范成博，張夢夢，劉繼強(qiáng)，陳雨情，李麗娟，侯茂盛

（1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022；2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

引言

近年來由于模型定義、數(shù)字孿生等技術(shù)在我國制造業(yè)的拓展和深入，先進(jìn)裝配制造技術(shù)領(lǐng)域朝著數(shù)字化、智能化和柔性化方向不斷發(fā)展。對于飛機(jī)制造業(yè)而言，機(jī)械臂、激光跟蹤儀等數(shù)字化設(shè)備已在國內(nèi)主要先進(jìn)制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在日趨激烈的競爭環(huán)境下，各先進(jìn)制造企業(yè)如何通過數(shù)字化設(shè)備來提高產(chǎn)品精度，如何提高生產(chǎn)效率就成為各企業(yè)所關(guān)注的核心問題。對于飛機(jī)裝配的定位問題，小型連接件約占飛機(jī)零件總數(shù)的30%，數(shù)量極為龐大，外形多樣且裝配工藝繁多，但目前卻仍采用固定夾具，量尺劃線，鉆鉚模板等人工裝配方式[1]。上述加工裝配方法存在著定位精度低、效率差等問題。這些問題是目前先進(jìn)制造裝配業(yè)中亟待解決的技術(shù)瓶頸。

激光掃描投影技術(shù)是將零部件的三維CAD 數(shù)模，通過驅(qū)動二維振鏡掃描系統(tǒng)使激光器出射的光線被快速轉(zhuǎn)折，繪制出由激光線快速循環(huán)掃描形成的零部件外形輪廓線框。其利用激光在待安裝和加工區(qū)域掃描形成的清晰、明亮的零部件輪廓線框，幫助技術(shù)人員得到更加直觀和實(shí)用的信息，使其操作更加精確、高效。這種方法有效地將數(shù)據(jù)模型與實(shí)際制造和裝配銜接起來[2-3]。

長春理工大學(xué)在激光掃描投影技術(shù)方面已進(jìn)行了多年的研究，完成了基于四元數(shù)法的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法的研究，提高了所研制激光掃描投影系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度[4]，可實(shí)現(xiàn)對3D 投影空間進(jìn)行智能定位分析[5]，并應(yīng)用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)提高動態(tài)自聚焦精度要求[6]，采用Fleury 算法優(yōu)化了投影路徑[7]。本文為了使自主研發(fā)的激光掃描投影系統(tǒng)可直接讀取三維數(shù)模，更快速智能地實(shí)現(xiàn)激光掃描投影，研究了一種多特征圖元提取與投影文件自動生成方法，可以直接獲取CAD 數(shù)模中掃描投影輪廓線框圖形所需的點(diǎn)、線、面等特征數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理形成激光掃描投影控制文件。

1 IGES 文件分析

IGES（Initial graphics exchange specification，初始圖像交換規(guī)范）作為一種CAD/CAM 間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換文件方式被普遍接受。通過這種文件的結(jié)構(gòu)與使用數(shù)據(jù)和字符串的表達(dá)方式，可對幾何及非幾何產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)定[8]。

1.1 IGES 文件格式表述

IGES 的整個(gè)文件由若干行組成，每行固定有80 個(gè)字符，行數(shù)任意，采用二進(jìn)制格式[9]。

IGES 文件一般由五、六個(gè)部分構(gòu)成，每一部分的行數(shù)各異，各部分的標(biāo)志都被記錄于該行文字的第73 個(gè)字符上，這些標(biāo)志來源于英文釋義首字母，如目錄條目段（directory entry section）的數(shù)據(jù)便采用目錄的英文首字母D 來標(biāo)記，用P 對參數(shù)數(shù)據(jù)段（parameter data section）進(jìn)行標(biāo)識，結(jié)束段（terminate section）會以字母T 來注明[10]。

目錄條目段的作用如同一本書的目錄索引一樣，引導(dǎo)讀者于數(shù)據(jù)段查找對應(yīng)信息，該段記錄了圖形的種類與數(shù)據(jù)的編號等。

參數(shù)數(shù)據(jù)段記錄了如三維坐標(biāo)，繪制形式等所繪實(shí)體的數(shù)據(jù)參數(shù)，按照繪制種類，參數(shù)坐標(biāo)的順序排列。

