光學三維掃描系統在模具制造中的應用

王春光++李海霞

摘 要：目前數字化模型的獲取成為技術發展瓶頸。三維光學掃描技術可以對不規則曲面部分的數字特征進行獲取，經過數據處理最終得到數字化模型。隨著數字化裝備制造技術的發展，數字化模型的獲取成為技術發展瓶頸。三維軟件造型技術雖然能過在一定程度上解決這一問題，但是由于檢測手段局限，一些問題仍無法解決，尤其是不規則曲面部分的數字特征，不借助特殊的儀器無法完成，光學三維掃描就是目前應用較為廣泛的技術手段。本文以模具開發過程為例介紹光學三維掃描技術在曲面數字特征取得過程中的應用。

關鍵詞：光學三維掃描；數字模型；數據處理

一、前期準備

三維面掃描系統（圖1）調整與標定，為了保證掃描精度，在設備長期不用或焦距調整過之后，需要進行標定。這一過程類似于三坐標測量機使用前的標定測頭，是系統初始化的過程。要求操作者一定按要求操作，以保證測量精度。在標定時，系統會提示從幾個不同角度對焦，這主要是為了保證在掃描過程中陡峭曲面的檢測精度而進行的操作。下面介紹面掃描儀標定的過程。

標定板（圖2）是一個均布了許多白點的大理石板，這些整齊排列的白點就是標志點，是檢測中掃描設備所能識別的點，因為其大小一致，不能彼此區分，只是普通的標志點，沒有具體編號。相對于非編碼標志點，還有一種編碼標志點，圖標放大后如圖3，這些是不同型號的編碼標志點，圓周或矩形分布的黑色或白色點提供了二進制信號，黑點位置代表“1”，白點的位置則代表“0”，這些二進制信號表達了標定點的具體編碼數值，在點選系統標定選項后，彈出對話框如圖4所示，依據系統提示，改變標定板角度，以及標定板與鏡頭之間的距離，經過一系列的操作，直到系統提示標定完成為止，操作結束。在系統標定過程中，操作者一定要注意按系統提示的角度擺放標定板，且要力求準確，兩個鏡頭與標定板的中心之間距離要對稱，這樣標定的效果才會更理想。

完成標定后的系統可以用來檢測工件了，但是為了掃描效果更好，取得的點云數據更密集且精度高，掃描之前需要在工件表面噴

顯影劑，因為這樣會是系統收到更多的漫反射光，顯影劑噴完后，接下來就是粘貼標志點，這些標志點是中心帶白點的黑點，背面有不干膠，可以方便地粘到工件表面，再粘貼標志點時，根據工件表面調整密度，在比較平緩的表面貼的比較少，在較陡峭的表面則需要密集一些，這樣能使掃描的曲面精度更高，因為一個工件的表面不可能一次掃描得到，在兩各掃描視野交界部位需要密集一些，這樣在兩次掃描時點云數據對接定位精度高，遵循了這些原則處理完的工件如圖5所示。

二、掃描工件

做好初期準備工作后，就可以進行掃描工作了，調整工件姿態，使其在一個姿態下能盡量多的掃描到表面，調整掃描鏡頭使其到工件的距離在1m左右，掃描窗口如圖6所示，打開系統和投影，然后按回車鍵，投影儀發出柵格光線并在工件表面平移，大概3秒鐘后，柵格光消失，在窗口工作頁面出現當前視野內工件的部分表面點云數據。柵格光照射在工件表面上，其柵格寬度隨工件表面遠近凸凹而變化，三維光學掃描系統就是利用了這一現象，根據柵格寬窄變化計算深淺凸凹。在掃描完一個視野后，移動掃描設備到下一個視野，移動時注意與上一個位置的視野有3個以上的重疊標志點，以便于計算機拼接點云數據，掃到的點與數據如圖所示，從各個不同的視野掃描得到的點云數據用不同的顏色加以區別，根據重合的標定點，計算機已經對數據進行了拼接。拼接精度與軟件處理能力以及掃描設備的掃描精度有關，也與視野重疊的標志點個數有關，所以再掃描時，注意掃描標志點的選取，另一方面還要注意掃描效率，過多的重疊會增大數據量，這勢必造成數據處理速度降低，噪點也會相應增多，為后期數據處理增添麻煩，幅面太多也會增加掃描次數，降低工作效率。

