曹高原，曹學(xué)明，王緒杰

（深圳市銀寶山新檢測技術(shù)公司，廣東深圳 518108）

1 引言

隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及數(shù)字地球、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，人們對空間三維信息的需求更加迫切。工業(yè)上也因5軸聯(lián)動機(jī)床的普及，傳統(tǒng)的二維測量數(shù)據(jù)已經(jīng)不能跟上工業(yè)發(fā)展的腳步。如何快速、準(zhǔn)確地將物體的三維信息數(shù)字化并輸入計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)檢測的新領(lǐng)域。逆向掃描測量工程的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，為信息數(shù)字化工業(yè)發(fā)展提供了必要的生產(chǎn)條件。逆向工程在制造業(yè)中最常見的兩種方式是觸測式三坐標(biāo)測量和結(jié)構(gòu)光三維掃描測量。兩種測量方法都可以獲取實(shí)體的數(shù)字化三維信息。本文通過對比兩種測量方式的原理、流程和結(jié)果，提出了結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在產(chǎn)品逆向建模中能更好的將產(chǎn)品真實(shí)還原。

2 觸測式三坐標(biāo)測量機(jī)與結(jié)構(gòu)光三維測量機(jī)的差異

2.1 測量原理的不同

（1）三坐標(biāo)測量機(jī)掃描測量原理。

觸測式三坐標(biāo)測量機(jī)是基于坐標(biāo)測量的通用化測量設(shè)備。測量前將被測物體放入可測量行程內(nèi)，設(shè)定笛卡爾三維坐標(biāo)系，在被測產(chǎn)品的測量部位，采用觸發(fā)式逐點(diǎn)掃描測量，將掃描測量點(diǎn)進(jìn)行位置擬合，再根據(jù)所掃描點(diǎn)集合的空間坐標(biāo)值，計(jì)算出其尺寸和形位誤差，最后運(yùn)用三維建模軟件將掃描的點(diǎn)集創(chuàng)建成各類幾何特征，進(jìn)而擬合構(gòu)造成可編輯的三維實(shí)體數(shù)學(xué)模型。

（2）結(jié)構(gòu)光三維掃描測量原理。

結(jié)構(gòu)光三維掃描測量是利用測量系統(tǒng)中的電子光學(xué)體結(jié)構(gòu)光，采用非接觸三角法則掃描測量原理，通過光源信號發(fā)射接收，將結(jié)構(gòu)光投射到產(chǎn)品的表面，在產(chǎn)品表面形成由被測物體表面形狀相擬合的三維圖像，該三維圖像通過兩組相機(jī)拍攝獲得物體空間維度的畸變圖像，根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息，利用三維重構(gòu)技術(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到物體表面的三維點(diǎn)云信息，再利用軟件將成像的點(diǎn)云劃分領(lǐng)域并擬合成三維幾何特征構(gòu)造實(shí)體。

2.2 產(chǎn)品掃描測量及逆向過程的差異

（1）三坐標(biāo)測量機(jī)掃描測量過程。

在三坐標(biāo)掃描測量中，基于其精度及特性考慮，測量機(jī)需要在高標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕測量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，并且被測產(chǎn)品也需要在測量實(shí)驗(yàn)室中放置至少8h以上（被測物根據(jù)不同材質(zhì)放置時間可適當(dāng)增加或者減少），測量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相對濕度：30%～70%（無冷凝），溫度：19℃～21℃，溫度時間梯度：0.5℃/h，溫度空間梯度：0.5℃/m，并確保電壓信號的穩(wěn)定以及測量實(shí)驗(yàn)室的震動幅度以及噪音情況，以確保測量結(jié)果的可靠性。

根據(jù)掃描測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的需求特性，必須對產(chǎn)品進(jìn)行測量前的固定夾持安裝，用以保證掃描測量數(shù)據(jù)精確度以及重復(fù)性。在對測量產(chǎn)品的固定夾持安裝前，要用無水酒精將測量機(jī)和測量產(chǎn)品分別擦拭以確保測量精度，在對測量產(chǎn)品的固定夾持安裝中，還需要考慮設(shè)備的有效行程、測針大小的合適性、測量特征的有效分布等。如圖1所示，將被測齒輪放置在三坐標(biāo)測量機(jī)的工作臺上，可以采用固定式三爪夾持工具對齒輪作夾緊懸空處理，利于后續(xù)測量過程中的穩(wěn)定性。

