基于結(jié)構(gòu)光三維掃描散熱扇逆向建模研究

摘 要：采用三維掃描技術(shù)，結(jié)合Geomagic Studio逆向軟件和Pro/E三維設計軟件對散熱扇進行逆向建模。首先應用三維掃描儀采集散熱扇點云數(shù)據(jù)采集，得到的點云數(shù)據(jù)用Geomagic Studio進行處理，生成曲面模型；再導入三維建模軟件實體化，獲得散熱扇實體模型。最后用3D打印機，打印出零件模型，實現(xiàn)逆向制造。證實了三維掃描和3D打印在逆向設計及制造中的可行性。

關(guān)鍵詞：三維掃描；逆向設計；3D打印

引言

以三維建模和仿真為核心技術(shù)的數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應用到航空航天、工業(yè)制造、汽車制造等多個領(lǐng)域，并推動制造技術(shù)由經(jīng)驗制造轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W制造[1]。基于三維掃描技術(shù)的逆向工程是一種先進的數(shù)字化設計技術(shù)。早期的逆向設計數(shù)據(jù)來源是機械測量，效率很低，并且誤差很大。目前，多采用三維掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集，可以大大提高逆向設計數(shù)據(jù)的精度[2-4]。文章以散熱扇為例，采用深圳市華朗科技有限公司生產(chǎn)的Holon-3DX三維掃描儀進行表面數(shù)據(jù)采集，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用逆向軟件Geomagic Studio對點云數(shù)據(jù)處理，再用Pro/E數(shù)字化建模，最后輸出STL模型，進行3D打印，完成實體建模。

1 三維掃描儀和點云數(shù)據(jù)采集

1.1 三維掃描儀

逆向工程獲取物體三維信息的常見方法可分為接觸式和非接觸式兩大類，文章采用的非接觸式測量法。Holon-3DX掃描儀掃描物體時能隨意變換物體角度，全方位測量，不同角度測量數(shù)據(jù)能自動拼接到一起。與傳統(tǒng)三坐標測量儀和激光三維掃描儀相比具有速度快、精度高、易操作、可移動等特點。

Holon-3DX三維掃描儀由兩個攝像頭和一個光柵發(fā)射器組成。測量時光柵投影裝置投影多幅多頻光柵到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用立體匹配技術(shù)、三角形測量原理，計算出攝像機公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標。

1.2 數(shù)據(jù)采集

打開掃描儀之后應對掃描儀進行定標。掃描前一般要在物體表面均勻噴涂白色顯影劑，并在被測物上貼好標示點，標志點貼放時盡量以不影響散熱扇特征點掃描為原則，貼在沒有特征點的表面，并保持標示點之間的距離相近，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實可靠。外部環(huán)境光線的明暗程度對數(shù)據(jù)采集有一定影響，要保證周圍環(huán)境光線不能太亮，并且不能有太大變化。

掃描時需要獲取物體不同角度的表面三維點云數(shù)據(jù)，文章使用的三維掃描儀的掃描系統(tǒng)軟件會自動拼接相鄰兩個視角掃描的點云數(shù)據(jù)，以獲取完整的表面點云數(shù)據(jù)。掃描過程及結(jié)果如圖3、圖4。

掃描完成后對得到的散熱扇點云數(shù)據(jù)進行預處理，刪除不需要及誤差大的點云數(shù)據(jù)，最后輸出*.ply格式的點云數(shù)據(jù)并保存。

2 點云數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)

2.1 點云數(shù)據(jù)處理

在掃描過程中，由于掃描系統(tǒng)本身誤差及周圍環(huán)境等因素的影響，采集到的點云數(shù)據(jù)不可避免的會受到干擾，存在有較大誤差的壞點，即雜點、噪音點、冗余點。所以，反求模型前必須對數(shù)據(jù)進行編輯處理。對于偏離較大的點和孤立的冗余點可用直接觀察法手動刪除，并配合使用分離點和去除體外孤點的方法刪除不太明顯的雜點、噪音點。

