薄壁類零件三維數據測量方法探索

馬玉瓊，鄭紅偉，王偉，張玉珮

(河北工業大學 工程訓練中心，天津 300401)

?

薄壁類零件三維數據測量方法探索

馬玉瓊，鄭紅偉，王偉，張玉珮

(河北工業大學 工程訓練中心，天津 300401)

摘要：現有三維掃描系統在進行薄壁類零件測量時，獲取點云數據存在一定難度。以發動機葉片為例，利用拍照式三維掃描系統獲取其點云數據，借助Stereo-3D及Geomagic Studio兩款軟件對點云進行處理，獲得了反映葉片真實幾何形態的曲面結構。實驗結果表明，測量方法有效，可為其他薄壁類零件的數據測量提供參考。

關鍵詞：光學測量；三維曲面；薄壁零件；點云

0引言

近年來，三維掃描技術作為一種新興技術，在逆向工程中應用越來越廣，但在某些領域仍存在一定問題。譬如在薄壁類零件的三維數據測量中，360°翻轉掃描是一個技術難點[1]。以發動機葉片為例，在進行整體輪廓掃描時，因壁厚不超過2mm且中間無過渡面，因此正反面的標記點無法拼合，獲取該類零件的完整點云數據比較困難。本文利用拍照式三維掃描系統，對光滑、反光類金屬薄壁件的數據測量方法和技巧進行探索。

1薄壁零件點云數據的獲取

發動機葉片作為典型的薄壁類零件，數據測量過程具有代表性。下面對如何獲取發動機葉片的點云數據進行探索。

1.1　零件表面預處理

物體的表面品質對測量結果有一定的影響。零件最理想的表面狀況是不反光、不粗糙的亞光白色。發動機葉片屬于光滑、反光類金屬薄壁件，因此需做表面處理。

1) 利用藍墨水對葉片進行浸泡觀察效果，發現葉片依舊反光嚴重且表面顏色接近黑色，更不利于進行掃描操作，所以此法不可取。2) 在葉片表面噴一薄層白色顯像劑，鑒于金屬表面光滑，噴涂的顯像劑不易附著，故噴涂完成之后，盡量不要觸碰葉片表面，以免顯像劑脫落，為后續掃描帶來困難。

1.2　拼接面的標識

為了實現多視角掃描數據的拼合運算，需將不同視角下的點云轉換到同一坐標系下，標記點就是用來協助坐標轉換的。因此，需在葉片表面均勻地粘貼標記點。標記點粘貼之前，需找準葉片的翻轉基準面。葉片底座屬于較規則六面體結構，在翻轉過程中，可借其進行點云拼接，本例中選擇底座為輔助基準。

噴涂顯像劑的葉片，標記點不易粘牢，采用先粘貼標記點，再噴顯像劑的方法；完成顯像劑噴涂后，對于附著顯像劑的標記點用濕棉簽擦干凈即可。在底座處粘貼標記點時，應在棱線特征點處多貼，且排列盡量錯開，避免在一條直線上，不能呈等邊或等腰分布。

1.3　點云掃描方法與技巧

掃描時，首先平置葉片，完成正面點云獲取；將葉片底座盡可能多地放置在掃描視角中，在保證與之前所識別標記點至少有四個重合的前提下，進行一次掃描操作，識別底座棱線的標記點；墊起葉片底座至一定高度，完成底座表面點云獲取；通過底座表面識別另一側棱線的標記點；最后將另一側棱線和葉片反面標記點拼合，獲取點云數據。

鑒于葉片底座是多視角掃描的翻轉基準面，翻轉過程中，需找準基準面在左右相機下的位置，實現底座表面盡可能多的標記點識別，為拼接奠定基礎。選擇恰當的位置，合適的方向，通過不停變換視角實現點云的獲取。掃描過程中，某一視角下攝像機采集到的圖像如圖1所示。