測量產(chǎn)品前需要對探針進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)圖1展示的產(chǎn)品對它的測量選用紅寶石直徑為φ2mm的球型觸發(fā)式探針，測桿長度為60mm。在根據(jù)實(shí)際測量的位置，選擇探針的角度，由于在不同的掃描測量方向上運(yùn)動矢量不同以及其他外界干擾的影響，實(shí)際的測針半徑也不完全相同，為了提高測量精度，每個測量方向在使用前必須進(jìn)行探針的精度校驗(yàn)。探針校驗(yàn)的目的是：計(jì)算出紅寶石探針球心與三坐標(biāo)測量機(jī)零點(diǎn)的位置及補(bǔ)償關(guān)系。

掃描測量產(chǎn)品前，需要對產(chǎn)品進(jìn)行坐標(biāo)系的建立。建立坐標(biāo)系分為兩步：手動坐標(biāo)系和自動坐標(biāo)系。手動坐標(biāo)系的目的是確定零件的位置，作為程序自動運(yùn)行基礎(chǔ)，通常會測量較少的測量點(diǎn)，又稱參考坐標(biāo)系；自動坐標(biāo)系的目的是準(zhǔn)確測量相關(guān)基準(zhǔn)元素，作為后續(xù)尺寸評價的基準(zhǔn)，通常會測量更多的點(diǎn)數(shù)，又稱精確坐標(biāo)系。在對齒輪測量前的坐標(biāo)系建立中，結(jié)合齒輪在三坐標(biāo)測量機(jī)上的夾持形態(tài)，一般以齒輪的向上平面作為坐標(biāo)系XY平面、垂直法向?yàn)閆軸，齒輪中心在XY平面的投影為X、Y原點(diǎn)。

在掃描測量過程中，首先打開三坐標(biāo)測量軟件PC-DMIS，新建測量程序，加載所選擇的測針，根據(jù)實(shí)際需求校驗(yàn)測針，建立坐標(biāo)系。分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，首先測量齒輪中心圓的，用手動取點(diǎn)的方式在中心圓的圓周上均勻取8個點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。用手動取點(diǎn)的方式在齒輪上平面的邊界處均勻取16個點(diǎn)，取點(diǎn)時要保證這16個點(diǎn)在Z軸上同一高度，保持Z軸水平有兩個方法第一在手動打點(diǎn)時將Z軸的移動方向鎖死，第二種方法是去點(diǎn)后將Z軸的坐標(biāo)改成同一數(shù)值，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16點(diǎn)并構(gòu)造一個平面。用手動取點(diǎn)的方式在齒輪的最外圓上均勻分布的方式取16個點(diǎn)，取點(diǎn)時這16個點(diǎn)也要保證在Z軸方向上高度一致，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16個點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。用手動取點(diǎn)的方式在齒輪的齒底部均勻分布的方式取16個點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此16個點(diǎn)并構(gòu)造成圓形。將水平指向右的齒定義為1號齒，用手動測量的方式在1號齒的左齒面取8個點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點(diǎn)并構(gòu)造成平面，用手動測量的方式在1號齒的右齒面取8個點(diǎn)，點(diǎn)擊“END”鍵測量軟件PC-DMIS自動識別此8個點(diǎn)并構(gòu)造成平面。用同樣的方法在30個齒上取點(diǎn)，并構(gòu)造成曲面。

觸測掃描結(jié)束后，使用測量軟件PC-DMIS中的掃描點(diǎn)元素導(dǎo)出成為“.psl”點(diǎn)云格式（見圖2），將導(dǎo)出的點(diǎn)云用逆向建模軟件Design X打開（見圖3）。

圖2 轉(zhuǎn)換為psl格式

圖3 導(dǎo)入逆向建模軟件

根據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行三角面片擬合，再通過軟件的曲面放樣（見圖4），切除拉伸等繪制出三維實(shí)體齒輪模型（見圖5）。

