基于關節臂掃描的計算機輔助檢測實驗

成思源， 彭慧娟， 郭鐘寧， 于兆勤， 張湘偉

（廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

計算機輔助檢測技術（Computer Aided Inspection，CAI）是涉及到檢測理論、測量設備、計算機、控制及軟件技術等綜合應用而發展起來的一項新興技術。它是通過光學三維掃描設備獲取已加工零件的點云數據，并將其與零件的設計CAD模型進行比較，得到已加工零件和設計模型之間的偏差，從而實現零件全面整體檢測的一項技術［1-2］。隨著我國航空、汽車、機械等行業的迅速發展和市場競爭的日益激烈，企業對產品質量提出了更高的要求，檢測技術作為保障產品質量的基本手段，起著舉足輕重的作用［3-5］，計算機輔助檢測技術也得到了越來越廣泛的應用。基于此，計算機輔助檢測技術實驗教學已成為培養學生適應現代設計制造技術領域實踐能力要求的重要手段。

計算機輔助檢測技術的操作步驟一般可歸納為三步：① 實物模型的數字化;② 模型對齊;③ 比較分析［6-7］。其特點是測量精度高、柔性好、效率高，可有效地減輕操作者的勞動強度，提高生產效率，為企業帶來經濟利益。尤其是對于復雜零件的檢測，更是具有傳統測量方法所無法比擬的優勢。因此，它對檢測手段的柔性化、自動化意義重大，具有廣泛的應用前景。

隨著計算機技術與光電技術的發展，計算機輔助檢測的數據采集通常采用三維光學掃描設備，其優點是采集數據速度快、操作簡便、能夠達到較高的精度［7-8］?？紤]到實驗教學的便利性，提出了通過關節臂掃描儀進行實物模型的數字化，并利用 Geomagic Qualify軟件來實現檢測的實驗流程。

1 Geomagic Qualify檢測流程

Geomagic Qualify是一款在計算機輔助檢測技術中廣泛應用的軟件。通過該軟件可快速、全面地檢測到產品的三維CAD模型與實物模型被掃描后的點云模型間的尺寸偏差，并自動將這種比較結果以直觀、易懂的色譜圖形式顯示出來，并形成檢測報告［6-7］。到目前為止，該軟件已發行到12.0版本。本次實驗教學將主要結合Geomagic Qualify的操作步驟來進行，其具體的檢測流程如圖1所示。

圖1 Geomagic Qualify檢測流程

2 實驗步驟

結合某空調中隔板零件，介紹本實驗的步驟。首先對模型進行數據采集來獲取點云數據，對采集到的數據進行處理后，再借用Geomagic Qualify軟件來實現零件的檢測，包括對齊、3D比較、2D比較、形位公差分析等。學生可根據不同零件的具體要求自行規劃檢測方案。最后將檢測的結果以報告形式進行輸出。

2.1 數據采集

所謂的數據采集也即實物模型的數字化，是指通過三維掃描設備，將物體表面的輪廓信息離散為大量的三維坐標點云數據［9］。它是計算機輔助檢測中的關鍵步驟，點云數據能否快速精確地表示實物原型，將直接影響后面的檢測結果及效率。

在數據采集階段，本實驗采用由Cimcore公司提供的Infinite 1.8m型七自由度柔性關節臂測量機系統（見圖2）。其配套的掃描頭為ScanWork V4i線結構光掃描頭，配套軟件為ScanWorks。

圖2 七自由度關節臂測量機

Infinite掃描系統基于常見的激光三角法原理，采用線結構光掃描方式，通過激光光源發射光線，以一定角度照射到被測物體上，然后通過高精度的CCD鏡頭與光源之間的位置及投影和反射光線之間的夾角，換算出被測點所在的空間位置。依據該原理，關節臂測量系統可快速高密度地對各種特殊形狀的物件進行表面數據采集，對柔軟物體（如紙和橡膠制品）也可方便采集，死角少，柔性好，輕巧便捷［10-12］。數據采集的具體操作流程如下：

