李 峰 陽夏冰

(武漢城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430064)

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集使用北京技睿新天科技有限公司的JR雙目三維掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用標(biāo)志點(diǎn)拼接技術(shù)，在三維掃描過程中不需要人為干預(yù)，對(duì)復(fù)雜實(shí)物樣件多個(gè)角度掃描，可以得到較為完整、相對(duì)精確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前應(yīng)對(duì)掃描件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，觀察工件是否為反光工件，若是反光工件則應(yīng)對(duì)其表面進(jìn)行處理，由于本次所掃描的甲殼蟲玩具汽車車身模型的反光能力較好，不需要做表面處理。該玩具汽車車身模型表面積較小，采用自動(dòng)拼合掃描，這樣掃描的點(diǎn)云拼接精度更高。由于該玩具汽車車身模型需要從多個(gè)角度掃描，所以還需在模型的表面貼上標(biāo)志點(diǎn)，這樣系統(tǒng)在自動(dòng)拼合點(diǎn)云的時(shí)候多次掃描得到的不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云就可以通過粘貼的標(biāo)志點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼合。本次模型通過JR三維掃描系統(tǒng)多次掃描自動(dòng)拼合后得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(圖1)。

圖1 拼接后獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在采集數(shù)據(jù)時(shí)得到的初始點(diǎn)云數(shù)量非常多，且存在很多重疊、偏離主曲面等無用的點(diǎn)云，這些都不可以直接用來進(jìn)行曲面的重構(gòu)，所以要對(duì)掃描后的初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化處理。

(1)將掃描的甲殼蟲玩具汽車車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap界面，點(diǎn)擊點(diǎn)工具欄的著色圖標(biāo)，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算點(diǎn)云的法線，在點(diǎn)云上開啟照明和彩色效果，以幫助用戶更好的觀察其幾何形狀。如果掃描點(diǎn)云點(diǎn)擊著色仍然是黑色可以先點(diǎn)擊刪除法線然后再點(diǎn)擊著色。

(2)點(diǎn)擊點(diǎn)階段工具欄的非連接項(xiàng)圖標(biāo)，彈出選擇非連接選項(xiàng)的對(duì)話框，在設(shè)置“分隔”中選擇“低”，然后點(diǎn)擊確定，軟件自動(dòng)選擇非連接項(xiàng)的點(diǎn)云。退出對(duì)話框后按鍵盤上Delete鍵即可刪除選中的非連接的點(diǎn)云。

(3)點(diǎn)擊點(diǎn)階段工具欄的體外孤點(diǎn)圖標(biāo)，此時(shí)彈出體外孤點(diǎn)對(duì)話框，將敏感度設(shè)置為85左右，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定，軟件自動(dòng)選擇體外孤點(diǎn)，按按鍵盤上Delete鍵即可刪除選中的紅色點(diǎn)云，該命令可以使用2～3次。

(4)點(diǎn)擊點(diǎn)階段工具欄的減少噪音圖標(biāo)，進(jìn)入減少噪音對(duì)話框，選擇參數(shù)中自由曲面形狀，偏差限制設(shè)置為0.2 mm，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定。在掃描過程中掃描樣件表面質(zhì)量較差、噴顯影劑不均勻、掃描設(shè)備輕微震動(dòng)、光線變化等都可能會(huì)出現(xiàn)噪音點(diǎn)。

(5)點(diǎn)擊點(diǎn)階段工具欄中的統(tǒng)一采樣圖標(biāo)，進(jìn)入統(tǒng)一采樣對(duì)話框，在輸入中選擇“絕對(duì)”“間距”里輸入0.35 mm，優(yōu)化中“曲率優(yōu)先”拖到中間位置，勾選“保持邊界”點(diǎn)擊應(yīng)用后確定。如圖2所示。這樣在不影響精度的情況下既可以快速刪除重疊點(diǎn)云、稀釋點(diǎn)云數(shù)量來減少整體點(diǎn)云數(shù)量，同時(shí)還保留了樣件模型原有的形狀。

圖2 點(diǎn)云處理

(6)點(diǎn)擊點(diǎn)階段工具欄的封裝圖標(biāo)，進(jìn)入封裝對(duì)話框，直接點(diǎn)擊確定，軟件根據(jù)處理好的點(diǎn)云自動(dòng)計(jì)算完成三角形面的轉(zhuǎn)換。

