基于MBD三维可视化测量的研究

罗海锋+钟智

摘要：随着数字化设计与制造技术飞速发展，三维数模逐渐取代二维图纸，作为产品研制生产的唯一依据，基于MBD技术ATOS光学三维数字化系统的应用实现了三维可视化测量，使人们以直观明白的方式获取相关信息，为三维设计向三维制造一体化转变奠定基础。本文以ATOS系统为例，阐述基于MBD三维可视化测量的实现过程。

关键词：MBD；可视化；光学三维数字化系统

1.基于MBD三维可视化测量的原理

1.1 点云数据的采集

ATOS三维扫描仪有两个CCD摄像机和一个中央投影单元的光学三维掃描仪，扫描仪在测量时可随意绕着被测物体移动，高速摄取实物表面数据。对大型物体需分块扫描，是若干不同位置扫描的曲面能按特征点自动拼接，形成一个完整的三维数字模型。

1.2 三维图像的重建

设物体放置在水平面上，如图2所示。设物体所在的三维空间坐标系的X-O-Y平面在放置物体的水平面上；X轴与投影光栅的移动方向平行且相同；Y轴与光栅的投影方向平行且同向；Z轴垂直向上，与X，Y轴构成右手坐标系。于是，物体表面上的任何一点在三维空间坐标系里的位置为P（X，Y，Z）。

图2 二维三维对应示意图

二维平面i-j与空间坐标系的X-O-Y平面垂直，i轴与X轴的夹角为α，j轴与Z轴平行同向，于是，物体表面上的任何一点P（X，Y，Z）在二维坐标系里的位置为P（i，j），在二维坐标系i-j中，三维空间坐标系X轴的投影（ix，jx）分别为：

ix=Xcosα+i0 （1）

jx=Xsinα+j0 （2）

三维空间坐标系Y轴的投影（iy，jy）分别为：

iy=-Ycosβ+i0 （3）

jy=Ysinβ+j0 （4）

三维空间坐标系Z轴的投影（iz，jz）分别为：

iz=i0 （5）

jz=Z+j0 （6）

三维空间坐标系中任意一点P（X，Y，Z）的投影P（ip，jp）为：

ip=Xcosα-Ycosβ+i0 （7）

jp=Xsinα+Ysinβ+j0+Z （8）

在二维图像坐标系中，每一条轮廓线上的任意一点P（ip，jp）在三维空间坐标系中都对应一点P（X，Y，Z），因此由摄像机拍摄到的二维投影图像中含有n条切面轮廓线，根据以上投影几何学原理，就可以重建出物体的三维空间模型。

2 测量效率

2.1 效率

本次ATOS三维测量试验中，选用测量尺寸数量为91个，导入数模并构建91个测量数据一共花费4h；试验使用的产品一共有538个尺寸，完成整个产品扫描一共花费1h；工作站对扫描数据自动计算所花时间为25min，通过分析估算可以得出ATOS系统测量效率，见表1。

表1 ATOS系统测量效率

常规手段测量所花时间统计，结合产品尺寸精度要求以及实际生产情况，产品538个尺寸中，除形位公差、中心距离等尺寸需要CMM测量外，其余尺寸则归为检验员手动测量，见表2。

表2 常规手段测量效率

可以看出，ATOS三维光学数字化系统测量与常规手段测量相比，效率提升了：

（11.14-3.024）÷11.14×100%=73%

3结论

与常规测量手段相比，三维光学数字化系统可以快速获取大量测量实体三维信息，不但很大程度的减少劳动强度，提高生产效率，而且基于MBD技术，三维测量完全能够在语义信息丰富、直观的三维可视化环境下进行，三维光学测量技术广泛应用于工业产品的设计、生产加工以及检测领域，大大降低生产及研发成本，缩短产品研制周期。

参考文献：

[1]韩爽，范玉青.基于模型的数字化定义技术.航空制造技术，2008，（3）.

[2]肖珺，谢曦鹏.数字化三维工艺设计[J].数字技术与应用，2010，（12）：9.