基于三維數(shù)字化測量技術的逆向工程應用研究

張 寧，吳嘉輝

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

基于三維數(shù)字化測量技術的逆向工程應用研究

張 寧，吳嘉輝

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

TRITOP和ATOS的結(jié)合應用是逆向工程中點云采集較為先進的方案。進行了光柵式光學掃描系統(tǒng)測量原理的研究，以異形部件為例，詳細介紹了逆向的過程。通過ATOS掃描系統(tǒng)對該件進行掃描并對獲得的點云數(shù)據(jù)進行預處理，同時采用CATIA軟件對掃描點云進行曲面擬合及模型重構，實現(xiàn)了逆向的目的，偏差分析結(jié)果說明該方案可行，滿足誤差要求。

機械制造自動化;逆向工程;光學掃描;曲面擬合;偏差分析

0 引言

逆向工程(又稱逆向技術)，是一種產(chǎn)品設計的再現(xiàn)過程，可通過現(xiàn)有零件或產(chǎn)品的測量得到其外形尺寸，經(jīng)過修改完善達到設計要求后再投入生產(chǎn)，大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)周期，有利于搶占市場，獲得更大的經(jīng)濟效益［1］。逆向工程在多個領域都產(chǎn)生了積極的影響，除了對新產(chǎn)品進行快速設計以外，還可以對已有產(chǎn)品進行測量，對損壞產(chǎn)品進行還原，還能進行產(chǎn)品檢測得到實物與設計尺寸間誤差數(shù)據(jù)。

三維數(shù)字化測量技術是指通過特定的形貌測量并將被測物體的表面三維輪廓以離散的空間點的形式表現(xiàn)出來的相關測量技術。通過已知點的坐標，得出物體形貌的空間幾何位置。圍繞三維數(shù)字化測量技術進行逆向工程的深入研究，使用德國GOM公司生產(chǎn)的先進流動式光學掃描儀ATOS系統(tǒng)對實物進行掃描測量，對得到的點云數(shù)據(jù)進行相關處理，使用CATIA軟件進行模型重建，對得到的模型進行偏差分析，從而實現(xiàn)逆向的目的。

1 逆向設計流程

逆向工程一般包括三個基本環(huán)節(jié):物理模型數(shù)據(jù)的獲取、CAD模型的建立和CAM制件成形［2］。即通過3D掃描儀技術進行尺寸測量，獲取被測物體面型輪廓的空間三維點云，再通過CAD軟件重構3D數(shù)字模型，在此基礎上可以方便地進行模型再設計、快速原型制造與快速模具制造等后續(xù)工作，達到設計要求即可加工制造，從而大大節(jié)省研發(fā)時間，縮短設計周期［3］。

逆向設計工作流程圖如圖1所示，其中，物理模型數(shù)據(jù)的獲取和CAD模型的建立顯得尤為關鍵。本文采用TRITOP與ATOS結(jié)合的方法獲得被測物的點云數(shù)據(jù)，使用CATIA重構CAD模型。掃描測量前先對被測物做前期準備，然后進行光學掃描獲取點云數(shù)據(jù)，之后需要對點云進行預處理，主要包括點云數(shù)據(jù)的精簡、數(shù)字多邊形網(wǎng)格化、網(wǎng)格編輯等操作。預處理后對點云進行分割，根據(jù)分割情況擬合為曲線或曲面，符合偏差要求并建立完整的CAD模型，最后CAM制件成形。

本文通過對農(nóng)用挖土機的挖土鐵槳進行逆向設計，重點研究物理模型數(shù)據(jù)的獲取和CAD模型的建立。該鐵槳是厚度均勻的不規(guī)則曲面，并帶有若干直徑不一的定位孔構成，如圖2所示。這些曲面形狀與定位孔位置和大小直接影響農(nóng)機挖土的正常工作，因此，該鐵槳的逆向設計難點在于復雜曲面和定位孔的準確還原。

圖1 逆向設計工作流程圖

圖2 挖土鐵槳實物圖

2 物理模型數(shù)據(jù)的獲取

物理模型數(shù)據(jù)的獲取主要是通過三維數(shù)字化測量技術進行尺寸測量，按照測量探頭或傳感器是否與被測物體接觸分為接觸式和非接觸式兩類［4］。其中三坐標測量機是最常見的接觸式掃描儀，隨著技術的發(fā)展，非接觸式掃描儀憑著其優(yōu)勢逐漸成為主要測量方式。ATOS流動式光學掃描儀就是其中一種，它是德國GOM公司研究開發(fā)的目前技術最領先的三維掃描測量系統(tǒng)，能夠以高精度迅速采集大量實物表面數(shù)據(jù)點坐標［5］。

