基于三维扫描和逆向工程产品的制造工艺分析

陈福德

(1.山东华宇工学院，山东 德州 253034；2.智能制造装备设计工程技术研发中心，山东 德州 253034)

三维数据扫描是通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，可进行复杂曲面的重构、评价、改进和制造。逆向工程是根据已有的实物(或模型)通过数据采集、数据处理与数模重构、模型制造等手段，将其转化成三维数字模型，最终得到产品设计图纸，是一个从有到无的过程。目前已应用于产品的复制、仿制、改进及创新设计，是消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要手段，广泛应用于机械、医疗、汽车、艺术、航空航天等领域。基于三维扫描与逆向工程技术，探讨了产品数据扫描、点云处理及逆向设计工艺流程，如图1所示。

图1 工作流程Fig.1 Workflow

1 数据扫描

1.1 扫描仪标定

以HSCAN系列手持式激光三维激光扫描仪为例，介绍其标定使用方法。一般情况下，一次标定完成后可长期使用。当设备长期不用或者经过长途运输发生过振动时，需要进行标定。标定的步骤如下：打开扫描仪及配套扫描软件，单击快速标定后进入标定界面，将标定板放置在稳定的平面上，使扫描仪正对标定板，距离为300 mm左右，按下扫描键，发出激光束。控制扫描仪角度，调整扫描仪和标定板的距离，使左侧阴影圆重合，然后水平移动扫描仪，使右侧的梯形阴影重合，完成一个点的标定，如图2所示。重复上述操作，需要对5个点(圆心和4个象限点)进行标定，从而完成设备的标定工作。

图2 标定界面Fig.2 Calibration interface

1.2 贴标记点

零件的表面质量对扫描的效果影响较大。为了达到更好的扫描效果，需保证零件表面干净、无污渍，任何发亮的、黑色的、透明的或反光的表面，都应喷涂显像剂。将标记点均匀且无规律的粘贴于零件表面，若表面曲率变化较小，距离可以选择大一些，反之，则调小距离，标记点间的距离以20～100 mm为宜，如图3所示。

图3 贴标记点Fig.3 Stick mark point

1.3 扫描

扫描前，先设置解析度和曝光参数等扫描参数。解析度越小，扫描细节越丰富，数据量越大。若扫描物体反光，颜色较深，可适度调高曝光参数。扫描有扫描标记点和激光点两个选项。扫描时，可先扫描标记点再扫描激光点，此方法扫描精度更高，且扫描过程中过渡较为方便。将扫描仪正对模型，距离为300 mm左右，标记点扫描完成后保存成*.UMK文件格式，在扫描标记点数据基础上扫描激光点，扫描完成后将其保存为*.STL网格文件。

2 数据处理

扫描过程中受设备、环境等因素的影响，使得点云数据包含杂点、噪声点，降低了被测物体表面的精度和光顺度，因此数据的处理是个不可或缺的重要环节。点云数据处理主要有数据简化、点云降噪、数据填充和数据拼合几个步骤。由于测量过程中经常需要一定的支撑或夹具，扫描时会将其一并扫描进去，形成体外杂点，需要将其删除。重复扫描会使得扫描的点云数据冗余，可通过消减、采样等方式对数据简化。通过设置过滤噪声点的阈值，限制点云数据中点的数量，减少噪声点。扫描复杂物体时，会存在部分表面无法测量，造成采集的数据存在缺损的现象，此时需要对点云数据进行数据填充。要想获得样件表面所有的点云数据，通常需要多方位扫描，再对点云数据拼合，对点云数据进行面片重构和优化，从而获得精度较高的完整点云数据。

3 模型重构

获取处理好的点云数据后，根据样件结构特征进行三维模型重构。按照精度要求和形面复杂程度不同，有两种重构方法：一是基于三角面片直接建模，二是采用参数曲面建模或拟合NURBS建模。对于精度要求较低的、形面复杂样产品的逆向开发，常采用第一种方式。对于精度要求较高、形面复杂样件的逆向设计，采用第二种方法。以点云数据为基础，由点到线、由线至面、由面成体，构建其三维模型。对点云数据领域划分，得到不同颜色、形状的几何特征，规则的几何特征通过自动识别其领域、绘制特征线、提取截面线等方式，运用正向建模方法创建模型。不规则的几何特征，通过提取特征轮廓曲线、构建曲面网格、拟合曲面的方法创建模型。

4 结语

数据扫描是逆向工程的基础，采集数据的精度直接影响最终模型的质量。扫描前需要对扫描仪进行标定，在物体表面喷涂显像剂，粘贴标记点，将样件正对扫描设备，并距离控制在300 mm左右。扫描时，先扫描标记点再扫描激光点，此方法扫描精度更高，扫描过程中过渡较为方便。对点云数据进行数据简化、点云降噪、数据填充、数据拼合等处理，获得精度较高的完整点云数据，对点云数据采用三角面片直接建模和参数曲面建模或拟合NURBS建模。对产品进行3D打印成型及检测反馈，从而快速完成产品设计制造过程。