基于MBD三維可視化測量的研究

羅海鋒+鐘智

摘要：隨著數字化設計與制造技術飛速發展，三維數模逐漸取代二維圖紙，作為產品研制生產的唯一依據，基于MBD技術ATOS光學三維數字化系統的應用實現了三維可視化測量，使人們以直觀明白的方式獲取相關信息，為三維設計向三維制造一體化轉變奠定基礎。本文以ATOS系統為例，闡述基于MBD三維可視化測量的實現過程。

關鍵詞：MBD；可視化；光學三維數字化系統

1.基于MBD三維可視化測量的原理

1.1 點云數據的采集

ATOS三維掃描儀有兩個CCD攝像機和一個中央投影單元的光學三維掃描儀，掃描儀在測量時可隨意繞著被測物體移動，高速攝取實物表面數據。對大型物體需分塊掃描，是若干不同位置掃描的曲面能按特征點自動拼接，形成一個完整的三維數字模型。

1.2 三維圖像的重建

設物體放置在水平面上，如圖2所示。設物體所在的三維空間坐標系的X-O-Y平面在放置物體的水平面上；X軸與投影光柵的移動方向平行且相同；Y軸與光柵的投影方向平行且同向；Z軸垂直向上，與X，Y軸構成右手坐標系。于是，物體表面上的任何一點在三維空間坐標系里的位置為P（X，Y，Z）。

圖2 二維三維對應示意圖

二維平面i-j與空間坐標系的X-O-Y平面垂直，i軸與X軸的夾角為α，j軸與Z軸平行同向，于是，物體表面上的任何一點P（X，Y，Z）在二維坐標系里的位置為P（i，j），在二維坐標系i-j中，三維空間坐標系X軸的投影（ix，jx）分別為：

ix=Xcosα+i0 （1）

jx=Xsinα+j0 （2）

三維空間坐標系Y軸的投影（iy，jy）分別為：

iy=-Ycosβ+i0 （3）

jy=Ysinβ+j0 （4）

三維空間坐標系Z軸的投影（iz，jz）分別為：

iz=i0 （5）

jz=Z+j0 （6）

三維空間坐標系中任意一點P（X，Y，Z）的投影P（ip，jp）為：

ip=Xcosα-Ycosβ+i0 （7）

jp=Xsinα+Ysinβ+j0+Z （8）

在二維圖像坐標系中，每一條輪廓線上的任意一點P（ip，jp）在三維空間坐標系中都對應一點P（X，Y，Z），因此由攝像機拍攝到的二維投影圖像中含有n條切面輪廓線，根據以上投影幾何學原理，就可以重建出物體的三維空間模型。

2 測量效率

2.1 效率

本次ATOS三維測量試驗中，選用測量尺寸數量為91個，導入數模并構建91個測量數據一共花費4h；試驗使用的產品一共有538個尺寸，完成整個產品掃描一共花費1h；工作站對掃描數據自動計算所花時間為25min，通過分析估算可以得出ATOS系統測量效率，見表1。

表1 ATOS系統測量效率

常規手段測量所花時間統計，結合產品尺寸精度要求以及實際生產情況，產品538個尺寸中，除形位公差、中心距離等尺寸需要CMM測量外，其余尺寸則歸為檢驗員手動測量，見表2。

表2 常規手段測量效率

可以看出，ATOS三維光學數字化系統測量與常規手段測量相比，效率提升了：

（11.14-3.024）÷11.14×100%=73%

3結論

與常規測量手段相比，三維光學數字化系統可以快速獲取大量測量實體三維信息，不但很大程度的減少勞動強度，提高生產效率，而且基于MBD技術，三維測量完全能夠在語義信息豐富、直觀的三維可視化環境下進行，三維光學測量技術廣泛應用于工業產品的設計、生產加工以及檢測領域，大大降低生產及研發成本，縮短產品研制周期。

參考文獻：

[1]韓爽，范玉青.基于模型的數字化定義技術.航空制造技術，2008，（3）.

[2]肖珺，謝曦鵬.數字化三維工藝設計[J].數字技術與應用，2010，（12）：9.