朱書啟 焦太安

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅省天水市 741001

1 基于Win3DD-M 型三維掃描儀掃描復(fù)雜曲面的主要難點(diǎn)和和技術(shù)分析

掃描數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量與掃描環(huán)境的不穩(wěn)定性、操作人員的標(biāo)定方法、掃描件的大小、細(xì)節(jié)特征以及噴粉均勻程度等因素有關(guān)，這就需要大量的實(shí)驗(yàn)，從中找到對(duì)應(yīng)問(wèn)題的解決方案。

1.1 前期的工件準(zhǔn)備工作及掃描環(huán)境

工件的大小、細(xì)節(jié)特征的數(shù)量以及噴粉的均勻程度等是前期對(duì)工件的準(zhǔn)備過(guò)程。是掃描工件的前提條件，也是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，直接影響著后續(xù)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。周邊環(huán)境因素，例如強(qiáng)烈的光線和靠近反光物體等，會(huì)造成掃描區(qū)域識(shí)不到相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)。

1.1.1 噴顯像劑

在物體表面噴的顯像劑要均勻，不宜過(guò)厚，否則會(huì)影響掃描精度，也不易過(guò)薄，否則會(huì)導(dǎo)致掃描物體出現(xiàn)破洞。噴完顯像劑后等待自然風(fēng)干，大約五分鐘。

1.1.2 貼標(biāo)定點(diǎn)

貼標(biāo)定點(diǎn)前要先把貼點(diǎn)位置找好，然后用棉簽將貼點(diǎn)位置刮出，之后使用有棉花的一面將貼點(diǎn)位置刮干凈，然后再貼點(diǎn)。兩面相接處不要貼點(diǎn)，面兩邊較窄處不要貼點(diǎn)，表面凹凸不平不要貼點(diǎn)。標(biāo)定點(diǎn)要貼的不規(guī)則，否則會(huì)出現(xiàn)標(biāo)定點(diǎn)識(shí)別出錯(cuò)的問(wèn)題。

1.2 中期的標(biāo)定精度及掃描過(guò)程

掃描儀的標(biāo)定精度是否符合標(biāo)定操作的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志點(diǎn)的粘貼是否合理，以及對(duì)應(yīng)粘貼的方式方法和掃描過(guò)程中的方式方法及相關(guān)的注意事項(xiàng)。掃描過(guò)程中掃描次數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致工件某個(gè)部分采集的數(shù)據(jù)重疊，點(diǎn)云數(shù)量相對(duì)其他區(qū)域更加密集，從而影響最終的掃描結(jié)果。

（1）調(diào)整掃描儀的高度及投射角度等，使投射到地面的光幕成矩形為止。

（2）通過(guò)調(diào)整相機(jī)高度使相機(jī)預(yù)覽十字與光幕十字盡量重合。

（3）放置標(biāo)定板，標(biāo)定板兩大點(diǎn)朝向操作者，使光幕十字與標(biāo)定板十字重合，按空格。

（4）向上搖 4 圈，按空格（不需要十字重合）。

（5）向下?lián)u 8 圈，按空格（不需要十字重合）。

（6）上搖4 圈（即回到原高度），標(biāo)定板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角（操作者左下角），使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（7）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（8）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（9）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起左下角，使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（10）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起標(biāo)定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（11）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90 度，并墊起標(biāo)定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

（12）標(biāo)定板再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，并墊起標(biāo)定板右側(cè)（操作者右側(cè)），使標(biāo)定板十字與光幕十字重合，按空格。

標(biāo)定時(shí)注意不要反光，標(biāo)定精度不小于0.02mm。

1.3 掃描物體

掃描儀是通過(guò)標(biāo)定點(diǎn)來(lái)拼接物體的，一個(gè)面至少要有三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)（理論上來(lái)講三個(gè)就足夠，不過(guò)通常會(huì)貼四個(gè)或五個(gè)點(diǎn)）。如圖1 所示，掃描A 面后可得到A 面得到四個(gè)點(diǎn)，便可旋轉(zhuǎn)物體同時(shí)掃描A、B 兩個(gè)面，可以通過(guò)A 面的四個(gè)點(diǎn)定位出B 面，同時(shí)獲得B 面的四個(gè)點(diǎn)，C 面同理，以此類推，便可以掃描出整個(gè)物體。