2.1 ATOS系統(tǒng)的基本原理

ATOS流動式光學掃描儀是基于光三角、條紋投影和相位移動等原理對被測物體進行非接觸測量［6］。它的測量頭主要是由兩個CCD相機和一個光源(鹵素燈)組成，測量頭安裝在一個多自由度的三角架上，根據(jù)測量需要可隨意轉(zhuǎn)動測量頭以便測量。

光三角測量原理如圖3所示，光源發(fā)出的光照射到被測件表面，形成漫反射。漫反射回來的光線由兩臺CCD相機同時接收。因被測件表面起伏變化的不同，CCD接收到的成像點所呈現(xiàn)的位置也有所不同。根據(jù)成像點位置的移動距離和測量系統(tǒng)自身的結(jié)構參數(shù)，按照三角形原理，就能夠計算得出被測件表面的空間位置。

圖中M為基準參考平面，M'為目標點所在平面，h即為目標點所在平面與參考面之間的距離。i為入射光，L為聚焦透鏡，N為像面，即CCD所在位置，u和v分別為透鏡L的物距和像距。入射光i照射到被測件表面形成光點A，與透鏡L光軸的交點為O，A'、O'分別為A、O呈到CCD上的像點，α為入射光線與光軸的夾角。根據(jù)透鏡成像原理，A與h的關系式可表示為:

式中，透鏡物距u、像距v、入射角α均為系統(tǒng)參數(shù)，是固定值，因此可由h'計算得到h的值。

圖3 光三角測量原理

三維數(shù)字測量的工作流程如圖4所示，ATOS流動式光學掃描儀，首先由光源(鹵素燈)透過編碼光柵向被測物表面投影一系列光柵圖像，測量頭的兩個CCD相機同時攝取這些圖像，然后通過圖象處理的方法計算被測物表面點的空間位置。

圖4 三維數(shù)字測量流程圖

測量大型物體時，需要分塊掃描，為了減少掃描圖像的拼接誤差，采用TRITOP光學坐標測量系統(tǒng)。以高階數(shù)位相機多角度拍攝并導入TRITOP軟件，因為每一張照片的拍攝角度不同，根據(jù)三角測距的方式，TRITOP軟件自動將這些照片結(jié)合起來，經(jīng)過計算得到每一個標簽點圓心的3D坐標，把這些標簽點的坐標導入ATOS，再進行光學掃描處理，ATOS會根據(jù)TRITOP得到標簽點坐標拼接掃描點云，從而形成一個完整的三維數(shù)字點云模型。因此，結(jié)合TRITOP光學坐標測量系統(tǒng)和ATOS流動式光學掃描儀，可以大大減少累積誤差。

2.2 前期準備

根據(jù)上述原理，為了讓TRITOP和ATOS能夠掃描被測物體并進行拼接，并確保其精度，掃描前需要做以下準備工作。

2.2.1 表面處理

ATOS流動式光學掃描儀是通過CCD攝取光柵圖像的，如果被測物表面顏色過深或者反光，CCD攝取的圖像不能反映光柵莫爾條紋，影響測量結(jié)果甚至不能有效測量。此時，需要用白色顯像劑噴涂被測物表面，以保證CCD能攝取有效的信息。另外，利用此特點，掃描時，工件的背景顏色最好用黑色，這樣背景可以不被掃描到CAD點云數(shù)據(jù)中［7］。

2.2.2 設置標簽點

ATOS是根據(jù)標簽點的坐標對多次掃描的點云拼接，所以標簽點的設置對測量精度的影響至關重要。標簽點是黑色背景中心白色的圓點，GOM提供了不同直徑的標簽點，根據(jù)被測物的大小選擇，標簽點后面有背膠，方便粘貼于物件表面。

