阮詩(shī)頌1，王淵明2，裴永生1

燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北秦皇島066004；2·秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北秦皇島0660）

摘要：探索運(yùn)用逆向工程來(lái)構(gòu)建三維曲面網(wǎng)狀沖壓件的三維數(shù)學(xué)模型。該方法使用激光三坐標(biāo)掃描測(cè)量?jī)x對(duì)三維曲面網(wǎng)狀沖壓件進(jìn)行非接觸式測(cè)量，得到三維曲面網(wǎng)狀沖壓件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再運(yùn)用Geomagic對(duì)點(diǎn)云完成數(shù)據(jù)擬合，得到三維曲面網(wǎng)狀沖壓件的數(shù)字化模型。

相比于以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)為代表的傳統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)狀沖壓件三維坐標(biāo)的接觸式坐標(biāo)測(cè)量方法存在的測(cè)量速度慢、測(cè)量精度不高的不足，激光三坐標(biāo)掃描測(cè)量?jī)x測(cè)量的速度更快，測(cè)量的精度更高。

且Geomagic對(duì)點(diǎn)云完成數(shù)據(jù)擬合得到的數(shù)字化三維模型更貼合實(shí)際的模型，表明該方法切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞：逆向工程；激光三坐標(biāo)掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合；網(wǎng)狀沖壓件；Geomagic

DOI：10· 13330/j· issn. 1000·3940· 2018· 02· 030 中圖分類(lèi)號(hào)：TG301 文標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1傭0 ·3940（2018）024182 £4

Research on reverse modeling Of 3D curved mesh stamping part

Ruan Shisong，Wang Yuanmmg Pei Yongsheng

（I. College of Vehicles and Energy，Yanshan University，Qinhuangdao 0660，China；2．Qinhuangdao Tobacco Machinery Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066004，China)

Abstract：The three-dimensional mathematical model of 3D mesh stamping part constructed by reverse engineering was explored. In this method the 3D mesh stampmg part was non-contact measured by laser three-coordinate scanning measuring instrument，and the point cloud data of 3D mesh stamping part was obtained. Then the data fitting for point cloud was completed by Geomagic，and the digital model for 3D mesh stampmg part was obtained. Compared to disadvantages of slow speed and poor accuracy of the traditional contact measurement for 3D mesh stamping parts，such “ the three-coordinate measurmg machine（CMM），the speed is faster and the precision is higher by the laser three-coordinate scanning measuring instrument. In addition，the digital 3D model data fitted by Geomagic is closer to the actual model which showes the feasibility of the proposed method．

Key words：reverse engmeenng；laser three-coordinate scanning；point cloud data fitting；mesh stamping part；Geomagic

隨著工業(yè)對(duì)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)要求的增加以及輕量化的要求，有些薄板沖壓件開(kāi)始采用網(wǎng)狀沖壓件，如圖1所示。

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在構(gòu)建網(wǎng)狀沖壓件數(shù)字化三維模型問(wèn)題上，傳統(tǒng)的建模方法已經(jīng)不能滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求，因此逆向工程應(yīng)運(yùn)而生。

逆向工程也稱反求工程，是根據(jù)實(shí)物模型測(cè)得的數(shù)據(jù)構(gòu)造出數(shù)字化三維模型，繼而將這些模型和設(shè)計(jì)表征用于產(chǎn)品的分析和制造，并且可以通過(guò)對(duì)重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改來(lái)達(dá)到對(duì)實(shí)物模型的逼近或優(yōu)化，以滿足展開(kāi)研究，主要包括激光三坐標(biāo)掃描儀的掃描過(guò)程以及利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)三維曲面網(wǎng)狀沖壓件曲面的擬合過(guò)程，最后得到合理的三維模型。

1激光三坐標(biāo)掃描儀

傳統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)狀沖壓件三維坐標(biāo)的方法是以CMM 為代表的接觸式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，但是該設(shè)備測(cè)量速度漫，容易劃傷物體表面并且存在接觸壓力和半徑補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。

三維激光掃描儀可以獲取實(shí)物模型的三維坐標(biāo)信息而不用接觸構(gòu)件表面，避免了在高精度后續(xù)的加工要求，其是從數(shù)字化點(diǎn)的產(chǎn)生到數(shù)字化三維模型的一個(gè)推理過(guò)程

因此，發(fā)現(xiàn)本文針對(duì)曲面網(wǎng)狀沖壓件采用逆向建模的方法，就非數(shù)字化的三維曲面網(wǎng)狀沖壓件的建模過(guò)程測(cè)量中測(cè)量力帶來(lái)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，且可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)軟質(zhì)和超薄形物體表面形狀的測(cè)量[ 3 ]。

激光三坐標(biāo)掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特征，在注重測(cè)量速度和操作簡(jiǎn)便的同時(shí)保證了測(cè)量的綜合精度，是一個(gè)多技術(shù)集成的測(cè)量系統(tǒng) 。