（1）實物表面處理。將模型需掃描部分的表面清理干凈，并噴上顯像劑，以便于數據采集。

（2）組配測量系統。根據系統安裝規范，將測量機主體安裝好，用各種數據線將系統各部件連接起來。

（3）初始化操作。在啟動掃描程序進行數據采集前，對關節臂進行初始化操作，轉動各個關節直到所有的關節都有正常的響應。初始化完成后，啟動掃描程序ScanWorks，準備采集數據。

（4）掃描數據。把模型放置在可掃描范圍內，按下臂上開關開始掃描。從曲率變化較小的面開始，順著模型表面的特征走勢，沿曲面的法向進行數據采集，掃描完一個面再轉至相鄰面。整個掃描過程的數據結果在軟件界面上直接觀察到，如需追加數據可借用靈活的七自由度關節臂從各個角度進行多次掃描。最后掃描數據可在后續檢測軟件中進行拼接等處理。

（5）數據保存。將最終掃描得到的有效數據以.bin等通用數據格式保存起來并輸出。

2.2 數據處理

一般通過光學掃描采集到的原始點云數據非常龐大且包含大量的冗余點和噪音點等，為提高檢測的準確度和效率，因此，作為比較的點云數據一般都需要經過數據處理。處理操作主要包括雜點去除、統一采樣、減少噪音點等［13］，以獲得質量較高的點云數據。

2.3 對 齊

該步驟是為比較分析做準備的。進行比較分析時需要實物點云數據模型與CAD模型處于同一坐標系，才可以進行。而在大多數情況，這兩個模型不具備該條件，因此有必要通過模型對齊來將兩模型統一到同一坐標系。

圖3（a）為加載到Geomagic Qualify中的兩模型對齊前的圖示。根據該模型特性，選擇執行“基于特征對齊”命令進行對齊。執行該命令前首先需要判斷在兩對象上創建出幾個相對應的特征，如圓柱體、圓、矩形槽等，并將其作為對齊特征。再通過將選定特征對進行重合以實現兩模型的對齊，如圖3（b）為兩模型對齊后圖示。

圖3 對齊模型

2.4 比較分析

模型對齊后，便可根據檢測的要求，選擇相應的檢測功能，進行模型間的比較分析。

（1）3D比較。通過3D比較，可得到一張顯示實物模型整體偏差的彩色結果圖。為了進一步顯示出某一具體位置的偏差，還可通過“創建注釋”命令來對模型上任一指定位置進行偏差注釋，如圖4為其3D比較注釋結果。

（2）2D比較。3D比較可從整體上來把握模型的偏差，2D比較則可縮小范圍，針對截取的特定二維截面來顯示其偏差情況。如通過系統XZ平面平移－70 mm截取一個截面后進行2D比較及注釋，圖5為該截面的2D比較偏差注釋結果。

圖4 3D比較注釋

圖5 2D比較注釋

（3）形位公差分析。形位公差（GD＆T）分析主要是針對有特殊形位公差需求的模型而設定的操作。比如對于中隔板模型，有必要對其特定部位的平面度和圓柱度進行檢測評估分析，圖6為該模型指定部位的形位公差評估結果。

圖6 形位公差評估

2.5 輸出檢測報告

當模型的比較分析完成后，軟件系統可根據檢測結果自動生成檢測報告。學生可選擇將檢測結果以PDF、HTML、DOC等多種形式進行報告輸出，從而實現檢測結果的共享。

3 結語

對基于關節臂掃描儀的計算機輔助檢測實驗教學進行了研究，以某空調中隔板零件為例，探索了從數據采集到形成檢測報告的實驗流程，建立了計算機檢測技術實驗教學的思路。從教學手段上，給出檢測流程，可由學生自選實物模型，針對特定模型規劃檢測方案，自主完成數據采集、軟件檢測等內容，注重理論與實踐相結合的原則［14-16］。通過在實驗教學中引入關節臂掃描儀、Geomagic Qualify等機械工程領域的最新軟硬件設備，不僅開拓了學生的視野，適應了企業對現代設計制造領域實踐能力的需求，而且有利于學生進一步鞏固測量理論知識，掌握最先進的檢測技術。對于拓展學生的知識結構，提高學生的工程實踐能力，培養學生對現代設計制造技術的應用能力起到積極作用。

（References）：

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