本測量目標是黑色的金屬表面，對光的吸收較強，因此，需要在工件表面噴涂白色顯像劑。選擇標簽點的直徑為0.5mm，在ATOS軟件上設置對應參數(shù)。

ATOS要實現(xiàn)點云的拼接，每次掃描測量時需要使兩個CCD同時識別到三個或以上已經(jīng)標識的標簽點，才能確定被測物的空間坐標，進而進行新掃描點云的拼接。識別到已標識的標簽點越多，ATOS拼接的精度自然越高。因此，對標簽點的設置有一定的要求:標簽點應該放置在平面上或者只是稍稍拱面的表面;不要將標簽點放置在靠近邊緣的地方，如果靠邊太近，系統(tǒng)不能自動填補掃描的曲面里的縫隙;標簽點在測量范圍內(nèi)應該長寬高分配合理;從所有掃描位置看，標簽點應該在測量頭里清晰可見;測量范圍內(nèi)放置標簽點應保證在當前測量范圍內(nèi)至少能看見三個重復出現(xiàn)在前一次測量里的標簽點。

2.3 照相測量

在顯像劑噴涂和標簽點設置完成后，在被測物附近放置若干編碼的標簽點和標準比例尺，再利用高階數(shù)位相機進行多角度拍攝，其中拍攝角度最好形成一個降落傘型。將這些拍攝到的圖片讀入到TRITOP軟件中，根據(jù)要求刪除錯誤點、半徑過小的點、偏差過大的點等，就可得到每一個標簽點圓心的3D坐標，如圖5所示。

圖5 TRITOP標簽點坐標識別

2.4 光學掃描

在使用ATOS進行光學掃描前，先對ATOS進行系統(tǒng)標定。然后將TRITOP生成的標簽坐標點導入到ATOS軟件中。通過旋轉(zhuǎn)被測物體和測量頭，多角度掃描被測物，ATOS軟件自動根據(jù)已標識標簽點將各次掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標系中，以得到完整被測物點云［8］。掃描完畢后剪除多余的背景數(shù)據(jù)得到掃描結(jié)果，如圖6所示。

圖6 ATOS光學掃描結(jié)果

2.5 多邊形化及導出

被測物掃描出來需要對其進行多邊形化，因為散亂的點云數(shù)據(jù)缺乏明顯的拓撲關系，所以要在CAD建模之前建立各點拓撲關系即點云多邊形化。多邊形化后對測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡進行編輯，如交互補孔，光順網(wǎng)格，稀化網(wǎng)格，創(chuàng)建網(wǎng)格橋，修復網(wǎng)格，精細網(wǎng)格。最后把數(shù)據(jù)輸出保存為ascii，stl等格式。多邊形化后的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 多邊形化后的數(shù)據(jù)

3 CAD模型的建立

CAD模型的建立是逆向工程在產(chǎn)品生產(chǎn)成型前的最關鍵一步［9］。在工業(yè)制造領域，CATIA軟件是航空航天工業(yè)上市場占有率最高的CAD/CAM軟件，現(xiàn)在也廣泛應用于汽車制造業(yè)、造船業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)等的產(chǎn)品設計制造過程中［10］。針對本文的造型設計，則主要是應用了其中的數(shù)字曲面編輯器(Digitized Shape Editor)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)和零件設計三個模塊的功能。數(shù)字曲面編輯器模塊DSE主要完成點云的導入、輸出、過濾、生成網(wǎng)格曲面、生成掃描線等工作，快速曲面創(chuàng)建模塊QSR的功能則包括進一步生成掃描線、生成曲線、曲面填充、光順處理、分析工具等處理［11］。最后在零件設計模塊中建立實體，完成設計。CAD模型的建立流程圖如圖8所示。

圖8 CAD模型的建立流程圖

在數(shù)字曲面編輯器模塊中，將格式為asc的點云數(shù)據(jù)導入到CATIA，如圖9所示。若存在平面外的誤差點，使用“刪除點云”命令將其刪除。因ATOS掃描系統(tǒng)的測量精度較高，且其自帶ATOS v7軟件中已經(jīng)對點云進行處理，故最終輸出的點云質(zhì)量極高，在CATIA軟件下幾乎無需進行過多點云刪除處理。

圖9 點云數(shù)據(jù)的導入

由于數(shù)據(jù)點很多，占用內(nèi)存大，使用Filter(過濾器)命令過濾點云數(shù)據(jù)，只保留體現(xiàn)被測物形貌的點。繼續(xù)選擇Mesh Creation(網(wǎng)格創(chuàng)建)命令，對點云進行網(wǎng)格化，從網(wǎng)格化的點云可以看出被測物的細節(jié)特征。

