快速成型及非接觸式數據采集技術應用

池金環

（天津機電職業技術學院機械系，天津 300131）

快速成型及非接觸式數據采集技術應用

池金環

（天津機電職業技術學院機械系，天津 300131）

快速成型是由計算機對產品零件進行三維模型設計，綜合了計算機輔助設計、計算機輔助制造、激光技術、新材料技術等，省去傳統加工所需要的刀具、夾具等，縮短了生產周期。通過逆向工程中的非接觸式測量方法為例，介紹了產品測量應用及測量后處理，實踐證明該方法是可行的。

快速成型技術；逆向工程；點云處理；非接觸式測量

0 引言

逆向工程，也稱反向工程，其思想最初來自從油泥模型到產品實物的設計過程。作為產品設計制造的一種手段，在20世紀90年代初，逆向工程技術開始引起各國的高度重視[1]。針對現有的模型或樣品，利用數字化測量儀器，準確快速的測得輪廓坐標，并進行曲面重構，在此基礎上進行再設計，實現產品創新。然后通過計算機輔助制造，產生刀具加工代碼，或者通過快速成型機將產品打印出來。其中獲得輪廓數據點云是通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據。根據測量探頭或傳感器是否和實物接觸，可分為接觸式和非接觸式兩類。下面通過實例說明這種方法。

1 數據采集方法

接觸式測量效率低，三坐標測量機是廣泛采用的接觸式測量設備，精度較高，主要應用于零件的幾何尺寸檢測[2]。非接觸式測量效率高，在逆向工程研究應用廣泛，獲得點云數據后再對其進行處理。根據測量原理不同，有以下幾種方法：光學測量、超聲波測量及電磁測量等，這里主要介紹光學非接觸測量。

2 非接觸式測量應用

2.1 測量準備

在對產品進行三維數據采集之前比較重要的一項準備工作就是標志點的粘貼。標志點的粘貼需要注意幾點：

①保證掃描策略的順利實施，并使標志點在長度、寬度、高度方向均布分布合理；

②標志點應使左右相機在盡可能多的角度可以同時看到，并且標志點要盡量貼在產品的平面區域或曲率較小的曲面；

③距離產品邊界不能過近；

④盡量使標志點不出現在一條線上。產品標志點粘貼實例見圖1。

圖1 標志點粘貼

2.2 三維測量

三維測量是逆向工程的第一個重要階段，也是后續工作的基礎。目前樣品三維數據的獲得主要通過三維測量技術來實現，包括三坐標測量機、激光三維掃描、結構光測量等裝置來獲取樣件的三維表面坐標值。本例選擇光學雙目三維掃描儀進行數據采集。過程如下。

首先啟動掃描系統，啟動計算機及硬件系統。然后開啟系統軟件，調整掃描距離進行標定。調整標定板，得到標定精度符合要求即完成了全部標定過程準備測量產品。

在系統軟件上完成新建工程，將被掃描模型產品放在轉盤上時，將粘有標志點的位置盡量放在視圖中央，通過云臺調整硬件系統的高度及俯仰角，使此十字與相機顯示區的十字盡量重合，并且保證十字盡量在被掃描產品上，測量過程見圖2。系統會自動對采集到的圖像進行處理與計算，得到掃描系統所需的各項參數，并在標定信息顯示區給出標定誤差結果。

圖2 測量距離

重復進行下次掃描直至系統拼接全部掃描完成完整產品，完成全部掃描后整理點云然后保存點云數據，見圖3。

3 快速成型后處理

在獲取了處理好的測量數據后，根據數據各面片的特征分別進行曲面擬合，然后面片間求交、拼接和匹配，使之成為連續光順的曲面，從而獲得樣件模型的過程。下一步是進行三維模型重構創新以得到性能優良的新產品。三維模型重構是逆向工程設計的關鍵步驟，而模型重構的關鍵是將逆向工程軟件與產品設計相結合的步驟[3]。通過掃描儀得到的測量數據在模型重構之前必須進行格式轉換、平滑、對齊、合并等一系列數據處理。得到的復雜點云數據還要進行數據精簡過濾等方法獲取樣件模型所具有的設計和加工特征。

4 結束語

非接觸式測量具有高效率、無破壞性、工作距離大等優點，可以對物體進行靜態或動態的測量而不需要與待測物體接觸，非接觸式測量技術應用在逆向工程中可以大大節約成本，縮短產品的研發周期[4]。尤其是現代光學、電子和計算機技術的飛速發展，為逆向工程非接觸式提供了必要的理論基礎和技術條件。未來非接觸式測量定會應用于更多領域提供給生產生活更多的便利。

［1］陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術應用［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］何亞銀.基于逆向工程的連桿快速成型設計［J］.小型內燃機與摩托車，2011（4）：69-71.

［3］張勇，王超.基于快速成型技術的水泵銅葉輪的快速鑄造［J］.鑄造，2011（5）：493-495.

［4］張海強，劉玉鵬.激光固化快速成型樹脂加熱器的研究［J］.機電工程技術，2012（6）：36-37.

［5］張汪年，鄧寧，鞠銀燕.快速成型技術及其在模具制造中的應用［J］.九江學院學報，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

池金環，女，1982年生，遼寧朝陽人，碩士，講師。研究領域：模具設計與制造。 (編輯：向 飛)

2014－03－11