逆向工程與激光制造技術在工藝品上的應用研究

夏名祥，石光林*，陳晨，宋恩權

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006；2.柳州鑫鼎科技有限公司，廣西柳州545007）

逆向工程與激光制造技術在工藝品上的應用研究

夏名祥1，石光林*1，陳晨1，宋恩權2

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006；2.柳州鑫鼎科技有限公司，廣西柳州545007）

以木鼎工藝品為研究對象，簡述了光柵投影測量的基本原理，分析了三點坐標對齊變化算法的實現.使用ATOS光學掃描儀取得木鼎的點云數據，在GOM Inspect軟件中構建木鼎數字模型，轉換為STL數據格式輸入PreForm軟件，采用SLA激光快速成型機打印木鼎模型；運用激光內雕加工方法，設計加工出新的玻璃內雕工藝品，為工藝品數字化保護和開發提供一條新的途徑.

逆向工程；光學測量；SLA快速成型；激光內雕

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是在只有產品實物的前提下，使用測量設備獲取實物的表面數據，通過三維幾何建模的方法重構實物的數字模型，然后將數字模型進行產品分析和再設計、模具制造和加工生產的過程［1］.

工藝品、文物和藝術浮雕等物品，通常具有曲面造型復雜、細節特征明顯、缺少CAD數據等特點，難以用正向設計的方式得到這些物體的數字模型.運用逆向工程技術，能夠得到物體的表面數據模型，并進行相應的設計加工，從而實現對工藝品、文物等物品的保護和開發［2］.

本文采用ATOS三維光學測量系統對木鼎進行掃描，得到工藝品的數字模型，采用SLA激光快速成型機加工出工藝品模型；同時在測量的木鼎數據基礎上，使用激光內雕機設計加工出新的工藝品，對工藝品的保護和開發有一定的參考作用，具體流程如圖1所示.

圖1　工藝品保護開發流程圖Fig.1 Flow chart for the protection and development of the arts and crafts

1　三維數據采集

物品表面三維數據的采集是重構模型的首要環節，根據測量方式的不同，數據采集系統可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類.基本原理都是通過測量設備和方法，獲得物體表面離散點的幾何數據.

木鼎工藝品具有表面紋理復雜、細節特征明顯、曲面過渡較大的特點，接觸式測量在速度和精度上難以滿足實際需要.采用基于結構光法的非接觸式測量，能夠較好地獲取物體表面的幾何數據.

1.1光柵投影法

光柵投影法是一類主動式全場三角測量技術，與其他結構光方法不同之處在于：它投影的是一個在空間中周期分布的光柵場，在測量中以相位來描述光柵場的空間分布，并在條紋圖像中求出相位得到點的三維坐標［3］.

如圖2所示，投影點射出的光源在沒有放置被測物體時應照射在A點，在CCD上對應的像點為A′點.放置被測物體后，照射到被測物體的C點，從圖示方向觀察，A點移動到新的位置B點，在CCD上對應的像點為B′點.距離AB包含了高度信息z=H（x，y），即高度受到了表面形狀的調制，通過解調變形光柵影線可解算出被測物面的空間坐標.

圖2　光柵投影測量系統光路圖Fig.2 Optical path of grating projection measuring

德國GOM公司研發的ATOS三維光學測量系統利用光柵投影單元，將一組具有相位信息的光柵條紋投影到測量工件表面，左右2個高分辨率數模相機進行同步測量，可以在極短時間內獲得物體表面的高密度三維數據.其單幅測量可創建多達4×106個三維坐標點，形狀誤差不大于0.005mm，整體拼合掃描精度為0.1mm／m［4］.

1.2三點坐標對齊變換

在實際測量中，由于受掃描儀測量范圍、物體外部形狀等因素的影響，需要對物體進行多次測量，然后將測量的多視點云進行數據的對齊和拼接，從而得到完整的反映物體全貌的三維點云數據，為后續操作提供可靠的數據模型［5］.

圖3　三點對齊示意圖Fig.3 Schematic diagram of three point alignment

分塊測量的點云數據可看作一個剛體，兩塊點云數據的對齊屬于空間剛體移動；因此，多視點云的對齊可看作空間兩個剛體的坐標轉換.由于三點可以確定一個完整的坐標系，因而單個零件多次測量的坐標轉換可以使用三點對齊變換方法［6］.其基本原理如下：

在被測S曲面上選取3個不共線且在2次定位狀態下均可測量的點A，B和C，如圖3所示.