曲面擬合重構是逆向工程的核心環(huán)節(jié)。常見的樣條曲面有貝塞爾曲面、B樣條曲面和非均勻有理B樣條(NURBS)曲面［12］。CATIA V5支持貝塞爾曲面和NURBS曲面兩種曲面構造模式。

對于本文的鈑金件，上下表面面積較大，形狀不規(guī)則，采用快速曲面重建模塊中的PowerFit命令，其中PowerFit命令按NURBS曲面擬合構造擬合曲面。采用NURBS建模方法有著突出優(yōu)點:它可以精確地表示二次規(guī)則曲線曲面，從而能用統(tǒng)一的數(shù)學形式表示規(guī)則曲面與自由曲面。

以下表面為例，切換至曲面快速重建(Quick Surface Reconstruction)模塊，使用Active(激活)命令，只激活下表面點云，Segmentation by Curvature(通過曲率分割)命令掃描下表面邊緣，用3D曲線描繪掃描邊緣，再把3D曲線投影到網(wǎng)格上。使用Power fit(強力擬合)命令進行曲面擬合，其中要對Tolerance(公差)值、Order(階數(shù))、Segments(段數(shù))3個參數(shù)進行多次嘗試設置，得出最優(yōu)結(jié)果。

使用Deviation Analysis(偏差分析)工具對生成曲面評價是否滿足誤差需求。如果不滿足，需要重復前面步驟對曲面進行調(diào)整。曲面重構與量化評價結(jié)果如圖10所示，被測件下表面偏差范圍在-0.407mm～0.417mm，符合要求。

圖10 曲面重構與量化評價結(jié)果

其他表面按類似步驟進行擬合。最后把各個曲面進行連接和生成實體，最終形成的逆向模型如圖11所示。

圖11 逆向模型

4 結(jié)語

采用TRITOP和ATOS結(jié)合進行點云采集，結(jié)合CATIA軟件進行曲面擬合及模型重構可以實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向設計。特別在大型自由曲面物件的檢測上具有極大的優(yōu)勢，TRITOP和ATOS結(jié)合使得測量不再受限于被測物的大小，所以此方案占有很大的優(yōu)勢。所完成的逆向模型滿足設計指標，為制造行業(yè)加快設計生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期提供了先決條件，在航空航天、汽車等行業(yè)的逆向應用中具有廣闊的應用空間。

［1］周士侃，婁臻亮，舒世湘.基于Atos＆Tritop的點云采集方法［J］.模具技術，2004(2):51-54.

［2］謝雪冬，肖勝兵，牛曙光，等.ATOS掃描儀對汽車的掃描測量［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(8):94-97.

［3］徐紅兵，任乃飛.基于Atos的光學掃描測量［J］.工具技術，2006，40(11):74-77.

［4］吳琦峰.基于ATOS測量系統(tǒng)的常規(guī)工程零件CAD模型重構方法研究［D］:重慶:重慶大學，2003.

［5］林成輝，鞠魯粵，應成勇.基于逆向工程的點云采集與曲面重構［J］.現(xiàn)代機械，2009(1):18-20.

［6］徐紅兵，任乃飛.ATOS流動式光學掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標定［J］.工具技術，2006，40(9).

［7］徐紅兵，任乃飛.基于Atos的光學掃描測量［J］.工具技術，2006，40(11):74-77.

［8］趙宇明，張國忠，于哲峰.曲線曲面擬合在逆向造型設計中的應用［J］.機械與電子，2005(6):11-13.

［9］王銀冰，黃皖蘇，屈新懷，等.基于CATIA的逆向工程中的曲面重建［J］.計算機應用，2005(6):65-66.

［10］趙宇明，張國忠，于哲峰.逆向造型設計在汽車車門設計中的應用技術研究［J］.工業(yè)設計，2005，32(6):47-49.

［11］卿宏軍.現(xiàn)代開發(fā)技術的集成及其在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2009，28(3):1-4.

［13］趙宇明，張國忠，于哲峰.汽車逆向設計中用NURBS曲面擬合點云數(shù)據(jù)［J］.東北大學學報:自然科學版，2005，26(7):680-682.

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

張寧(1979-)，女，山東巨野人，講師，博士，主要從事光電檢測技術與質(zhì)量控制方面研究。

責任編輯:

吳旭云