朱照紅

（江蘇省靖江中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇靖江，214500）

0 前言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，基于3D掃描和數(shù)控雕刻的智能制造技術(shù)在木器加工、模具制造、玉石雕刻等領(lǐng)域尤其是廟宇、園林等古建筑修復(fù)領(lǐng)域，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其可制造性、可重復(fù)性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)都大大提高。本文主要研究3D掃描與數(shù)控雕刻一體機(jī)的設(shè)計(jì)、制作技術(shù)路線(xiàn)，并探索其在古園林建筑領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括，3D掃描單元、數(shù)控雕刻單元以及公共共享單元等三大部分。3D掃描單元著力解決圖像采集、數(shù)據(jù)分析、曲面建模等問(wèn)題；數(shù)控雕刻單元著力解決CAD/CAM建模、生成加工代碼、完成運(yùn)動(dòng)控制和主軸控制等；公共共享單元完成穩(wěn)壓電源供給、信號(hào)檢測(cè)報(bào)警及機(jī)械本體支撐等。此外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)為考慮系統(tǒng)的整體性和一致性要求，將掃描單元和雕刻單元設(shè)計(jì)成共用一套運(yùn)動(dòng)控制和主軸控制單元，結(jié)構(gòu)更加緊湊，操作更加方便、數(shù)據(jù)處理更加協(xié)調(diào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 3D掃描單元

圖1 3D掃描單元

3D激光掃描單元由激光器與攝像機(jī)、濾光片、標(biāo)定板等幾部分組成，完成發(fā)送脈沖和測(cè)距指令、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和激光掃描、記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及點(diǎn)云距離信息、結(jié)束掃描過(guò)程并完成數(shù)據(jù)后續(xù)處理等工作過(guò)程。掃描儀通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的可以旋轉(zhuǎn)的鏡子將系統(tǒng)發(fā)射的脈沖激光束偏轉(zhuǎn)，形成一個(gè)具有90度的掃描輪廓。攝像頭和機(jī)身之間依次加入普通和窄帶濾光片，可過(guò)濾掉大量自然光影響。另外，將5個(gè)激光二級(jí)管以十字形等距固定在電路板上，作為標(biāo)定所用到的四點(diǎn)標(biāo)定板。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 數(shù)控雕刻單元

數(shù)控雕刻單元包括機(jī)械本體、電氣系統(tǒng)（包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和電控柜）等。電氣系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源模塊、進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊、主軸驅(qū)動(dòng)模塊、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z 軸電機(jī)及主軸電機(jī)等組成。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)控雕刻電氣系統(tǒng)

2.3 一體化單元

圖3 一體化掃描雕刻硬件單元設(shè)計(jì)

在考慮到3D掃描單元和數(shù)控雕刻單元的基本功能后，可以充分利用雕刻原有的工作平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制單元，通過(guò)圖像采集卡將采集到的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存入計(jì)算機(jī)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)方向電機(jī)完成圖像采集和同步調(diào)整。一體化單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖中圖像采集卡的作用是將圖像或視頻經(jīng)過(guò)數(shù)字解碼、A/D轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、緩沖等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成軟件可以識(shí)別的數(shù)字格式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本一體化系統(tǒng)軟件包括基于單片機(jī)或PLC控制的掃描、雕刻功能自動(dòng)切換軟件、3D掃描軟件和數(shù)控雕刻軟件三大部分組成。這里主要介紹掃描軟件和數(shù)控雕刻軟件。

3.1 3D掃描軟件結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)3D掃描軟件種類(lèi)很多，但是一種基于高速激光掃描測(cè)量原理的3D掃描系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)接口模塊等四部分組成。數(shù)據(jù)獲取軟件模塊通過(guò)測(cè)量目標(biāo)圖像獲取、物像關(guān)系標(biāo)定、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等過(guò)程完成掃描物件空間三維信息的獲取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；數(shù)據(jù)顯示軟件模塊通過(guò)對(duì)采集圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移等工具，完成俯視圖、仰視圖和主視圖等三維視圖的點(diǎn)云觀察；數(shù)據(jù)處理軟件模塊通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的規(guī)整、邊界提取、數(shù)據(jù)合并等過(guò)程完成數(shù)據(jù)特征分析和曲面建模等功能；數(shù)據(jù)接口主要功能是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成能夠被CAD等常用軟件識(shí)別的灰度圖文件。

3.2 數(shù)控雕刻軟件結(jié)構(gòu)

數(shù)控雕刻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)應(yīng)用程序和運(yùn)控控制程序兩部分。

