基于三维数字化测量技术的逆向工程应用研究

张 宁，吴嘉辉

(长春理工大学 光电工程学院，长春 130022)

基于三维数字化测量技术的逆向工程应用研究

张 宁，吴嘉辉

(长春理工大学 光电工程学院，长春 130022)

TRITOP和ATOS的结合应用是逆向工程中点云采集较为先进的方案。进行了光栅式光学扫描系统测量原理的研究，以异形部件为例，详细介绍了逆向的过程。通过ATOS扫描系统对该件进行扫描并对获得的点云数据进行预处理，同时采用CATIA软件对扫描点云进行曲面拟合及模型重构，实现了逆向的目的，偏差分析结果说明该方案可行，满足误差要求。

机械制造自动化;逆向工程;光学扫描;曲面拟合;偏差分析

0 引言

逆向工程(又称逆向技术)，是一种产品设计的再现过程，可通过现有零件或产品的测量得到其外形尺寸，经过修改完善达到设计要求后再投入生产，大大缩短了新产品的研发生产周期，有利于抢占市场，获得更大的经济效益［1］。逆向工程在多个领域都产生了积极的影响，除了对新产品进行快速设计以外，还可以对已有产品进行测量，对损坏产品进行还原，还能进行产品检测得到实物与设计尺寸间误差数据。

三维数字化测量技术是指通过特定的形貌测量并将被测物体的表面三维轮廓以离散的空间点的形式表现出来的相关测量技术。通过已知点的坐标，得出物体形貌的空间几何位置。围绕三维数字化测量技术进行逆向工程的深入研究，使用德国GOM公司生产的先进流动式光学扫描仪ATOS系统对实物进行扫描测量，对得到的点云数据进行相关处理，使用CATIA软件进行模型重建，对得到的模型进行偏差分析，从而实现逆向的目的。

1 逆向设计流程

逆向工程一般包括三个基本环节:物理模型数据的获取、CAD模型的建立和CAM制件成形［2］。即通过3D扫描仪技术进行尺寸测量，获取被测物体面型轮廓的空间三维点云，再通过CAD软件重构3D数字模型，在此基础上可以方便地进行模型再设计、快速原型制造与快速模具制造等后续工作，达到设计要求即可加工制造，从而大大节省研发时间，缩短设计周期［3］。

逆向设计工作流程图如图1所示，其中，物理模型数据的获取和CAD模型的建立显得尤为关键。本文采用TRITOP与ATOS结合的方法获得被测物的点云数据，使用CATIA重构CAD模型。扫描测量前先对被测物做前期准备，然后进行光学扫描获取点云数据，之后需要对点云进行预处理，主要包括点云数据的精简、数字多边形网格化、网格编辑等操作。预处理后对点云进行分割，根据分割情况拟合为曲线或曲面，符合偏差要求并建立完整的CAD模型，最后CAM制件成形。

本文通过对农用挖土机的挖土铁桨进行逆向设计，重点研究物理模型数据的获取和CAD模型的建立。该铁桨是厚度均匀的不规则曲面，并带有若干直径不一的定位孔构成，如图2所示。这些曲面形状与定位孔位置和大小直接影响农机挖土的正常工作，因此，该铁桨的逆向设计难点在于复杂曲面和定位孔的准确还原。

图1 逆向设计工作流程图

图2 挖土铁桨实物图

2 物理模型数据的获取

物理模型数据的获取主要是通过三维数字化测量技术进行尺寸测量，按照测量探头或传感器是否与被测物体接触分为接触式和非接触式两类［4］。其中三坐标测量机是最常见的接触式扫描仪，随着技术的发展，非接触式扫描仪凭着其优势逐渐成为主要测量方式。ATOS流动式光学扫描仪就是其中一种，它是德国GOM公司研究开发的目前技术最领先的三维扫描测量系统，能够以高精度迅速采集大量实物表面数据点坐标［5］。

2.1 ATOS系统的基本原理

ATOS流动式光学扫描仪是基于光三角、条纹投影和相位移动等原理对被测物体进行非接触测量［6］。它的测量头主要是由两个CCD相机和一个光源(卤素灯)组成，测量头安装在一个多自由度的三角架上，根据测量需要可随意转动测量头以便测量。

光三角测量原理如图3所示，光源发出的光照射到被测件表面，形成漫反射。漫反射回来的光线由两台CCD相机同时接收。因被测件表面起伏变化的不同，CCD接收到的成像点所呈现的位置也有所不同。根据成像点位置的移动距离和测量系统自身的结构参数，按照三角形原理，就能够计算得出被测件表面的空间位置。

图中M为基准参考平面，M'为目标点所在平面，h即为目标点所在平面与参考面之间的距离。i为入射光，L为聚焦透镜，N为像面，即CCD所在位置，u和v分别为透镜L的物距和像距。入射光i照射到被测件表面形成光点A，与透镜L光轴的交点为O，A'、O'分别为A、O呈到CCD上的像点，α为入射光线与光轴的夹角。根据透镜成像原理，A与h的关系式可表示为:

式中，透镜物距u、像距v、入射角α均为系统参数，是固定值，因此可由h'计算得到h的值。

图3 光三角测量原理

三维数字测量的工作流程如图4所示，ATOS流动式光学扫描仪，首先由光源(卤素灯)透过编码光栅向被测物表面投影一系列光栅图像，测量头的两个CCD相机同时摄取这些图像，然后通过图象处理的方法计算被测物表面点的空间位置。

图4 三维数字测量流程图

测量大型物体时，需要分块扫描，为了减少扫描图像的拼接误差，采用TRITOP光学坐标测量系统。以高阶数位相机多角度拍摄并导入TRITOP软件，因为每一张照片的拍摄角度不同，根据三角测距的方式，TRITOP软件自动将这些照片结合起来，经过计算得到每一个标签点圆心的3D坐标，把这些标签点的坐标导入ATOS，再进行光学扫描处理，ATOS会根据TRITOP得到标签点坐标拼接扫描点云，从而形成一个完整的三维数字点云模型。因此，结合TRITOP光学坐标测量系统和ATOS流动式光学扫描仪，可以大大减少累积误差。

2.2 前期准备

根据上述原理，为了让TRITOP和ATOS能够扫描被测物体并进行拼接，并确保其精度，扫描前需要做以下准备工作。

2.2.1 表面处理

ATOS流动式光学扫描仪是通过CCD摄取光栅图像的，如果被测物表面颜色过深或者反光，CCD摄取的图像不能反映光栅莫尔条纹，影响测量结果甚至不能有效测量。此时，需要用白色显像剂喷涂被测物表面，以保证CCD能摄取有效的信息。另外，利用此特点，扫描时，工件的背景颜色最好用黑色，这样背景可以不被扫描到CAD点云数据中［7］。

2.2.2 设置标签点

ATOS是根据标签点的坐标对多次扫描的点云拼接，所以标签点的设置对测量精度的影响至关重要。标签点是黑色背景中心白色的圆点，GOM提供了不同直径的标签点，根据被测物的大小选择，标签点后面有背胶，方便粘贴于物件表面。

本测量目标是黑色的金属表面，对光的吸收较强，因此，需要在工件表面喷涂白色显像剂。选择标签点的直径为0.5mm，在ATOS软件上设置对应参数。

ATOS要实现点云的拼接，每次扫描测量时需要使两个CCD同时识别到三个或以上已经标识的标签点，才能确定被测物的空间坐标，进而进行新扫描点云的拼接。识别到已标识的标签点越多，ATOS拼接的精度自然越高。因此，对标签点的设置有一定的要求:标签点应该放置在平面上或者只是稍稍拱面的表面;不要将标签点放置在靠近边缘的地方，如果靠边太近，系统不能自动填补扫描的曲面里的缝隙;标签点在测量范围内应该长宽高分配合理;从所有扫描位置看，标签点应该在测量头里清晰可见;测量范围内放置标签点应保证在当前测量范围内至少能看见三个重复出现在前一次测量里的标签点。

2.3 照相测量

在显像剂喷涂和标签点设置完成后，在被测物附近放置若干编码的标签点和标准比例尺，再利用高阶数位相机进行多角度拍摄，其中拍摄角度最好形成一个降落伞型。将这些拍摄到的图片读入到TRITOP软件中，根据要求删除错误点、半径过小的点、偏差过大的点等，就可得到每一个标签点圆心的3D坐标，如图5所示。

图5 TRITOP标签点坐标识别

2.4 光学扫描

在使用ATOS进行光学扫描前，先对ATOS进行系统标定。然后将TRITOP生成的标签坐标点导入到ATOS软件中。通过旋转被测物体和测量头，多角度扫描被测物，ATOS软件自动根据已标识标签点将各次扫描数据转换到同一个坐标系中，以得到完整被测物点云［8］。扫描完毕后剪除多余的背景数据得到扫描结果，如图6所示。

图6 ATOS光学扫描结果

2.5 多边形化及导出

被测物扫描出来需要对其进行多边形化，因为散乱的点云数据缺乏明显的拓扑关系，所以要在CAD建模之前建立各点拓扑关系即点云多边形化。多边形化后对测量数据的网络进行编辑，如交互补孔，光顺网格，稀化网格，创建网格桥，修复网格，精细网格。最后把数据输出保存为ascii，stl等格式。多边形化后的数据如图7所示。