圖4 曲面擬合

圖5 實(shí)體建模

（2）結(jié)構(gòu)光三維掃描測量過程。

采用結(jié)構(gòu)光三維掃描測量產(chǎn)品時，不需要考慮環(huán)境對測量精度的影響，由于考慮到光束對測量的影響，通過向被測物體投射藍(lán)光編碼光來消除物體表面不同反射率對測量精度的影響。相比三坐標(biāo)測量機(jī)，藍(lán)光掃描儀體積更小移動更靈活。用結(jié)構(gòu)光掃描時產(chǎn)品不需要在掃描過程中建立坐標(biāo)系統(tǒng)，僅需要對被測物體表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)，以便后續(xù)曲面拼合和重構(gòu)工作。

由于部分產(chǎn)品表面反射光的能力較弱，需要噴涂顯像劑來增強(qiáng)表面的反射力配合點(diǎn)云GOM軟件進(jìn)行掃描系統(tǒng)的矯正。在噴涂顯像劑時要噴涂均勻，不能過多的噴涂改變被測物體的實(shí)際表面形狀與數(shù)值，在被測產(chǎn)品表面貼標(biāo)記點(diǎn)時要均勻進(jìn)可能的在結(jié)構(gòu)少法向指向一致的位置上貼標(biāo)記點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)光掃描測量時，將被測物體放入掃描轉(zhuǎn)臺上（見圖6），掃描轉(zhuǎn)臺一般為黑色，最大的降低投射到物體表面的光束被掃描臺吸收。如果在現(xiàn)場作業(yè)，為了提高掃描精度需要適當(dāng)?shù)恼诒螐?qiáng)光，避免因強(qiáng)光對結(jié)構(gòu)光掃描過程產(chǎn)生影響。

圖6 齒輪結(jié)構(gòu)光掃描

打開掃描軟件GOM，在軟件中新建掃描程序，根據(jù)圖6中被測物體的特征將掃描分為兩部分，一部分為產(chǎn)品的外表面，一部分為產(chǎn)品的下表面。打開掃描軟件GOM，新建掃描文件，將投射出的光束對準(zhǔn)產(chǎn)品，在軟件中反復(fù)點(diǎn)擊攝像頭對物體進(jìn)行結(jié)構(gòu)光掃描測量，直到該光束范圍內(nèi)物體成像清晰，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺調(diào)整攝像頭位置直到上表面輪廓大概掃描清晰為止，之后將被測物體翻轉(zhuǎn)過來掃描另外一部分。因?yàn)閷⒋宋矬w翻轉(zhuǎn)過來與之前測得的三維掃描體有兩個面是重合的固可以直接在一個項(xiàng)目中掃描，將上下表面兩部分掃描成為一個整體。

通常可將分開的兩部分各自掃描成一個整體，掃描結(jié)束后再通過軟件將兩部分掃描體整合為一個整體，此被測物掃描出的三維形態(tài)的點(diǎn)云（見圖7）。

將結(jié)構(gòu)光掃描測量生成的三維形態(tài)點(diǎn)云導(dǎo)出格式為.STL，并導(dǎo)入到Design X軟件進(jìn)行實(shí)物的實(shí)體繪制。首先將掃描出的三維模型在坐標(biāo)系下進(jìn)行擺正，分析擬合實(shí)體的先后順序，一般順序?yàn)橄日w在細(xì)節(jié)，由外部到內(nèi)部，先拉伸后切除。在每構(gòu)造一個特征后，要與三維掃描體進(jìn)行對比偏差在允許的公差范圍內(nèi)在確定生成特征。直到每一個特征都創(chuàng)建出來，擬合實(shí)體，如圖8所示。

圖7 三維形態(tài)的點(diǎn)云

圖8 擬合構(gòu)建的實(shí)體

逆向構(gòu)建出的實(shí)體模型，還可與結(jié)構(gòu)光掃描測量出的點(diǎn)云進(jìn)行擬合精度的色域比對，實(shí)時分析出產(chǎn)品表面的結(jié)構(gòu)是否完備和精度是否符合要求，如圖9所示。

圖9 實(shí)體與點(diǎn)云色域精度比對

3 結(jié)構(gòu)光三維掃描測量在逆向建模的優(yōu)勢

根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)掃描測量與結(jié)構(gòu)光三維掃描測量在實(shí)際掃描測量逆向過程中的對比，結(jié)構(gòu)光三維掃描測量在掃描測量以及逆向建模中優(yōu)勢明顯，其主要體現(xiàn)如下：