三、數據處理

掃描得到的點云并不適合于直接用來造型，這是因為：一方

面，雖然一個截面內的測量點理論上應該在一個平面內，但由于測量機的誤差及其它因素的影響，所得數據點的坐標值可能會有少量偏差。用這樣的一些點來直接造型，顯然不能滿足要求。生成的曲線可能不光順，而且不在同一個平面內，從而使最終的表面不符合要求， 因此應當對讀入的點進行處理。這個環節也是反求建模的一個重要環節，常用的點云處理軟件有Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、ICEM Surf、Copy CAD 等，但是不管是哪一款軟件，在數據處理中，過程都離不開壞點去除，點云精簡，數據插補，數據平滑，數據分割等幾個步驟，由于掃描過程不可避免會引入測量誤差，尤其是尖銳邊角和產品邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面。壞點又稱跳點，屬于噪點的范疇，通常由于測量設備的標定參數發生改變和測量環境突然變化造成的，對于手動人工測量，還會由于誤操作是測量數據失真。壞點對曲線、曲面的光順性影響較大，因此測量數據預處理首先就是要去除數據點集中的壞點。

當測量數據過密，不但會影響曲面的重構速度，而且在重構曲面的曲率較小處還會影響曲面的光順性。因此，在進行曲面重構前，需要建立數據的空間鄰域關系和精簡數據。在均勻精簡方法中，通過以某一點定義采樣立方體，求立方體內其余點到該點的距離，再根據平均距離和用戶指定保留點的百分比進行精簡。在精簡時要注意到：精簡距離為2mm，精簡后的點云在空間分布均勻，適合數據的后續處理。

點云經過降噪，精簡后進入創建多邊形環節，不同的軟件操作方法大體相同，三角片格式是stl文件，用于表示三角形網格的一種文件格式。 它的文件格式非常簡單，只表達三維物體形狀，不表現顏色等其它特征，占用空間小，應用很廣泛。

由于測量機的限制，得到的數據會存在一些探頭無法測到的區域，另外實物零件中存在表面缺口、孔洞及溝槽等，使曲面出現缺口，這樣在造型時就會出現數據空白，影響曲面的逆向建模。為了能保證數據完整，需要對這些空白位置進行填充，在點云處理軟件中最常用的是目前應用于逆向工程的數據插補方法主要有曲線、曲面插值補充法等。針對于Geomagic Studio軟件講解一下補洞過程，補洞窗口如圖所示，針對于不同的孔洞形式，補洞式也有所不同，

另外，還可以利用公差選項來執行簡化，選擇公差后，標明公差范圍，和三角面處數量的低限，軟件會計算出一個比較適合的面片數量。同樣還是要觀察物體衰減后的的表面質量，如果表面細節損失很多的話，就適當的把公差值調小，把三角面片低限調大些掃描數據因為物體本身的光反射效果，表面大多數都是精糙的。不是平滑的，Gomagic軟件有三種平滑方式。分別是砂紙、減少噪音和松馳。因此我們需要用到光滑命令，如果在處理點云的時候砂紙對話框的可選項目只有松弛和清除兩項，松弛是將表面三角面片數據移動位置與其它面片數據曲率連續。而清除是將表面數據刪除，并且改變區域內數據形狀來實現數表據表面的曲率連續。具體操作方法就是用光標在粗造區域上涂沫。清除和松馳在平緩區域進行平滑時驅別不太，而在死角，拐點位置平滑時，清除命令更優于松弛命令。

經過這一系列的處理，我們得到了工件的stl模型如圖，得到的模型可以在ug打開，把小平面實體加厚處理，就可以進行模具設計了。

參考文獻：

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