快速成型及非接触式数据采集技术应用

池金环

（天津机电职业技术学院机械系，天津 300131）

快速成型及非接触式数据采集技术应用

池金环

（天津机电职业技术学院机械系，天津 300131）

快速成型是由计算机对产品零件进行三维模型设计，综合了计算机辅助设计、计算机辅助制造、激光技术、新材料技术等，省去传统加工所需要的刀具、夹具等，缩短了生产周期。通过逆向工程中的非接触式测量方法为例，介绍了产品测量应用及测量后处理，实践证明该方法是可行的。

快速成型技术；逆向工程；点云处理；非接触式测量

0 引言

逆向工程，也称反向工程，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国的高度重视[1]。针对现有的模型或样品，利用数字化测量仪器，准确快速的测得轮廓坐标，并进行曲面重构，在此基础上进行再设计，实现产品创新。然后通过计算机辅助制造，产生刀具加工代码，或者通过快速成型机将产品打印出来。其中获得轮廓数据点云是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式两类。下面通过实例说明这种方法。

1 数据采集方法

接触式测量效率低，三坐标测量机是广泛采用的接触式测量设备，精度较高，主要应用于零件的几何尺寸检测[2]。非接触式测量效率高，在逆向工程研究应用广泛，获得点云数据后再对其进行处理。根据测量原理不同，有以下几种方法：光学测量、超声波测量及电磁测量等，这里主要介绍光学非接触测量。

2 非接触式测量应用

2.1 测量准备

在对产品进行三维数据采集之前比较重要的一项准备工作就是标志点的粘贴。标志点的粘贴需要注意几点：

①保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均布分布合理；

②标志点应使左右相机在尽可能多的角度可以同时看到，并且标志点要尽量贴在产品的平面区域或曲率较小的曲面；

③距离产品边界不能过近；

④尽量使标志点不出现在一条线上。产品标志点粘贴实例见图1。

图1 标志点粘贴

2.2 三维测量

三维测量是逆向工程的第一个重要阶段，也是后续工作的基础。目前样品三维数据的获得主要通过三维测量技术来实现，包括三坐标测量机、激光三维扫描、结构光测量等装置来获取样件的三维表面坐标值。本例选择光学双目三维扫描仪进行数据采集。过程如下。

首先启动扫描系统，启动计算机及硬件系统。然后开启系统软件，调整扫描距离进行标定。调整标定板，得到标定精度符合要求即完成了全部标定过程准备测量产品。

在系统软件上完成新建工程，将被扫描模型产品放在转盘上时，将粘有标志点的位置尽量放在视图中央，通过云台调整硬件系统的高度及俯仰角，使此十字与相机显示区的十字尽量重合，并且保证十字尽量在被扫描产品上，测量过程见图2。系统会自动对采集到的图像进行处理与计算，得到扫描系统所需的各项参数，并在标定信息显示区给出标定误差结果。

图2 测量距离

重复进行下次扫描直至系统拼接全部扫描完成完整产品，完成全部扫描后整理点云然后保存点云数据，见图3。

3 快速成型后处理

在获取了处理好的测量数据后，根据数据各面片的特征分别进行曲面拟合，然后面片间求交、拼接和匹配，使之成为连续光顺的曲面，从而获得样件模型的过程。下一步是进行三维模型重构创新以得到性能优良的新产品。三维模型重构是逆向工程设计的关键步骤，而模型重构的关键是将逆向工程软件与产品设计相结合的步骤[3]。通过扫描仪得到的测量数据在模型重构之前必须进行格式转换、平滑、对齐、合并等一系列数据处理。得到的复杂点云数据还要进行数据精简过滤等方法获取样件模型所具有的设计和加工特征。

4 结束语

非接触式测量具有高效率、无破坏性、工作距离大等优点，可以对物体进行静态或动态的测量而不需要与待测物体接触，非接触式测量技术应用在逆向工程中可以大大节约成本，缩短产品的研发周期[4]。尤其是现代光学、电子和计算机技术的飞速发展，为逆向工程非接触式提供了必要的理论基础和技术条件。未来非接触式测量定会应用于更多领域提供给生产生活更多的便利。

［1］陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］何亚银.基于逆向工程的连杆快速成型设计［J］.小型内燃机与摩托车，2011（4）：69-71.

［3］张勇，王超.基于快速成型技术的水泵铜叶轮的快速铸造［J］.铸造，2011（5）：493-495.

［4］张海强，刘玉鹏.激光固化快速成型树脂加热器的研究［J］.机电工程技术，2012（6）：36-37.

［5］张汪年，邓宁，鞠银燕.快速成型技术及其在模具制造中的应用［J］.九江学院学报，2010（1）：9-11.

Application of Rapid Prototyping and Non-Contact Data Acquisition Technology

CHI Jin-huan
（Tianjin Vocational College of Mechanical and Electronics&Mechanical Technology，Tianjin300131，China）

The three-dimensional computer model of product is designed by rapid prototyping， integrated CAD， CAM， laser technology，new material technology，eliminating the need for traditional processing tools，fixture and shorten the production cycle. Through the non-contact measurement method of reverse engineering，the application of measurement of product and after treatment，the practice proves that the method is feasible.

rapid prototyping technology；reverse engineering；point cloud processing；non-contact measurement

TP391.7

A

1009－9492(2014)09－0091－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.024

池金环，女，1982年生，辽宁朝阳人，硕士，讲师。研究领域：模具设计与制造。 (编辑：向 飞)

2014－03－11