設第1次測量時A，B和C點的坐標值分別為p1，p2和p3，第2次測得的坐標值q1，q2和q3.

剛體變換通過3個步驟實現：Step1變換p1到q1；Step2變換矢量（p2-p1）到（q2-q1）；Step3變換包含3點p1，p2和p3的平面到包含q1，q2和q3的平面.

算法如下：

1.3木鼎的ATOS光學測量

在使用ATOS光學測量系統對木鼎進行掃描前，要在木鼎表面隨機粘貼5mm的圓形標識點（黑底白圈）作為拼接基準參考點，如圖4所示.

多次掃描測量得到的點云數據，通過“三點坐標變換”進行數據拼合：每個單幅測量范圍內必須含有3個以上同時也屬于上一幅測量的參考點（位于重疊／連接部分），第2批測量的點序列被轉化到前一次測量所定義的坐標系中，測量數據拼合如圖5所示.

圖4　木鼎的ATOS光學測量Fig.4 ATOS optical measurement of wooden tripod

圖5　測量數據拼合Fig.5 Registration of measuring data

ATOS系統測量的第一幅數據將確定物體在ATOS Professional中的坐標系，通過ATOS逐步對木鼎的4個側面、內外面、上下面等進行多次測量，得到不同測量視圖下的點云數據，ATOS Professional將利用參考點把不同的視圖對齊和拼合到一個坐標系中，從而得到木鼎完整的點云數據.

2　數字模型的重構

完成木鼎測量得到完整的點云數據后，需將測量的點云轉變到一個沒有重疊的、由不同三角形組成的網格里［7］.通過GOM Inspect軟件進行多邊形計算，并進行網格編輯，包括補孔、創建網格橋、光順網格和稀化網格等操作，實現測量數據預處理.

在數字化測量物體時有時可能無法涉及所有表面，缺失數據表現在多邊形網格上就是網格上有孔，需要在ATOS軟件中修補填上這些缺孔.通過GOM Inspect軟件對網格處理，可以得到完整的木鼎多邊形網格數據［8］，如圖6所示，同時可以輸出STL格式數據.

圖6　木鼎數字模型Fig.6 Digital model of wooden tripod

3　工藝品保護與開發

3.1SLA激光快速成型

光固化快速成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技術，是通過計算機控制激光按零件的分層截面信息在液態光敏樹脂的表面進行逐點掃描，樹脂薄層產生光聚合反應而固化.一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，依次不斷掃描新的一層液態樹脂，直至得到完整的三維實體模型［9］.

采用SLA工藝加工木鼎的過程主要包括前期數據準備階段、成型加工階段和后處理階段［10］.其工藝流程如圖7所示.

圖7　SLA加工工藝流程Fig.7 Machining process of SLA

使用FormLabs型SLA激光成型打印機加工木鼎模型的操作步驟如下：

Step1在液槽中裝入液態光敏樹脂，將木鼎的STL格式數據輸入PreForm軟件后，進行模型的移動、旋轉、縮放比例等布局操作，設置模型支撐結構的間距和斜度系數，查看模型的分層切片數據；

Step2完成模型預操作后，連接打印機進行打印，激光束將材料進行逐層打印，直至完成打印.

最終打印模型如圖8所示.

圖8　木鼎的快速原型模型Fig.8 Rapid prototype model of wooden tripod

3.2激光內雕加工

激光內雕技術是內部破壞技術，它通過計算機控制激光束的掃描路徑，使激光束在玻璃體內部聚焦.激光束的能量密度在需要加工的區域超過玻璃的破壞閾值，能夠在瞬間使玻璃受熱破裂，產生大量微米量級大小的爆裂白點，從而在玻璃內部雕出預定的2D／3D形狀，而玻璃其余未爆裂的部分則保持原樣完好無損［11］.

本文所述HSGP－3KC型激光內雕機采用半導體泵浦固體激光技術，產生的激光經倍頻處理輸出波長為532 nm的激光，側面泵浦結構原理如圖9所示［12］.激光內雕機通過專用點云轉換軟件將二維或三維圖形轉換成點云數據，振鏡掃描器在計算機控制下高速擺動，同時工作臺進行聯動運行，輸出激光在玻璃中掃描點的位置，從而完成點云圖像的激光內雕加工.

