基于非接觸式測量的自由曲面逆向工程的應用

張榕賓

基于非接觸式測量的自由曲面逆向工程的應用

張榕賓

逆向工程作為一項新的先進制造技術受到重視是在二十世紀80年代末至90年代初，首先是由福特汽車公司提出的“2毫米工程”對傳統的機械制造業提出了前所未有的挑戰。逆向工程要求將質量控制從產品的事后檢測提前到產品的研發階段，減小企業對產品開發的風險，降低開發成本，縮短產品開發的周期。過去，逆向工程多應用在汽車業與模具業，如今廣泛應用在各種行業，逆向工程的使用也縮短了歐美和亞洲之間生產制造技術的差距。

一、逆向工程概述

（一）逆向工程的定義

逆向工程又稱逆向設計或反向工程，包括影像、軟件、實物逆向三種。在機械領域，逆向工程是在設計圖紙不是很完整或者在沒有設計圖紙情況下，只有實物，利用各種數字化技術的手段及CAD技術重新構造原零件CAD模型一個過程。

（二）逆向工程的體系

逆向工程一般分為四個階段：一是零件原形的數字化；二是從采集點云數據中構建零件的三維模型；三是零件原形CAD模型的重建；四是重建CAD模型的檢驗與修正。

逆向工程工作流程如圖1：

圖1 逆向工程工作流程圖

1.數據獲取技術

點云數據采集是反求逆向工程的基礎，它是指通過各種測量儀器從已有的產品原型上獲取三維數據點云的過程。目前，逆向工程中的數據采集方法可分成兩種：接觸式與非接觸式。

（1）接觸式測量方法

三坐標測量機不僅可對各種復雜產品進行測量，同時可以作為逆向點云數據采集的采集儀器。優點是測量精度高，體現萬能性；缺點是測量效率比較低，無法測量非硬性材料。

（2）非接觸式測量方法

①光學三角算法原理的激光掃描法

這種測量方法是根據光學三角型算法，以激光作為發射光源，其結構可以分為點激光、線激光、多條激光等，將光源投射到被測工件表面，并采用光電相機在另一個位置接收激光的反射數據，根據點或光線在被測量物體成像的偏移量，通過被測物體基本面、像點、像距離等關系計算出被測量物體的深度信息。

②基于相位偏移測量原理的莫爾條紋原理的白光掃描法

這種測量方法是將白光光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的變化，其條紋間的相位關系也會發生變化，數字圖形再處理解析出光柵紋理圖像的相位變化來獲取被測物體表面的三維信息。

二、汽車前窗鏡座零件的逆向工程應用

在已有汽車前窗鏡座零件的情況下，為企業對產品快速仿制及設計提供鏡座零件逆向工程的關鍵技術，本項目技術可廣泛應用于汽車、家電產品、摩托車等配件的設計和開發。

（一）汽車前窗鏡座零件逆向工程項目介紹

在本次曲面重構過程采用先由點云生成曲線再由曲線生成曲面的方法，即遵循點—曲線—曲面原則。其中，點云數據處理在Imageware軟件中進行，生成曲線后導入UG，完成曲線的編輯、光順、曲面及CAD模型的構建。

實施條件：（1）激光掃描測量機；（2）CAD/CAM軟件

（Imageware軟件、Unigraphics軟件）。

效益分析：采用上述技術，可大大縮短由實物建立CAD模型的時間，實現對產品或模型的快速建模和仿制。

（二）數據測量

測量對象：汽車前窗鏡座零件（以下簡稱鏡座）。

1.測量儀器

（1）測量系統的硬件組成

本次測量設備為深圳市特得維技術有限公司的TDV—300激光掃描儀（如圖2）。

圖2 激光掃描儀

該設備主要是由激光測頭系統、控制系統、機床本體組成的光電一體化系統，其主要技術參數如下：

掃描范圍（x.y.z）：300×200×350m m

掃描精度：0.02～0.05m m

掃描速度：5000～10000點/秒

掃描景深：60～100m m

定位精度（x.y.z）：0.01m m

重復定位精度（x.y.z）：0.005m m

單次掃描高度：35～65m m（可選）

光柵尺分辨率：0.001m m

（2）測量系統的軟件組成

圖3 Trivew T操作界面

圖3是TDV—300激光測量系統的軟件（TrivewTM）操作界面。該系統軟件由控制系統、標定系統、路徑規劃及掃描系統等功能組成。在參數設置中，可根據測量范圍和測量精度來設定激光掃描過程中的大部分的參數。