图7 多边形化后的数据

3 CAD模型的建立

CAD模型的建立是逆向工程在产品生产成型前的最关键一步［9］。在工业制造领域，CATIA软件是航空航天工业上市场占有率最高的CAD/CAM软件，现在也广泛应用于汽车制造业、造船业、IT产业等的产品设计制造过程中［10］。针对本文的造型设计，则主要是应用了其中的数字曲面编辑器(Digitized Shape Editor)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)和零件设计三个模块的功能。数字曲面编辑器模块DSE主要完成点云的导入、输出、过滤、生成网格曲面、生成扫描线等工作，快速曲面创建模块QSR的功能则包括进一步生成扫描线、生成曲线、曲面填充、光顺处理、分析工具等处理［11］。最后在零件设计模块中建立实体，完成设计。CAD模型的建立流程图如图8所示。

图8 CAD模型的建立流程图

在数字曲面编辑器模块中，将格式为asc的点云数据导入到CATIA，如图9所示。若存在平面外的误差点，使用“删除点云”命令将其删除。因ATOS扫描系统的测量精度较高，且其自带ATOS v7软件中已经对点云进行处理，故最终输出的点云质量极高，在CATIA软件下几乎无需进行过多点云删除处理。

图9 点云数据的导入

由于数据点很多，占用内存大，使用Filter(过滤器)命令过滤点云数据，只保留体现被测物形貌的点。继续选择Mesh Creation(网格创建)命令，对点云进行网格化，从网格化的点云可以看出被测物的细节特征。

曲面拟合重构是逆向工程的核心环节。常见的样条曲面有贝塞尔曲面、B样条曲面和非均匀有理B样条(NURBS)曲面［12］。CATIA V5支持贝塞尔曲面和NURBS曲面两种曲面构造模式。

对于本文的钣金件，上下表面面积较大，形状不规则，采用快速曲面重建模块中的PowerFit命令，其中PowerFit命令按NURBS曲面拟合构造拟合曲面。采用NURBS建模方法有着突出优点:它可以精确地表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面。

以下表面为例，切换至曲面快速重建(Quick Surface Reconstruction)模块，使用Active(激活)命令，只激活下表面点云，Segmentation by Curvature(通过曲率分割)命令扫描下表面边缘，用3D曲线描绘扫描边缘，再把3D曲线投影到网格上。使用Power fit(强力拟合)命令进行曲面拟合，其中要对Tolerance(公差)值、Order(阶数)、Segments(段数)3个参数进行多次尝试设置，得出最优结果。

使用Deviation Analysis(偏差分析)工具对生成曲面评价是否满足误差需求。如果不满足，需要重复前面步骤对曲面进行调整。曲面重构与量化评价结果如图10所示，被测件下表面偏差范围在-0.407mm～0.417mm，符合要求。

图10 曲面重构与量化评价结果

其他表面按类似步骤进行拟合。最后把各个曲面进行连接和生成实体，最终形成的逆向模型如图11所示。

图11 逆向模型

4 结语

采用TRITOP和ATOS结合进行点云采集，结合CATIA软件进行曲面拟合及模型重构可以实现产品的逆向设计。特别在大型自由曲面物件的检测上具有极大的优势，TRITOP和ATOS结合使得测量不再受限于被测物的大小，所以此方案占有很大的优势。所完成的逆向模型满足设计指标，为制造行业加快设计生产，缩短产品生产周期提供了先决条件，在航空航天、汽车等行业的逆向应用中具有广阔的应用空间。

［1］周士侃，娄臻亮，舒世湘.基于Atos＆Tritop的点云采集方法［J］.模具技术，2004(2):51-54.

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［3］徐红兵，任乃飞.基于Atos的光学扫描测量［J］.工具技术，2006，40(11):74-77.

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［5］林成辉，鞠鲁粤，应成勇.基于逆向工程的点云采集与曲面重构［J］.现代机械，2009(1):18-20.

［6］徐红兵，任乃飞.ATOS流动式光学扫描仪的工作原理与系统标定［J］.工具技术，2006，40(9).

［7］徐红兵，任乃飞.基于Atos的光学扫描测量［J］.工具技术，2006，40(11):74-77.

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Research on the Application of Reverse Engineering Based on Three-dimensional Digital Measurement Technology

ZHANG Ning，WU Jia-hui
(School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The application of the combination of TRITOP and ATOS is a more advanced way of point collection in reverse engineering.This paper makes a research on the measure principle of grating optical scanning system and introduces the process of reverse in detail by taking the special-shaped part as an example.Via scanning this part by ATOS and processing the collected point cloud data，through surface fitting and model reconstruction on the scanning point cloud by CATIA software，it achieves the purpose of the reverse.The deviation analysis results show that the scheme is feasible，meeting the error requirement.

machinery manufacturing automation;reverse engineering;optical scanning;surface fitting;deviation analysis

TP311

A

1009-3907(2013)12-1555-06

2013-10-10

张宁(1979-)，女，山东巨野人，讲师，博士，主要从事光电检测技术与质量控制方面研究。

责任编辑:

吴旭云