基于分層銑削和激光掃描的模型重構(gòu)試驗(yàn)研究*

申軍偉

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

逆向工程是將缺乏必要數(shù)據(jù)的實(shí)物模型進(jìn)行設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)行再設(shè)計(jì)或再制造的過(guò)程，這對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的再制造或創(chuàng)新性設(shè)計(jì)具有重要的意義。在幾何逆向過(guò)程中，實(shí)物幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、全面的獲取是整個(gè)過(guò)程的前提條件[1]。三維模型重構(gòu)通過(guò)獲取實(shí)物產(chǎn)品的特征數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行幾何建模，隨著科技水平的不斷發(fā)展，一般產(chǎn)品的外觀幾何建模技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，但是對(duì)于零件內(nèi)部特征的精確重構(gòu)依然是工程應(yīng)用上的一個(gè)難點(diǎn)[3]。

目前技術(shù)條件下，逆向過(guò)程中模型特征數(shù)據(jù)的獲取主要通過(guò)接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其局限性在于兩種方式都只能獲得模型表面的特征數(shù)據(jù)，對(duì)于模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)獲取則無(wú)法實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而不能進(jìn)行內(nèi)部特征模型重構(gòu)[4]。為此，筆者通過(guò)一種基于分層銑削和激光掃描的零件特征重構(gòu)方法，可以對(duì)零件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效測(cè)量和特征重構(gòu)。這種方法為解決上述兩種測(cè)量方式的弊端提供了一種新的途徑，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 分層切削模型重構(gòu)原理

1.1 非接觸數(shù)據(jù)測(cè)量

非接觸式測(cè)量是指在與測(cè)量對(duì)象不接觸的情況下，利用光學(xué)、電磁等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物體表面參數(shù)測(cè)量的方法。常用的有激光三角法、超聲測(cè)量法、機(jī)器視覺測(cè)量等，其中激光三角法由于成本及精度等方面的綜合因素影響，應(yīng)用較多，其基本測(cè)量原理如圖1所示[2]。

圖1 激光三角法測(cè)量原理圖

在圖1中，反射光束與法線的夾角為α，光敏單元與反射光束的夾角為β，參考面入射點(diǎn)距透鏡的距離AO即物距為c，透鏡至光敏單元的成像距離OF即像距為d，隨參考點(diǎn)變動(dòng)距離y時(shí)，成像點(diǎn)在光敏單元上移動(dòng)的距離為x，透鏡焦距為f，過(guò)B、E點(diǎn)作AF的垂線BH、EG，由圖1可知：

(1)

式中：EG=x·sinβ，BH=y·sinα，F(xiàn)G=x·cosβ，AH=y·cosα。將此關(guān)系代入式(1)可知：

(2)

(3)

聯(lián)合式(2)和式(3)可知:

(4)

當(dāng)實(shí)際對(duì)象在參考面之下時(shí)，式(4)分母中間取負(fù)號(hào)，反之取正號(hào)，等式右側(cè)各參數(shù)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定之后，均為已知量，由此可測(cè)量出實(shí)際對(duì)象相對(duì)于基準(zhǔn)面的距離。

1.2 數(shù)據(jù)處理

分層掃描形成的數(shù)據(jù)中存在很多重復(fù)性數(shù)據(jù)和噪音點(diǎn)，如果直接使用，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量過(guò)大的問題，誤差也較難控制，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行合理精簡(jiǎn)合并，在保證精度的同時(shí)，能夠有效提升處理速度和精度。

數(shù)據(jù)的處理包括重復(fù)數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)和輪廓識(shí)別。重復(fù)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的主要目的在于刪除冗余數(shù)據(jù)的同時(shí)保證邊界輪廓數(shù)據(jù)的精度和完整性，同時(shí)由于點(diǎn)云掃描過(guò)程中存在噪音雜點(diǎn)，需要通過(guò)后續(xù)處理來(lái)改善點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，以便正確識(shí)別單層特征截面的形狀。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法主要包括均勻采樣法、基于包圍盒的方法、基于曲率的方法等。此實(shí)驗(yàn)通過(guò)均勻采樣法和曲率法相結(jié)合的方式對(duì)原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)處理，從而能夠在較好保持結(jié)構(gòu)特征細(xì)節(jié)的同時(shí)減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。