本次鏡座零件激光測量參數設置如下：

激光：150

間隔：0.5

速度：最快

2.測量步驟

（1）測量前期準備

測量前首先對鏡座結構特點進行了分析，其待測表面并不復雜，工件尺寸不大，通過單幅測量即可完成數據測量，不僅提高了測量及后續點云處理效率，還提高了測量精度。

鏡座表面顏色為黑色，由于反射光很弱，從而使測頭得到的光能很少，造成較大的非線性誤差，所以測量前需對鏡座表面進行適當的涂色處理，本次測量對被測表面均勻涂上白色的顯影劑。

（2）數據獲取

參數設定完成后，開始掃描并將測得的數據以AST格式輸入Imageware軟件中，所測點云如圖4所示。

圖4 原始點云

原始點云信息如下：

（三）點云數據處理

根據點云信息，鏡座零件的點云數據十分龐大，且含有大量的噪聲點，所以必須先對點云進行預處理。

1.數據濾波

首先通過圖形顯示，直接判別明顯的噪聲點并將其刪除。再通過自動濾波的均值濾波對點云進行光順。如圖4為測量的鏡座原始點云，從圖中可看到原始點云中存在大量的噪聲點和重疊區域，濾波效果如圖5。

圖5 濾波結果

2.數據對齊

點云對齊的基本操作：先在鏡座點云的底部上選取不共線的3點做截面（圖6），該截面就是點云的對齊特征，將所建特征與點云成組。然后在Imageware坐標系中做一基準平面（圖7），即在XOY平面中做一中點坐標為（0，0，0）的平面。

圖6 建立相應的對齊特征

圖7 創建基準

最后使用Imageware中的對齊工具（Stepwise Alignment命令），將建立相應的對齊特和創建的基準平面進行對齊。結果如圖8所示。

圖8 數據對齊

3.數據精簡

處理大量數據時，處理方法是采用定義點云距離的方式減少很大一部分數據。本鏡座零件設定distance tolerancet為0.2mm。

Distance tolerance的確定方法：將點放大到可以分清點距，由點距測量和想要去掉的點來確定distance tolerance值。比如要將點云點數去半，任意選擇取一點，測量與該點最近點的距離，然后取該點距離的2倍為distance tolerance值。

處理結果如圖9所示。可以直接選定要保留的點數來對點進行采樣。

圖9 精簡后

精簡結果：

4.數據分塊

鏡座零件是由幾張曲面混合形成的，所以根據子曲面的類型，將點云分割成幾塊獨立的子點云，分別構面，再通過曲面的延伸、橋接、裁減等混合而成鏡座表面。

由于測量數據的自動分割仍存在許多問題，因此采用的辦法是將自動檢測結果作為標志點輔助人工分割。這里使用了點云特征擷取命令，檢測結果如圖10（點云隱藏），為方便后面的曲線及曲面的逆合，人工將點分割成落干獨立的區域，如圖11所示。

圖10 點云特征擷取

圖11 分割后

5.截云線的生成

（1）定義截平面

分析點云，如圖12、圖13，對一般點云，只需要分別定義法矢相同的幾個截平面即可。

圖12 定義法矢相同的截平面

圖13 放射狀剖切截面

對于左下角，其邊界為一大角度的弧型，如按照圖以上截平面的定義方法，不利于使用Though Curve Mesh擬合成單張曲面，而是需要通過擬合成多個小曲面再拼接而成，不僅效率低，且曲面的光順性較差。