結(jié)束段位于文末對其他段落行數(shù)進(jìn)行交代。

1.2 IGES 文件的具體解析方法和流程

IGES 文件中描繪框圖的數(shù)據(jù)信息被盡數(shù)記錄于目錄段和參數(shù)段。其中目錄段記錄了該圖形中所有實(shí)體的基本屬性信息。每個(gè)實(shí)體信息需占據(jù)兩行目錄條目段來記錄，記錄次序?yàn)槿我獾?，?列出了目錄段各條目信息[11-12]。

表 1 目錄條目段數(shù)據(jù)信息Table 1 Data information of directory entry segment

其中實(shí)體類型號是對實(shí)體類型進(jìn)行編碼，用以區(qū)分不同實(shí)體，參數(shù)數(shù)據(jù)起始號即為該數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)段的首行號；層為該實(shí)體所占據(jù)的圖層號，二維圖形的圖層為0；變換矩陣是指2 個(gè)坐標(biāo)系下對圖形進(jìn)行映射的矩陣指針號，不需要變換矩陣時(shí)其值為0；狀態(tài)號是由4 個(gè)雙字節(jié)來表征其可見、從屬、使用、標(biāo)志屬性；線寬為所繪制線段可見寬度，其最值受限于全局段，最小值為0；顏色號為區(qū)分圖形顏色所設(shè)的數(shù)字代號；參數(shù)行計(jì)數(shù)代表著該數(shù)據(jù)于參數(shù)數(shù)據(jù)段所占行數(shù)，格式號為在原有解釋上的再說明[13-14]。

從參數(shù)數(shù)據(jù)段可獲得邊框圖形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過對D 段以及P 段分析可以獲得輪廓圖中有關(guān)圖形種類、圖層、端點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息，可用來指導(dǎo)工人進(jìn)行零部件的定位安裝。

如圖1 所示，這是一份IGES 文件的TXT 格式打開。目錄段的實(shí)體類型號106 代表所畫圖形為矩形；參數(shù)數(shù)據(jù)起始行號為1，表示這個(gè)數(shù)據(jù)占據(jù)數(shù)據(jù)信息段的首行；由上圖目錄段信息可知圖層，線性模式均為0；無變換矩陣，線寬代號為70；其中顏色代號為8，代表所畫矩形為白色；參數(shù)行計(jì)數(shù)為1，代表該信息在數(shù)據(jù)信息段僅占一行；由狀態(tài)號可看出，該圖形為可見、獨(dú)立、幾何，層狀態(tài)為總體自頂向下的，格式號為63。

圖 1 長方形IGES 文件Fig. 1 Rectangular IGES file

從參數(shù)數(shù)據(jù)段我們可以獲悉，這個(gè)矩形是通過第1 種方式繪制的，即依次序給出5 個(gè)關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)（首末端點(diǎn)重合）的坐標(biāo)信息而繪制成。通過其坐標(biāo)信息可以得知該圖形是一個(gè)以原點(diǎn)為起點(diǎn)，長為200 mm，寬為100 mm 繪制在第四象限的矩形。

鑒于以上對IGES 文件的研究，自主研發(fā)出一套可進(jìn)行多特征圖元提取和文件自動生成的程序，進(jìn)而控制激光掃描投影系統(tǒng)。

1.3 IGES 文件數(shù)據(jù)信息提取及.ply 文件生成

為獲取一個(gè)可控制激光掃描投影的.ply 格式文件，可先從三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。邊框提取獲得該數(shù)模輪廓圖，將得到的輪廓圖存儲為IGES 格式。將IGES 文件導(dǎo)入自主研發(fā)的多特征圖元提取和文件自動生成程序中，進(jìn)行文件解鎖分析。

將文件導(dǎo)入后，程序首先會訪問其目錄條目段，獲取其第4 列偶數(shù)行信息。通過這條信息來判斷該圖形在參數(shù)數(shù)據(jù)段的起始位置及占用的存儲空間。經(jīng)程序做出初步判斷后會對占用兩行及兩行以上的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行拼接。待數(shù)據(jù)信息處理好后將其進(jìn)行循環(huán)判斷，并根據(jù)圖形的類型進(jìn)行分類。如首行信息為100 的是圓形，需將其歸總到圓類，然后獲取其圓心坐標(biāo)和半徑。當(dāng)實(shí)體類型號為106 時(shí)該圖形為多邊形，需判斷其邊數(shù)及繪制方法，進(jìn)而獲取關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。將分類好的參數(shù)信息按照圖形的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用拆分、重組、導(dǎo)入結(jié)構(gòu)體等方法將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存入對應(yīng)形狀的元胞中按照其所屬類別導(dǎo)出。

