基于CMM和光學(xué)掃描的集成測量與混合建模

王 喬，楊雪榮，成思源，呂 瑟，張湘?zhèn)?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

逆向工程是在沒有設(shè)計圖紙、CAD模型或者設(shè)計圖紙不完整的情況下，按照現(xiàn)有零件的實物模型（或稱為零件原形），利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造零件CAD模型的過程[1]。在逆向工程中，CMM和光學(xué)掃描儀兩種測量設(shè)備運用相對較多，這兩種測量設(shè)備各有特點：CMM采用的接觸式測量在測量中穩(wěn)定性好、精確度高，對盲區(qū)（如深孔）測量具有一定優(yōu)勢，但測量速度慢；基于光學(xué)的關(guān)節(jié)臂掃描采用非接觸式測量，速度快，短時間內(nèi)采集點云密度大，效率高，但精確度相對于接觸式測量設(shè)備較低。對于同時有規(guī)則特征和非規(guī)則特征的復(fù)雜零件，如果單一使用一種測量設(shè)備來測量，則不能同時滿足高質(zhì)量，高效率的要求[2]，而集成測量可以有效地克服單一測量模式的局限性。集成測量充分利用了這兩種測量設(shè)備在測量上的互補性，將接觸式測量的高精度和非接觸式測量的高效率充分結(jié)合在一起，準(zhǔn)確獲取模型的表面數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高逆向建模的質(zhì)量和精度。

1 集成測量與建模原理及流程

由于復(fù)雜零件上既有規(guī)則特征又有非規(guī)則特征，而兩種特征在測量方式上有很大區(qū)別：規(guī)則特征只需要運用CMM測量規(guī)則特征參數(shù)信息，測量時間短，效率高；對于非規(guī)則特征使用CMM測量有一定難度，而用掃描設(shè)備是最佳的選擇。根據(jù)不同的特征選用合適的測量設(shè)備也是零件測量過程中關(guān)鍵步驟之一。

對于目前復(fù)雜零件測量瓶頸，本文利用兩種設(shè)備在測量上的優(yōu)勢[3]，運用CMM測量規(guī)則特征與關(guān)節(jié)臂掃描儀測量非規(guī)則特征，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的測量數(shù)據(jù)，使用逆向處理軟件Geomagic Design Direct進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，逆向建模以及模型對齊，最終獲得工件CAD模型。具體流程圖如圖1所示。

圖1 集成測量及建模流程

2 測量與數(shù)據(jù)處理

2.1 CMM測量與數(shù)據(jù)處理

零件上的特征出現(xiàn)方式有規(guī)則特征和非規(guī)則特征。有些特征形似規(guī)則特征，但不一定是規(guī)則特征的情況，需要驗證。針對復(fù)雜零件上未知的形似規(guī)則特征，首先進(jìn)行判斷，如果是規(guī)則特征，只需要測量此特征的準(zhǔn)確的參數(shù)信息，如是非規(guī)則特征，用CMM測量其點云數(shù)據(jù)，判斷流程如圖2所示。

圖2 驗證孔特征

以形似規(guī)則深孔特征為例進(jìn)行驗證，判斷是否為規(guī)則的孔特征，在確定為規(guī)則孔特征后，采集孔特征參數(shù)值，否則，測量其點云數(shù)據(jù)。

對于規(guī)則特征深孔，CMM在工件上采集其參數(shù)信息，同時將周圍的3個特征球進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此來利用3個特征球的數(shù)據(jù)建立工件坐標(biāo)系。

圖3 接觸式采集數(shù)據(jù)

對于不規(guī)則深孔時，為獲取深孔特征的數(shù)據(jù)信息，通過“閉環(huán)掃描”采集孔環(huán)壁一周的數(shù)據(jù)，再利用測量的點云數(shù)據(jù)擬合建模[4]。同樣需要測量3個特征球的參數(shù)信息。圖4為非參數(shù)孔特征測量。

圖4 CMM測量非參數(shù)化孔特征

2.2 關(guān)節(jié)臂掃描測量與數(shù)據(jù)處理

激光掃描系統(tǒng)基于常見的激光三角形原理[5]。激光三角形法以點掃描或者線掃描為主，通過激光光源發(fā)射光線，以固定角度將光線照射到被測物體上，然后通過高精度的CCD鏡頭與光源之間的位置及投影和反射光線之間的夾角，換算出被測點所在的位置。該測量技術(shù)穩(wěn)定，掃描速度較快。但相對于CMM來說，精度上還是稍有不足。

圖5 非接觸式采集數(shù)據(jù)

關(guān)節(jié)臂掃描儀采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次多方位采集、數(shù)據(jù)處理時，獲得的數(shù)據(jù)密度大，分布不均勻，采集的點云并非整體，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)拼合技術(shù)將零碎的點云整合[6]。同時，由于環(huán)境和人為等因素的影響，數(shù)據(jù)中也存在一些噪音點，當(dāng)數(shù)據(jù)密度很高時，采集到的數(shù)據(jù)中存在很多的冗余數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響效率，因此需要數(shù)據(jù)簡化、降噪等處理。圖6為關(guān)節(jié)臂掃描儀測量的點云數(shù)據(jù)。

圖6 關(guān)節(jié)臂掃描儀采集點云數(shù)據(jù)

