉片模型

2 葉片模型的誤差分析

運用軟件中的誤差分析功能可以對比修復后模型的數(shù)據(jù)誤差，分別將葉片三維掃描擬合后的點云模型和用軟件修復完畢后的模型導入到程序中，以葉片測量模型為基準進行分析比對，通過自動生成的顏色偏差圖實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的精確度統(tǒng)計分析。分析和對比結果如圖4所示：圖中大部分為綠色，也是精度最高的一部分，誤差幾乎為零，少量部分為黃色和藍色，最大誤差接近0.08mm，整體來看，誤差平均值是在-0.0019～+0.0028mm之間，標準偏差 0.0044mm，即在0.005mm以下，因此，本次設計實現(xiàn)了風機葉片的高精度測量和建模的目的。

圖4 精度對比偏差圖

逆向工程技術在很多行業(yè)都有了應用，例如物品的復制和創(chuàng)新，便于吸收先進的技術，降低產(chǎn)品的研發(fā)時間。風機葉片是風機的重要零部件，所以風機葉片的三維模型是決定產(chǎn)品質量的關鍵。文章實現(xiàn)了風機葉片的精密數(shù)字化測量，數(shù)據(jù)采集及處理，最后建模成功，為風機葉片的制造起到了很大作用。

［1］柯映林.反向工程CAD建模理論、方法和系統(tǒng)［D］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術及應用［D］.北京：清華大學出版社，2010.

［3］成思源，楊雪榮.逆向建模技術及應用［D］.北京：清華大學出版社，2016.