圖1

簡(jiǎn)單的物體可以通過(guò)轉(zhuǎn)盤來(lái)掃描，如圖2所示，減少被掃件上的標(biāo)定點(diǎn)，以此來(lái)提高效率（在轉(zhuǎn)盤上掃描時(shí)，被掃件要固定不動(dòng)，不可發(fā)生位移）。在轉(zhuǎn)盤上掃描時(shí)是使用轉(zhuǎn)盤上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行定位的，利用轉(zhuǎn)盤上的點(diǎn)對(duì)被掃件進(jìn)行掃描，當(dāng)上五個(gè)面掃描完成后進(jìn)行翻面（連轉(zhuǎn)盤一起翻），翻過(guò)之后未掃描的面向上，通過(guò)物體上貼的四個(gè)點(diǎn)對(duì)未掃面進(jìn)行拼接，如果掃不出來(lái)可以用墊塊將轉(zhuǎn)盤墊高，還是不出來(lái)可以在其他面補(bǔ)點(diǎn)，然后用第一種方法進(jìn)行補(bǔ)救。

圖2

拼接：在轉(zhuǎn)盤的兩個(gè)面上分別掃描出被掃件的兩個(gè)將兩次掃描的文件導(dǎo)入，分別進(jìn)行聯(lián)合點(diǎn)、雜點(diǎn)處理、封裝。使用移動(dòng)器（工具→對(duì)象→移動(dòng)器）進(jìn)行大致對(duì)齊。使用N點(diǎn)注冊(cè)（對(duì)齊→手動(dòng)注冊(cè)→N 點(diǎn)對(duì)齊），在兩次掃描文件都有的位置大致標(biāo)出三個(gè)一樣位置的點(diǎn)，之后下一步，確定。使用全局注冊(cè)，公差0.005（更小的話會(huì)加大電腦運(yùn)轉(zhuǎn)速度，不過(guò)精度也更高，自己根據(jù)情況選擇），然后使用合并（多邊形→合并）。

1.4 后期的數(shù)據(jù)處理及精度對(duì)比

掃描后完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中進(jìn)行的去除雜點(diǎn)、降噪等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化把控，并可與實(shí)際物體尺寸進(jìn)行精度比對(duì)。

掃描完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為黑色，先點(diǎn)擊對(duì)話框里的確定，之后在模型管理器中可以查看到兩組數(shù)據(jù)，將fwp開頭的數(shù)據(jù)刪除（fwp開頭的數(shù)據(jù)是標(biāo)定點(diǎn)），將其余數(shù)字開頭的數(shù)據(jù)選中后使用聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象。勾選著色點(diǎn)（點(diǎn)→著色），去頂點(diǎn)顏色（顯示→幾何圖形顯示）。顯示為綠色（默認(rèn)為綠色，若顯示為其他顏色在試圖→對(duì)象中查看顏色被更改）。在右側(cè)選擇自己常用的工具對(duì)多余雜點(diǎn)進(jìn)行刪除（推薦使用套索工具）。處理完畢以后使用封裝。之后打開模型管理器刪除綠色的部分，將頂點(diǎn)顏色關(guān)閉，顯示為藍(lán)色繼續(xù)操作（默認(rèn)色），通過(guò)橢圓選擇工具選中標(biāo)定點(diǎn)的范圍（記得取消背面選到的部分），刪除之后進(jìn)行填孔（推薦使用相切）。有過(guò)大的縫隙可以使用搭橋分割成多個(gè)小的孔洞之后進(jìn)行填孔。處理完成之后選擇自己需要的格式進(jìn)行保存。

2 直流微型水泵泵蓋逆向建模研究

在某產(chǎn)品的零件逆向掃描和建模過(guò)程中，出現(xiàn)了多處掃描不全的問(wèn)題，同時(shí)在曲面與曲面的過(guò)渡處，出現(xiàn)破面，需要建模者根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)，造成建模的誤差。在關(guān)鍵曲面上，會(huì)影響產(chǎn)品的使用性能。本文著重研究泵蓋零件曲面掃面建模過(guò)程中掃描不全的問(wèn)題以及由于重面對(duì)零件逆向建模精度的影響因素，找到產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)最合理的掃描方案，進(jìn)而提高零件的建模精度。

曲面掃描精度研究的技術(shù)路線：

通過(guò)校企合作，共同研究，利用我校先進(jìn)的逆向掃描設(shè)備，通過(guò)參與企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，研究產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的精度和效率，主要研究復(fù)雜曲面的逆向設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)不同類型產(chǎn)品的逆向建模精度對(duì)比和建模效率對(duì)比，得出產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)可推廣的建模方法，并總結(jié)相應(yīng)結(jié)論并在企業(yè)得以推廣。