圖4 數(shù)控雕刻系統(tǒng)軟件流程

主機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互、界面顯示及加工軌跡預(yù)覽等基本功能，通常采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。

運(yùn)動(dòng)控制（MotionControl）程序通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。常用運(yùn)動(dòng)控制器有DMC110A單軸運(yùn)動(dòng)控制器和DMC300A三軸運(yùn)動(dòng)控制器、GE系列運(yùn)動(dòng)控制器、ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器等。其中DMC300A三軸運(yùn)動(dòng)控制器適用于步進(jìn)電機(jī)的各種場(chǎng)合控制應(yīng)用，它具有中文點(diǎn)陣液晶顯示（128×64點(diǎn)陣）和27鍵薄膜開(kāi)關(guān)；開(kāi)放顯示指令及數(shù)字鍵鍵值讀?。蛔鴺?biāo)參數(shù)支持相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)；包含直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)指令，自動(dòng)完成任意兩軸直線(xiàn)、圓弧插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)空間曲線(xiàn)的加工；16個(gè)通用輸入點(diǎn)、8個(gè)輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯、點(diǎn)位控制等特點(diǎn)。

數(shù)控雕刻系統(tǒng)軟件工作流程如4圖所示。

4 系統(tǒng)誤差分析

為提高掃描件建模精度和雕刻件復(fù)制準(zhǔn)確率，有必要分析系統(tǒng)誤差。文獻(xiàn)研究表明，目前市場(chǎng)的3D掃描大致可分為三類(lèi)：一類(lèi)是基于脈沖測(cè)距原理的徑向3D掃描系統(tǒng)；一類(lèi)是基于光學(xué)干涉原理的相位干涉掃描系統(tǒng)；第三類(lèi)是基于立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源構(gòu)建的3D投影的三角法掃描系統(tǒng)。

這里重點(diǎn)探討第一類(lèi)掃描系統(tǒng)的誤差?；诿}沖測(cè)距原理的徑向3D掃描系統(tǒng)采用非接觸式高速激光測(cè)量技術(shù)，它以點(diǎn)云方式獲取較復(fù)雜物體表面的陣列式幾何圖形的3D數(shù)據(jù)。引起系統(tǒng)誤差的主要因素有儀器自身的制造誤差、待測(cè)量物體的光反射誤差以及測(cè)量技術(shù)誤差等。儀器制造誤差主要來(lái)源于激光測(cè)距、掃描角度設(shè)計(jì)等，掃描角度設(shè)計(jì)跟掃描鏡的平面角度、掃描鏡的抖動(dòng)、掃描鏡的轉(zhuǎn)速控制等有關(guān)；光反射誤差主要來(lái)源于待測(cè)物體的表面粗糙度和反射面的反射角選擇等。

5 建筑廟宇修復(fù)

古建筑廟宇多為木質(zhì)榫卯結(jié)構(gòu)，年久失修，傳統(tǒng)手工藝修復(fù)難度大、修復(fù)成本高、周期長(zhǎng)。而利用3D激光掃描技術(shù)加數(shù)控雕刻技術(shù)則能很好的解決上述難題，且對(duì)維修師傅的技術(shù)要求大大降低、維修成本更加低廉、維修周期相應(yīng)縮短?；?D和數(shù)控雕刻的古建筑木質(zhì)結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程是：首先選取廟宇檐角與破損件具有相同圖案和尺寸的結(jié)構(gòu)件作為參考樣本，也可用手持式掃描機(jī)現(xiàn)場(chǎng)掃描取樣，并生成asc數(shù)據(jù)文件，然后在電腦中生成STL文件并建立3D模型，最后生成加工路徑后開(kāi)始參考樣本的雕刻過(guò)程。通常仿制樣品雕刻加工完成后仍需手工修整，但榫卯結(jié)構(gòu)件的修復(fù)工藝性大大提高，生成周期也從月縮短為小時(shí)。

6 小結(jié)

本文首先概述3D掃描與數(shù)控雕刻一體機(jī)的基本組成，包括3D掃描單元、數(shù)控雕刻單元以及公共共享單元等，然后重點(diǎn)分析掃描單元和數(shù)控單元軟件設(shè)計(jì)模塊，在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要分析了其在古建筑廟宇榫卯結(jié)構(gòu)件上的具體應(yīng)用和工藝要領(lǐng)。可以說(shuō)基于3D掃描和數(shù)控雕刻技術(shù)的榫卯結(jié)構(gòu)件快速?gòu)?fù)制修復(fù)工藝必將在古建筑修復(fù)市場(chǎng)大有可為。