(7)點(diǎn)擊多邊形工具欄的選擇填充單個(gè)孔圖標(biāo)，填充需要修補(bǔ)的孔，最后按ESC退出命令。

(8)點(diǎn)擊套索選擇工具圖標(biāo)，進(jìn)入套索選擇工具的選擇狀態(tài)，選擇有缺陷的三角面，點(diǎn)擊多邊形工具欄的去除特征圖標(biāo)，軟件將根據(jù)選擇的紅色三角面周圍的曲率變化進(jìn)行光順處理。

(9)點(diǎn)擊多邊形工具欄下的砂紙圖標(biāo)，將強(qiáng)度拖動(dòng)至第二格，點(diǎn)擊固定邊界，鼠標(biāo)拖動(dòng)需要光順處理的面直至修復(fù)完成，點(diǎn)擊確定。

(10)點(diǎn)擊多邊形工具欄下的網(wǎng)格醫(yī)生圖標(biāo)，軟件將自動(dòng)選中存在缺陷的三角網(wǎng)格面，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定。該工具可以實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)存在缺陷的三角面。

(11)點(diǎn)擊多邊形工具欄下的增強(qiáng)網(wǎng)格圖標(biāo)，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定。該命令常用于在曲率較大區(qū)域增加點(diǎn)云而不破壞原有的形狀，完成多邊形階段處理(圖3)。

圖3 多邊形處理

3 創(chuàng)建 NURBS 曲面

在Geomaic Wrap精確曲面階段可以是從多邊形階段轉(zhuǎn)化完成后經(jīng)過一系列的編輯修復(fù)處理，得到相對(duì)理想的曲面模型，也可以根據(jù)編輯處理優(yōu)化好的多邊形三角面片自動(dòng)擬合成NURBS曲面。本次設(shè)計(jì)曲面較簡(jiǎn)單，使用自動(dòng)曲面功能進(jìn)行擬合NURBS曲面。

(1)點(diǎn)擊精確曲面圖標(biāo)，新建曲面片布局圖，將三角形網(wǎng)格面轉(zhuǎn)換為NURBS 曲面，進(jìn)入精確曲面編輯處理階段。

(2)點(diǎn)擊自動(dòng)曲面化圖標(biāo)，選擇幾何圖形類型為“有機(jī)”、指定曲面片計(jì)數(shù)為“自動(dòng)評(píng)估”、調(diào)節(jié)曲面細(xì)節(jié)值為中值、曲面擬合適應(yīng)性公差設(shè)置為0.02 mm，單擊應(yīng)用后軟件開始自動(dòng)擬合曲面。

4 偏差檢測(cè)分析

創(chuàng)建完成后的NURBS曲面模型可以與掃描處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，觀察創(chuàng)建完成后的NURBS曲面質(zhì)量，同時(shí)通過偏差檢測(cè)分析功能獲得的偏差數(shù)值，可用于編輯修改NURBS曲面，減少曲面與原樣件實(shí)物誤差量，滿足產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)需要[1]。點(diǎn)擊分析“偏差”圖標(biāo)，點(diǎn)擊應(yīng)用，軟件對(duì)創(chuàng)建的NURBS曲面進(jìn)行偏差分析計(jì)算。本次甲殼蟲玩具汽車車身的偏差檢測(cè)分析結(jié)果如圖4所示。甲殼蟲玩具汽車車身 NURBS 曲面標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0187 mm，最 大 距 離 偏 差 為+0.0084 mm 及-0.0105 mm，平均距離偏差為0.0023 mm。圖示偏差顯示條往上正偏差逐漸增大，往下負(fù)偏差逐漸增大，中間部位偏差較小，模型上綠色區(qū)域是擬合質(zhì)量較好的區(qū)域[2]，從圖中可以看出，擬合后的曲面模型基本上都在綠色偏差范圍內(nèi)，表明擬合后的曲面與掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差很小[3]，所設(shè)計(jì)的曲面質(zhì)量滿足要求。對(duì)擬合完成后的NURBS曲面可以保存成IGES格式或者STEP等其他格式，直接導(dǎo)入到CAD/CAM/CAE軟件中進(jìn)行后續(xù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)控加工與模型分析等。

圖4 誤差檢測(cè)分析結(jié)果

5 結(jié)語

采用三維掃描技術(shù)采集樣件模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合逆向設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維曲面重構(gòu)，獲取到的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行偏差檢測(cè)分析處理后輸出成IGES格式或STEP等格式，直接導(dǎo)入到CAD/CAM/CAE軟件中進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)、加工與分析，大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)和上市周期，提高了企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)成本，在促進(jìn)客戶化、小批量和單件產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)模式的發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。