產(chǎn)匕戶采用非接觸式主動(dòng)測(cè)量的方式，主要采用脈沖測(cè)距法獲取被測(cè)物體表面點(diǎn)集的坐標(biāo)信息，最終模型各點(diǎn)坐標(biāo)信息以點(diǎn)云的形式呈現(xiàn)，從而為逆向處理軟件提供被測(cè)物體的點(diǎn)、線、面以及體的三維坐標(biāo)信息[ 5 ]。

三維激光掃描儀通過(guò)內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，能夠方便快捷地獲取被測(cè)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)2激光三坐標(biāo)掃描儀標(biāo)定過(guò)程

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2· 1標(biāo)定前準(zhǔn)備工作

相機(jī)參數(shù)標(biāo)定是整個(gè)掃描系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)，在掃描系統(tǒng)安裝完成后，第1次掃描前必須進(jìn)行標(biāo)定。另外，在掃描系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間未使用或經(jīng)過(guò)撞擊、振動(dòng)等情況下也必須進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)定步驟如下。

（1） 先啟動(dòng)專用計(jì)算機(jī)上的掃描系統(tǒng)，使掃描系統(tǒng)預(yù)熱5一10 min,確保掃描狀態(tài)與標(biāo)定狀態(tài)盡可能接近，之后啟動(dòng)軟件系統(tǒng)。

（2） 相機(jī)參數(shù)調(diào)整。通過(guò)“調(diào)整相機(jī)參數(shù)"對(duì)話框中的曝光、增益與對(duì)比度來(lái)調(diào)整亮度，并觀察相機(jī)實(shí)時(shí)顯示區(qū)，以便得到滿意的圖像質(zhì)量。

（3） 調(diào)整掃描距離。打開(kāi)標(biāo)定界面時(shí)，相機(jī)實(shí)時(shí)顯示區(qū)會(huì)顯示一個(gè)白色的“十"字，將相機(jī)實(shí)時(shí)顯示區(qū)劃分為2個(gè)等面積的區(qū)域，這時(shí)光柵投射器會(huì)投出一個(gè)黑色的“十"字，這樣會(huì)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)“十"字，將標(biāo)定板放在視場(chǎng)中央，通過(guò)調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度及俯仰角，盡量使這2個(gè) “十"字重合。

（4） 調(diào)整標(biāo)定板。根據(jù)界面左上角的指示操作，開(kāi)始標(biāo)定。每個(gè)步驟都要注意左側(cè)標(biāo)志點(diǎn)提取顯示區(qū)，使板上的99個(gè)點(diǎn)均處于視場(chǎng)內(nèi)，且至少88個(gè)點(diǎn)提取成功才能進(jìn)行標(biāo)定操作。

2· 2光柵投射器標(biāo)定

光柵投射器標(biāo)定共分6個(gè)步驟完成。

（1） 標(biāo)定板正對(duì)光柵投射器水平放置，放置方向?yàn)榫嚯x最近的并使面上有較近距離的2個(gè)白點(diǎn)的面向上放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm，點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第1步標(biāo)定。

（2） 將標(biāo)定板距設(shè)備640 mm，點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第2步標(biāo)定。

（3） 將標(biāo)定板距設(shè)備560 mm,點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第3步標(biāo)定。

（4） 標(biāo)定板的放置方向水平轉(zhuǎn)過(guò)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向右放置，將標(biāo)定板距設(shè)備 600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第4 步標(biāo)定。

（5） 標(biāo)定板的放置方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向下放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足要求后點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第 5步標(biāo)定，標(biāo)定板的放置方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90。

距離最近的兩個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向左放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊“標(biāo)定操作"，完成第6步標(biāo)定。

2· 3相機(jī)標(biāo)定步驟相機(jī)標(biāo)定共分4步完成。

（1） 標(biāo)定板正對(duì)相機(jī)，標(biāo)定板的放置方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向上放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊 “標(biāo)定操作"，完成第7步標(biāo)定。

（2） 標(biāo)定板正對(duì)相機(jī)，標(biāo)定板的放置方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向右放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊 “標(biāo)定操作"，完成第8步標(biāo)定。

（3） 標(biāo)定板正對(duì)相機(jī)，標(biāo)定板的放置方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向下放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊 “標(biāo)定操作"，完成第9步標(biāo)定。

（4） 標(biāo)定板正對(duì)相機(jī)，標(biāo)定板的放置方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，距離最近的2個(gè)相鄰大點(diǎn)一側(cè)向左放置，將標(biāo)定板距設(shè)備600 mm,滿足條件后點(diǎn)擊 “標(biāo)定操作"，完成第10步標(biāo)定。

完成光柵投射器和相機(jī)的標(biāo)定后，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理與計(jì)算，并在標(biāo)定信顯示區(qū)給定標(biāo)定結(jié)果，自此，即完成了全部的標(biāo)定工作

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