通過(guò)大量不同類型產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度數(shù)據(jù)分析對(duì)比，找到產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的誤差產(chǎn)生的原因，通過(guò)總結(jié)誤差產(chǎn)生的規(guī)律，得出消除誤差的方法；對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行逆向掃描分析，找出其共性特征，從而總結(jié)不同類型產(chǎn)品合理的掃描標(biāo)定點(diǎn)的設(shè)計(jì)和掃描順序的確定原則，最終得出復(fù)雜零件逆向設(shè)計(jì)精度和建模效率提高的具體措施和可推廣的依據(jù)。

2.1 泵蓋的掃描過(guò)程與技巧

2.1.1 掃描過(guò)程

由于零件外輪廓相對(duì)規(guī)整，便于手動(dòng)拼接，因此采用正反面分開掃描，然后手動(dòng)拼接。

掃描的基本過(guò)程本文前面已經(jīng)闡述，在此只描述基本掃描過(guò)程和展示必要圖片。

如果掃描之前未完成標(biāo)定，則需要完成標(biāo)定，并根據(jù)需要均勻噴涂顯像劑，以保證掃描質(zhì)量，同時(shí)將零件至于掃描轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)的合適位置，如圖3 所示：

圖3

每轉(zhuǎn)動(dòng)60-70°掃描一次，正面掃描6 次，得到如圖4 所示云點(diǎn)數(shù)據(jù)：

圖4

然后刪除所有帶有“fwp”名稱的所有點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后粗略刪除工件外的點(diǎn)，其目的是讓點(diǎn)數(shù)據(jù)減少，下一步“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，著色”時(shí)間更快。

完成上述步驟以后，進(jìn)行聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，并關(guān)閉頂點(diǎn)顏色，便于觀察，最后刪除沉雜點(diǎn)，結(jié)果如圖5 所示：

圖5

隱藏“復(fù)合點(diǎn)1”，然后掃描泵蓋另外一面，掃描過(guò)程如泵蓋的正面掃描過(guò)程，不再細(xì)述。

2.1.2 零件的封裝

封裝之前同時(shí)選擇兩組云點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一采樣，以減少數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后刪除體外孤立點(diǎn)并減少噪音。

對(duì)已經(jīng)處理完成的云點(diǎn)數(shù)據(jù)分別命名為“正面”和“反面”便于后期進(jìn)行對(duì)其操作。

2.1.3 零件的拼接

選中已掃描的兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一采樣，間距設(shè)為0.02mm，刪除體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)，敏感度設(shè)為85.0，并減少噪音，迭代調(diào)整為2，限制11.4。

2.1.4 對(duì)兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行封裝

封裝前可將“復(fù)合點(diǎn)1，復(fù)合點(diǎn)2”進(jìn)行重命名，方便后期的對(duì)齊操作。

分別封裝正面和反面，并分別保存ASC格式的云點(diǎn)數(shù)據(jù)，封裝后的效果如圖6、圖7所示：

圖6

圖7

2.1.5 選擇兩組已經(jīng)封裝完成的三角面片數(shù)據(jù)，進(jìn)行手動(dòng)注冊(cè)

本步操作的核心是找特征點(diǎn)，盡可能的對(duì)齊。然后進(jìn)行全局注冊(cè)，并刪除釘狀物。最后合并兩三角面片數(shù)據(jù)“合并”（即圖中正面和反面三角面片數(shù)據(jù)）。完成合并后，保存數(shù)據(jù)，輸出STL 文件。

2.1.6 應(yīng)用逆向建模軟件對(duì)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模

得到所需的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，逆向完成的產(chǎn)品模型如圖8所示。

圖8

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)闡述具體產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程，總結(jié)了帶有復(fù)雜曲面零件的逆向掃描過(guò)程以及注意事項(xiàng)、參數(shù)設(shè)置等。不僅闡述了應(yīng)用Win3DD-M 型掃面設(shè)備獲取產(chǎn)品云點(diǎn)數(shù)據(jù)的基本過(guò)程和參數(shù)設(shè)置，還闡述了對(duì)云點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的基本方法，通過(guò)具體操作過(guò)程說(shuō)明了對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品逆向建模的流程，總結(jié)了提高建模精度的方法，對(duì)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。同時(shí)，本文也闡明了產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)中常見缺陷的解決方法。