HSGP－3KC型激光內雕機的激光波長為532 nm，激光頻率3 000Hz，最快雕刻速度為3 500點／s，進行木鼎工藝品的加工步驟如下：

Step1點數據生成.將木鼎的模型數據轉換為DXF格式文件，輸入Dot Cloud軟件中，進行模型調整，設置加點方式為線面加點，輸入線點距、面點距值，生成點云數據，保存DXF點云文件；

Step2激光雕刻.將計算的木鼎DXF點云文件導入雕刻加工軟件中，設置玻璃體和工作臺尺寸，完成設置后，開始激光加工，得到的木鼎玻璃內雕工藝品如圖10所示.

圖9　側面泵浦結構原理Fig.9 Principle of side pump laser

圖10　木鼎激光內雕工藝品Fig.10 Crafts of wooden tripod made by laser carving

4　總結

采用ATOS三維光學掃描系統對具有復雜型面及細節特征的木鼎進行表面數字化，解決了以往測量精度難以滿足實際需要的難題.運用SLA快速成型與激光內雕技術，成功地實現了木鼎的復制與開發，為此類工藝品或文物的保護開發提供了新的途徑和手段.

［1］張德海，李艷芹，謝貴重，等.三維光學掃描技術逆向工程應用研究［J］.應用光學，2015，36（4）：519－525.

［2］成思源.逆向工程技術綜合實踐［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［3］達飛鵬，蓋紹彥.光柵投影三維精密測量［M］.北京：科學出版社，2011.

［4］張坤，馮蘭芳，惠延波，等.基于逆向工程技術的某微客車排氣系統的快速開發［J］.制造業自動化，2014，36（16）：30－33，42.

［5］康蘭，馮亞娟，陳正鳴.多視點云數據快速對齊方法［J］.機械設計與研究，2009，25（1）：7－9，14.

［6］牟小云.基于RE／RP集成的復雜外型產品快速成型技術研究［D］.西安：西安理工大學，2008.

［7］胡迎春，余兵浩，歐亞龍.人體腰椎節段CT圖像的反求建模和有限元分析［J］.廣西科技大學學報，2014，25（2）：13－16.

［8］靳龍，袁愛霞，胡迎春.基于Mimics和ProE的人體腰椎生物力學分析［J］.廣西工學院學報，2013，24（4）：45－49.

［9］龔運息.基于SLA和FDM的3D打印發動機風扇工藝與性能分析［J］.制造技術與機床，2015（11）：111－115.

［10］劉杰.光固化快速成型技術及成型精度控制研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2014.

［11］何文浩.三維激光微雕技術在玻璃深加工中的應用發展［J］.硅酸鹽通報，2015，34（S）：311－313.

［12］蘇維均，劉贇喆，王群.激光內雕機的使用及相關問題的解決方案［J］.北京工商大學學報（自然科學版），2008，26（3）：25－28.

（學科編輯：黎婭）

Application and research of reverse engineering and laser manufacturing technology in the arts and crafts

XIA Ming-xiang1,SHI Guang-lin*1,CHEN Chen1,SONG En-quan2
(1.School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China; 2.Liuzhou Xin Ding Technology Co.,Ltd.,Liuzhou 545007,China)

Taking a wooden tripod craft as the research object,the basic principle of grating projection measurement is described briefly.The realization of the three point coordinate change algorithm is analyzed.The point cloud data of wooden tripod has been obtained by using ATOS optical scanner.The digital model has been established with the GOM Inspect software.And it is converted to STL data format to input PreForm software,using SLA laser rapid prototyping machine to complete the model of printing;the laser processing method has been used to design and process the new glass carving arts and crafts.And this provides a new way for the digital protection and development of arts and crafts.

reverse engineering;optical measurement;SLA rapid prototyping;laser engraving

TB472

A

2095-7335（2016）03-0045-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.008

2016-02-25

廣西科技開發計劃項目（桂科能1598024-2-1）資助.

石光林，教授，研究方向：先進制造技術，E-mail：sgl8913＠163.com.