圖1　攝像機采集到的圖像信息

2點云數據處理

2.1　Stereo-3D軟件中的點云數據處理

為了從測量數據中提取零件原形的幾何特征，以達到零件原形CAD模型的重建，需對三維點云進行整合、拼接，得到完整的三維數據，最后將文件以*.asc格式輸出。Stereo-3D可以快速的獲取葉片表面的點云數據，但無法得到零件的面和體，缺乏真實感。本例采用Stereo-3D軟件處理三維掃描系統掃描得到數據，再利用Geomagic-studio軟件進行除雜點、封裝、面片處理等[2-4]，重構零件的三維曲面。發動機葉片的點云如圖2所示。

圖2　發動機葉片點云圖

2.2　GeomagicStudio軟件中的三維曲面模型處理

z=f(x,y)=(a0+a1x+a2x2+a3x3)(b0+b1y+b2y2+b3y3)

(1)

即：

f(x,y)=c0+c1x+c2y+c3x2+c4xy+c5y2+c6x3+c7x2y+c8xy2+c9y3+c10xy3+c11x2y2+c12x3y+c13x2y3+c14x3y2+c15x3y3

(2)

對式(1)和數據點求差的平方進行求和運算得：

圖3　點云的處理過程

(3)

據式(3)求得f*(x,y)=c0*+c1*x+...+c15*x3y3的系數，得到曲面擬合函數。其中，a,b代表公式(1)函數系數，c0~c15代表公式(2)函數系數，c0*~c15*代表函數f*(x,y)的系數。

經所得葉片曲面和點云進行誤差比較，測量數據和發動機葉片的實際數據偏差為±0.037mm，偏差分析如圖3(d)所示。處理完成的點云形成了曲面幾何特征，可在Geomagic Studio軟件中保存為*.STL格式，將其導入CAD三維軟件中進行修改、誤差擬合、參數化設計等[6]，也可導入快速成型系統中進行發動機葉片的再生產，實現逆向工程的全過程。

3結論

探索了發動機葉片的數據測量方法和技巧，完成了葉片點云數據的獲取和處理。誤差分析表明，所得結果滿足精度要求和試驗性能指標，驗證了該方法的有效性，可推廣到其他薄壁類零件的三維數據測量中。

參考文獻:

[1] 成思源，謝韶旺. Geomagic Studio逆向工程技術及應用[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[2] 許賢良，劉小華，朱玉川. 基于逆求工程及快速自動成型技術的實時制造[J]. 機床與液壓，2001(6)：65-67.

[3] 程東旭，楊艷. 一種改進的散亂數據曲面擬合算法[J]. 中原工學院學報，2008，19(3)：65-68.

[4] 李巧麗. 基于點云數據的塑像三維建模[D]. 上海：同濟大學，土木工程，2009.

[5] 彭燕軍，王霜，彭小歐. UG Imageware在逆向工程三維模型重構中的應用研究[J]. 機械設計與制造，2011(5)：85-88.

[6] 周鋒. 基于Geomagic的玩具異形曲面快速數字建模技術研究[J]. 機械制造與自動化，2011，40(6)：148-150，202.

Exploration of 3D Data Measurement Method for Thin-walled Parts

MA Yu-qiong, ZHENG Hong-wei, WANG Wei, ZHANG Yu-pei

(Engineering Training Center, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Abstract:It is difficult to acquire point clouds for thin-walled parts by 3D Scanning system. In this paper, engine blade is taken as an example and camera type 3D scanning system is used to acquire the point clouds of part. The point clouds are dealt with by Stereo-3D and Geomagic Studio to obtain surface reflecting the real geometry. The experiment result expresses this method is effective, and can gives a reference to the measurement of thin-walled parts.

Keywords:optical measurement; 3D surface; thin-walled parts; point clouds

中圖分類號：TP391.4

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0153-02

作者簡介：馬玉瓊(1987-)，女，甘肅慶陽人，教師，工學碩士，研究方向為CAD/CAM技術。

收稿日期：2014-10-21