（2）截云線的生成

鄰域尺寸值通常近似取space sampling中設定的距離公差值的3倍，因此這里取space sampling=0.6，效果如圖14所示。

圖14 截云線的生成

6.邊界線的生成

邊界線的生成采用計算機輔助人工選取點云邊界點的方式生成邊界線。將點云放大至能分清點距，捕捉點云的邊界點（圖15箭頭所示）生成一條3D B-Spline曲線（圖16）。

圖15 捕捉點云的邊界點

圖16 邊界線

（四）曲線的擬合、編輯及光順

1.曲線的擬合

曲線的擬合使用Curve Form Cloud中的Uuniform Cloud選項，根據點云的情況選擇合適的曲線構造方法，通過合適選項構造調整曲線，接下來要做的就是曲線的編輯。將數據以.igs格式保存，使用UG軟件完成曲線的編輯、曲面及CAD模型的構造。

2.曲線的編輯及光順

因測量時有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條曲線不光順時（如圖17）還需要進行調整（如圖18），否則構造出的曲面也不光順。調整常用到的是Edit Spline，一般常用Edit Pole選項，包括移動、添加控制點和移動控制極點，方便對樣條進行編輯。此外，曲線的斷開（Divide）、橋接（Bridge）和光順曲線（Smooth Spline）也常用到。

圖17 曲線光順前

圖18 曲線光順后

生成三維數據之前需要大量的調線面工作，調線時可以通過調整曲率進行保證曲面質量。精度和光順性是逆向建模的兩個相互矛盾的準則，實際操作過程中不能兼顧，只能根據產品特點及要求滿足設計需求。

（五）曲面的構造

因為曲面構造要求有流暢并光順的外表面，因此在構造曲面時要保證面和面之間能夠以G2（曲率）或G1（相切）連續，這樣能形成一個光順的曲面。另外，還要根據具體情況選擇更加合適的構造方法。

曲面構造方法：

（1）最常用的構造方法是Though Curve Mesh，可以保證曲面邊界曲率的連續性，Though Curve僅能保證兩邊連續。

（2）曲面構造時經常會遇到多邊的曲面，一般可以通過做輔助樣條曲線把多邊曲面轉化為更多的曲面，也可以將邊界線延長。

曲面分別構造完成后（圖19），再通過曲面的延伸、橋接、裁減等混合而成鏡座的兩個面之間往完整表面，如圖20。

圖19 曲面擬合

圖20 完成的曲面

構造曲面時，往往有很多不光順的地方，解決該問題的方法是：可以通過設置邊界相切連續設置，使邊界光順，從而使曲率變化連續。亦可通過曲面橋接等命令將一個曲面的邊界延伸重合至另一個曲面的邊界。

曲面構造時應注意的幾個問題：

一是曲面構造時應抓住樣條特征，盡量減少曲面張數以提高整體光順度及提高建模效率。

二是構造曲面階次盡量要小，一般為3到4階。由于有的CAD系統不支持高階曲面，因此減少曲面階次可以提高與其他CAD系統的數據交換能力。

三、總結

以汽車前窗鏡座零件為原形，通過激光掃描獲得曲面的數字化信息，進行鏡座的反求、CAD模型構建，講述了逆向工程技術在產品設計過程中的應用步驟，包括數據的采集、點云數據處理、曲線的擬合、構造及曲面的擬合等整個產品外表面重新縫補。采用了Imageware結合UG等軟件，遵循點—曲線—曲面原則，完成了汽車前窗鏡座產品的三維數據模型逆向反求設計，為后續的數據分析、模具設計、數控加工等奠定了基礎，極大地提高了開發效率。

（作者單位：福州第一技師學院）

[1]鞠華.逆向工程中自由曲面的數據處理與誤差補償研究[D].浙江大學博士學位論文，2003.

[2]趙宏慶.逆向工程中關于散亂點曲面重構問題的研究[D].西北工業大學碩士學位論文，2003.

[3]陳偉卿.面向RPM的點云數據直接分層處理技術及其軟件實現[D].大連理工大學碩士學位論文，2002.

[4]張秀萍.基于點云數據復雜曲面的三維重構[D].新疆大學碩士學位論文，2004.

[5]鄭尚文.逆向工程中曲線和曲面重構的研究[D].東南大學碩士學位論文，2004.