3 Geomagic Design Direct建模

3.1 Geomagic Design Direct建模原理與流程

Geomagic Design Direct是一款正逆向混合設(shè)計軟件，能將逆向建模與正向建模緊密結(jié)合，無需轉(zhuǎn)換正逆向建模數(shù)據(jù)，操作起來更方便。Geomagic Design Direct的建模在多邊形網(wǎng)格的截面線特征與規(guī)則特征的提取編輯上功能更豐富，實體特征與二維截面的正向設(shè)計建模功能也比較成熟，可以直接對原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形狀重構(gòu)得到產(chǎn)品的實體CAD模型，并通過正向建模工具對實體特征及其相互之間的約束關(guān)系進(jìn)行編輯修改以實現(xiàn)再設(shè)計。在Geomagic Design Direct中混合建模流程如圖7所示。

圖7 Geomagic Design Direct建模流程

3.2 Geomagic Design Direct建模

本論文是通過Geomagic Design Direct來實現(xiàn)不同儀器采集的數(shù)據(jù)處理，然后對兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別建模，經(jīng)過坐標(biāo)系對齊之后，根據(jù)布爾運算得到CAD模型的流程，如圖8所示。

圖8 兩種軟件處理流程

規(guī)則的特征通過參數(shù)建模，非規(guī)則的特征通過擬合建模方式對深孔建模[6]。其中采用正逆向結(jié)合的方式對非規(guī)則特征建模，可以更進(jìn)一步的提高建模效率。

針對規(guī)則特征，利用Geomagic Design Direct軟件“提取”工具欄中提取相應(yīng)的規(guī)則特征，提取后通過編輯修改進(jìn)行再設(shè)計。針對不規(guī)則特征，提取其特征面或特征線。產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)中提出對產(chǎn)品幾何形狀的重構(gòu)具有關(guān)鍵性作用的幾何元素（曲線、曲面）。特征中，二次曲面、自由曲面以及曲面間的連接面稱為特征面，局部曲面的邊界線以及曲面間的交線稱為特征線[8]。通過在二維截面上草繪出封閉的輪廓線，使用“選擇”，“拉動”或“移動”等工具對模型再設(shè)計的的過程。

本論文中，利用Geomagic Design Direct軟件“插入”選擇相應(yīng)的圓柱特征，在使用“插入”前，由于要確定點云的規(guī)則特征中心點、孔深，可以通過草繪的方式提取圓中心點，拉動得到圓柱的實體模型。使用“插入”模塊中規(guī)則特征的建模給逆向建模提供了一種快速便捷的方式。模型中的深孔通過CMM測量得到點云數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)特點可得此特征為圓柱體，應(yīng)用“插入”圓柱工具重建出產(chǎn)品的CAD模型，如圖9所示。

圖9 CMM測量深孔特征

對于非規(guī)則特征的建模，通過關(guān)節(jié)臂掃描儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪，簡化，拼合等一系列處理之后，再運用截面草圖中曲線提取，在二維網(wǎng)格面上獲取截面線，并在草圖模式下進(jìn)行編輯修改。將所提取的曲線在封閉情況下，進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣等操作以生成曲面或?qū)嶓w，并以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行復(fù)雜幾何實體的構(gòu)造。二維截面線的提取與編輯可以大大提高逆向建模的效率，而且，通過對截面草圖的編輯來創(chuàng)建新的二維截面，并生成新的實體模型，以實現(xiàn)再設(shè)計，如圖10所示。

圖10 掃描數(shù)據(jù)建模

3.3 模型對齊

對齊也是逆向建模中的一個重要環(huán)節(jié)[8]。采用不同的采集方式，獲得的兩組數(shù)據(jù)存在不同的坐標(biāo)系，需要將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊操作，因此需要建立一個公共的幾何特征作為公共對齊特征。在此采用的是三點定位法[9]，通過三個球的圓心建立空間坐標(biāo)系，然后通過“裝配體”中“對齊”兩坐標(biāo)系進(jìn)行對齊到同一坐標(biāo)系下。

將兩部分模型分別用三個標(biāo)準(zhǔn)球建立空間坐標(biāo)系，根據(jù)特征對齊原理將兩部分模型對齊。

圖11 兩部分?jǐn)?shù)據(jù)特征對齊

由于模型是由兩部分組合而成時，可以通過“相交”對模型進(jìn)行“組合”、“拆分主體”、“拆分面”、“投影”處理。在“相交”工具欄中既可以使用兩部分組合為一體，也可以通過選擇要刪除的區(qū)域進(jìn)行布爾運算。通過布爾減將圓柱孔的部分刪除，從而最終獲得CAD模型圖。

圖12 裁剪后模型

4 結(jié)論

結(jié)合CMM和關(guān)節(jié)臂掃描儀集成測量的數(shù)據(jù)，基于逆向工程的混合建模技術(shù)進(jìn)行了實例研究，說明了此種方法能夠融合兩種設(shè)備測量的優(yōu)勢，快速、準(zhǔn)確的獲得模型的CAD模型。這種集成CMM和光學(xué)掃描的測量與建模的方法在零件再設(shè)計時可以提高重構(gòu)模型的質(zhì)量，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)則特征較多的零件，具有一定的借鑒意義。

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