三坐標(biāo)測量機(jī)在掃描測量過程中，使用的是觸測式掃描的方式；而結(jié)構(gòu)光三維掃描測量儀則是采用非接觸式光學(xué)掃描。非接觸式光學(xué)掃描過程中，避免了觸測式掃描所帶來的產(chǎn)品形態(tài)接觸式的形態(tài)變化，更好地克服了產(chǎn)品的外形變化所帶來的準(zhǔn)確性。

三坐標(biāo)測量機(jī)在觸測式掃描過程中，為單點(diǎn)式觸測，對于產(chǎn)品的整體曲面而言，單點(diǎn)式觸測方式，較易漏測產(chǎn)品曲面部分的關(guān)鍵曲率部位，且產(chǎn)品邊緣部分及倒角部分是觸測式掃描測量無法進(jìn)行的。結(jié)構(gòu)光三維掃描測量儀，通過光學(xué)掃描，有效地對產(chǎn)品曲面曲率的點(diǎn)云掃描測量，克服了因接觸式無法測量的部位的準(zhǔn)確掃描。

三坐標(biāo)測量機(jī)在觸測式掃描測量過程中，所掃描出來的特征點(diǎn)云為間隔較大形態(tài)，具體間隔局限于探針的直徑和掃描間距設(shè)定，點(diǎn)云中間距過大，產(chǎn)品形態(tài)的準(zhǔn)確度較低。結(jié)構(gòu)光三維掃描測量儀所掃描測量出來的點(diǎn)云密度極大，掃描測量過程中，極大地保證了產(chǎn)品表面形態(tài)的高度擬合，有效還原產(chǎn)品的真實(shí)形態(tài)。

三坐標(biāo)測量機(jī)所觸測式掃描生成的點(diǎn)云，在逆向建模過程中，由于點(diǎn)云密度不高，所擬合生成的曲面形態(tài)，與真實(shí)產(chǎn)品曲面曲率存在較大差異，逆向設(shè)計(jì)出的實(shí)體模型，與真實(shí)產(chǎn)品也存在較大差異。結(jié)構(gòu)光三維掃描測量儀所掃描出來的點(diǎn)云，其優(yōu)異點(diǎn)主要體現(xiàn)在密度大，在逆向建模過程中，通過密度大的點(diǎn)云所擬合建立出來的曲面曲率，與真實(shí)產(chǎn)品相差較小，滿足產(chǎn)品的掃描測量及逆向建模需求。

三坐標(biāo)測量機(jī)掃描測量生成的點(diǎn)云間隔較大，根據(jù)其建立的實(shí)體模型，與點(diǎn)云的色域?qū)Ρ?，存在較大誤差。結(jié)構(gòu)光三維掃描測量信的點(diǎn)云間隔小，所建立的產(chǎn)品實(shí)體模型，與點(diǎn)云的比對過程中，色域差體現(xiàn)精確，可根據(jù)色差進(jìn)行實(shí)時調(diào)整實(shí)體模型。

綜上所述，結(jié)構(gòu)光三維掃描測量在克服產(chǎn)品形態(tài)變化、掃描范圍覆蓋、掃描點(diǎn)云密度、點(diǎn)云擬合精度等方面都具有較大的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

通過對比觸測式三坐標(biāo)測量機(jī)與結(jié)構(gòu)光三維掃描測量兩種測量方法的測量原理、測量過程、實(shí)體擬合結(jié)果，分析兩種測量方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在掃描測量及逆向建模過程中，可有效地克服產(chǎn)品的接觸式變形，保證曲面曲率精確擬合和逆向建模的產(chǎn)品真實(shí)還原度。在現(xiàn)代工業(yè)制造及測量進(jìn)程中，對產(chǎn)品的實(shí)體形態(tài)進(jìn)行可靠有效地掃描及逆向設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品前期的設(shè)計(jì)、中期的修正、后期的量產(chǎn)起到切實(shí)有效的作用，同時，也保證了產(chǎn)品的快速掃描測量及逆向建模的時效性。