最后需根據(jù)裝配所需求的加工方式、材料以及加工步驟的不同，將從元胞中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)加以整理生成.ply 文件。.ply 文件首先根據(jù)圖形的類型將不同的元胞數(shù)據(jù)做組別區(qū)分，每一組包含一個(gè)完整的圖形信息；之后按照圖形所屬整體圖形的不同區(qū)域進(jìn)行項(xiàng)目劃分；最后按照加工工藝、加工技術(shù)、圖層等因素進(jìn)行圖層劃分。整個(gè).ply 文件遵循由組別到項(xiàng)目，最終到圖層的層層遞進(jìn)方式設(shè)計(jì)而成。在.ply 文件的控制下，激光掃描投影系統(tǒng)便可進(jìn)行分圖層投影，從而指導(dǎo)工人在工件上進(jìn)行零部件的裝配加工。圖2 為IGES 格式經(jīng)多特征圖元提取和文件自動生成程序處理后轉(zhuǎn)換成.ply 格式的結(jié)果圖。

圖 2 IGES 轉(zhuǎn)換成.ply 結(jié)果圖Fig. 2 Result diagram of IGES converting to .ply

2 基于IGES 文件的投影系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1 新型激光掃描投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多特征圖元提取和文件自動生成的激光掃描投影系統(tǒng)主要由可調(diào)諧激光器組模塊、聚焦模塊、二維振鏡模塊、反饋光強(qiáng)探測模塊、驅(qū)動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊組成[15]。其中驅(qū)動模塊是由基于自主研發(fā)系統(tǒng)生成的.ply 文件完成的。通過對數(shù)控開關(guān)的開合延時(shí)以及對二維振鏡偏轉(zhuǎn)軌跡的控制，該系統(tǒng)可以將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的CAD 模型以激光束輪廓線的形式按照1∶1 的比例精確地成像到工作面上，從而指導(dǎo)工人裝配[16]。該套系統(tǒng)能夠?qū)AD 工程設(shè)計(jì)與激光輔助制造銜接起來，直接指導(dǎo)工人在主體上進(jìn)行零部件裝配。

搭建的激光掃描投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖3 所示。

圖 3 激光掃描投影系統(tǒng)Fig. 3 Laser scanning projection system

激光經(jīng)過聚焦模塊進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，透過分束鏡激光到達(dá)二維振鏡模塊，通過二維振鏡的快速偏轉(zhuǎn)使激光束在被投影工件表面進(jìn)行投影。到達(dá)靶標(biāo)面后光線沿原路返回，在分束鏡處反射進(jìn)入探測模塊。其中二維振鏡轉(zhuǎn)動受自主研發(fā)程序處理后生成.ply 文件。在投影過程中依照從組別到項(xiàng)目最終到圖層，由低到高順序投影便可實(shí)現(xiàn)分圖層指示多種材料及多種處理工藝的零部件裝配。這種方法可提高工作效率，減少人工成本?；谧灾餮邪l(fā)程序處理的激光掃描投影系統(tǒng)工作流程圖如圖4 所示。

2.2 新型激光掃描投影系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

從SolidWorks、CATIA 等畫圖軟件數(shù)模中提取出所需要裝配部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖5 所示。將提取出的結(jié)構(gòu)圖存儲為IGES 格式，該結(jié)構(gòu)圖的IGES文件如圖6 所示。通過對IGES 文件分析處理生成含有投影圖像三維坐標(biāo)的.ply 文件。將.ply 文件輸入激光掃描投影系統(tǒng)，通過對二維振鏡及數(shù)控開關(guān)的控制可實(shí)現(xiàn)在投影面根據(jù)不同加工工藝、不同加工材料投影出復(fù)雜圖形，進(jìn)而指導(dǎo)裝配。

圖 4 激光掃描投影系統(tǒng)工作流程圖Fig. 4 Flow chart of laser scanning projection system work

圖 5 裝配部分三維數(shù)模及其結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Assembly part 3D digital model and its structure