將掃描得到的點云數(shù)據(jù)導入到Geomagic studio軟件中進行點云數(shù)據(jù)處理。該散熱扇所有葉片都相同，前期為了減少工作量，可只對部分葉片點云數(shù)據(jù)作處理。最后，將點云模型轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格模型。通過細分、簡化三角形、刪除表面釘狀物、快速光順等操作修復三角形網(wǎng)格模型的缺陷，以方便后續(xù)的曲面擬合。

2.2 曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是根據(jù)已有曲面數(shù)據(jù)，構(gòu)造反映其形狀的數(shù)學模型的過程。目前曲面重構(gòu)的方法有三種，分別是B樣條和NURBS曲面為基礎的曲面構(gòu)造方法、以三角Bezier曲面為基礎的曲面構(gòu)造方法和以多面體方式來逼近曲面物體的重構(gòu)方法。本次采用B樣條和NURBS曲面為基礎的四邊域曲面構(gòu)造方法。使用該方法進行曲面重構(gòu)與一般的CAD系統(tǒng)兼容性較好。

經(jīng)過上述處理之后，三角形網(wǎng)格模型已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化，可進行曲面造型，重構(gòu)散熱扇曲面模型。對網(wǎng)格模型進行探測輪廓線操作，計算并抽取出輪廓線，然后通過編輯輪廓線，使曲面片能夠更好的劃分。再通過構(gòu)造格柵，檢查模型區(qū)域，構(gòu)建出一個完整的曲面模型，接著根據(jù)格柵擬合NURBS曲面。處理過程如圖5所示。

經(jīng)過偏差分析可以看到曲面擬合后的統(tǒng)計誤差，是否滿足擬合的要求。圖6可看出平均偏差在0.0244～-0.0202mm之間，在可以接受范圍。

3 實體建模及打印

3.1 實體模型

將在Geomagic Studio中擬合好的散熱扇NURBS曲面模型以IGSE格式保存后導入到Pro/E軟件中，可通過縫合、曲面拼接、實體化等方法生成實體模型，并可以修改三維模型數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型。如圖7是最終完成的風扇葉片實體模型。

3.2 實體模型打印

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來完成物體的形態(tài)塑造的技術(shù)。它無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。將上述步驟得到的散熱扇模型生成STL文件，輸入到3D打印機，即可打印出散熱扇實體。

4 結(jié)束語

利用三維掃描技術(shù)獲取待測模型的點云數(shù)據(jù)，再利用相關(guān)軟件設計造型，這是逆向工程的發(fā)展趨勢。文章通過三維掃描儀獲得散熱扇的三維點云數(shù)據(jù)，然后通過Geomagic Studio和Pro/E軟件進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到散熱扇三維實體模型，并在三維模型的基礎上進行修改數(shù)據(jù)，改正缺陷等二次開發(fā)過程，最后可利用3D打印機將打印散熱扇模型，完成逆向制造。結(jié)果表明，三維掃描和3D打印結(jié)合的逆向工程可以在沒有產(chǎn)品圖紙的情況下實現(xiàn)產(chǎn)品建模及制造，和傳統(tǒng)的設計方法相比，可以大大縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，快速響應市場，提高企業(yè)競爭力。

參考文獻

[1]寧汝新.數(shù)字化技術(shù)是先進制造的核心技術(shù)[J].中國制造業(yè)信息化，2011，6：18-19.

[2]李東鋒，彭浩舸，張旭，等.基于逆向工程的玩具汽車內(nèi)飾部件模具設計與研究[J].價值工程，2015，14：82-84.

[3]成思源，吳問霆，楊雪榮，等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].現(xiàn)代制造工程，2011，1：8-12.

[4]張德海，梁晉，郭成，等.逆向工程的流程研究和基于Geomagic的實例應用[J].機械研究與應用，2008，3：106-108+111.