圖 6 結(jié)構(gòu)圖的IGES 文件Fig. 6 Structure diagram of IGES file

從圖6 所示IGES 文件目錄段信息可以看出，目錄段信息為每兩行描述一個(gè)信息，根據(jù)末行的D24 可以知道整個(gè)結(jié)構(gòu)圖由12 個(gè)圖線組成，分別為7 個(gè)“圓形”，4 個(gè)“矩形”和1 條直線，且均在一個(gè)圖層并且顏色相同。

對照前文表1 目錄條目段數(shù)據(jù)信息，可以獲知第2 列的奇數(shù)行代表其起始行號，第4 列的偶數(shù)行代表著該實(shí)體類型數(shù)據(jù)信息占據(jù)行數(shù)。根據(jù)這些信息有助于在實(shí)驗(yàn)階段從參數(shù)數(shù)據(jù)段中挑選諸如端點(diǎn)坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)、以及半徑等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。并可預(yù)先了解到某些參數(shù)數(shù)據(jù)會占據(jù)多少行，對其進(jìn)行拼接處理以方便后續(xù)操作。

將IGES 文件導(dǎo)入自主研發(fā)的程序中，程序?qū)⒃谌コ鹗级?、全局段和結(jié)束段等與投影無關(guān)段落，從而直接訪問目錄段與數(shù)據(jù)信息段。在此過程中程序?qū)⒁罁?jù)句首數(shù)字信息對其種類進(jìn)行判斷，進(jìn)而將其分類輸入對應(yīng)結(jié)構(gòu)體中。將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入對應(yīng)元胞，并依據(jù)圖形種類分類存儲，可得到如圖7 所示的分類存儲元胞。

圖 7 分類存儲的元胞Fig. 7 Classification of stored cellulars

基于圓心坐標(biāo)和半徑，根據(jù)下式去擬合圖7 中圓上點(diǎn)坐標(biāo)信息的元胞：

式中：a 為圓心橫坐標(biāo)；b 為圓心縱坐標(biāo)；r 為半徑；c 為圓上點(diǎn)橫坐標(biāo)；d 為圓上點(diǎn)縱坐標(biāo)；j 為從1～36的整數(shù)值（×0.017 5 表示取弧度）。

最后將元胞中的數(shù)據(jù)依據(jù)其不同材料以及不同加工工藝，通過程序?qū)⑵浒凑战M別、項(xiàng)目和圖層由低到高分類生成可供投影的.ply 文件，如圖8 所示。

圖 8 可供投影的.ply 文件Fig. 8 .ply file for projection

將.ply 文件導(dǎo)入激光掃描投影系統(tǒng)，通過Fleury 算法對其路徑進(jìn)行優(yōu)化并控制激光器通斷，可以改善由于二維振鏡慣性引起的端點(diǎn)模糊[7]，跳轉(zhuǎn)線未空白等問題。經(jīng)過多次優(yōu)化改良的實(shí)際投影圖像如圖9 所示。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該套系統(tǒng)可處理IGES 格式的CAD 文件，自動生成可供激光掃描投影系統(tǒng)進(jìn)行投影的.ply 文件，且激光輪廓線寬優(yōu)于0.3 mm。

3 結(jié)論

圖 9 優(yōu)化后的激光掃描投影圖像Fig. 9 Optimized laser scanning projection image

本文研究了一種新型的可直接識別投影對象的三維數(shù)模的激光掃描投影方法。該方法通過自主研發(fā)的多特征圖元提取和文件自動生成程序?qū)⒋鎯υ贗GES 中的圖形顏色、尺寸、圖層、樣式等數(shù)據(jù)信息提取出來，并按照實(shí)體類型樣式等信息對提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，最終以元胞的方式存儲在.ply 格式文檔中。通過.ply 文件對數(shù)控開關(guān)進(jìn)行延時(shí)控制以及對二維振鏡軌跡進(jìn)行操控。上述方法可達(dá)到直接識別IGES 文件進(jìn)而指導(dǎo)激光掃描投影系統(tǒng)在工作面上進(jìn)行投影的目的。結(jié)合長春理工大學(xué)所研發(fā)的激光掃描投影系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在航空航天制造工程中的飛機(jī)零部件裝配、復(fù)合材料鋪層、圖案噴涂等工作中。通過該技術(shù)輔助裝配可以大幅度提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品精度。