1.3 模型重構(gòu)

使用Geomagic軟件進(jìn)行逆向重構(gòu)建模，利用曲率采樣的功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，并利用測(cè)量所得數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到單層截面的輪廓曲線，在得到所有測(cè)量截面的輪廓曲線之后，進(jìn)行逐層混合建模，最后通過(guò)布爾運(yùn)算得到最終的重構(gòu)模型。

2 分層切削重構(gòu)試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

此實(shí)驗(yàn)采用普瑞斯PV750數(shù)控加工中心(見圖2)進(jìn)行銑削加工，該機(jī)床定位精度為0.012 mm，重復(fù)定位精度為0.006 mm，零件材質(zhì)45鋼，使用φ80硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行分層銑削，掃描設(shè)備為ZG717三維激光掃描儀，測(cè)量精度最高達(dá)0.02 mm。

實(shí)驗(yàn)之前，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工零件實(shí)際尺寸進(jìn)行檢測(cè)，作為最終建模精度判別基準(zhǔn)。利用數(shù)控機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行逐層銑削—掃描循環(huán)加工，直至完成所研究特征全部數(shù)據(jù)的采集。

圖2 PV750加工機(jī)床

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

此次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為具有斜交孔的圓柱形零件，所有特征均經(jīng)過(guò)精加工處理，保證各特征具有一定的形位精度。加工零件如圖3所示。

圖3 零件圖

首先通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)零件特征尺寸，作為建模后數(shù)據(jù)對(duì)比的基準(zhǔn)。零件的三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所列。

表1 實(shí)測(cè)尺寸 /mm

分層銑削的厚度通過(guò)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，根據(jù)零件特征及掃描設(shè)備特點(diǎn)，銑削分層厚度根據(jù)零件孔特征的位置關(guān)系，在保證掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，盡量利用掃描設(shè)備特點(diǎn)減少掃描工作量，分層厚度1 mm，實(shí)際切削40層。

典型掃描結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 第1層掃描數(shù)據(jù) 圖5 第6層掃描數(shù)據(jù)

2.3 模型重構(gòu)

模型的重構(gòu)通過(guò)結(jié)合單次掃描數(shù)據(jù)和數(shù)控機(jī)床切削層厚確定，基于外形掃描構(gòu)建模型的外部特征，在分層銑削掃描后，根據(jù)銑削厚度和掃描數(shù)據(jù)計(jì)算截面形狀尺寸，進(jìn)行內(nèi)部特征的構(gòu)建，其流程如圖6所示。

圖6 建模流程

通過(guò)重復(fù)掃描-切削過(guò)程，可以獲得零件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)，圖7為第4層切削后掃描所得點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)及提取的截面。

圖7 第4層點(diǎn)云模型及提取的截面

通過(guò)對(duì)掃描所得數(shù)據(jù)進(jìn)行截面特征提取，得到40層截面數(shù)據(jù)并進(jìn)行逐層放樣疊加，得到疊加后的模型，通過(guò)綜合分析多次掃描所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)優(yōu)化，最終獲得的幾何模型如圖8、9所示。

圖8 逐層疊加模型 圖9 優(yōu)化后的模型

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)重構(gòu)模型的測(cè)量，其各部分尺寸及偏差如表2所列。

表2 實(shí)測(cè)和優(yōu)化后的模型數(shù)據(jù)

對(duì)比上述各尺寸偏差，偏差較小，不超過(guò)0.05 mm，內(nèi)斜孔的偏差值稍大，但也不超過(guò)0.5%。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析可知，主要的誤差成因包括以下幾個(gè)方面：

(1) 零件的加工精度和表面粗糙度對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的影響較大；零件加工質(zhì)量與測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量呈現(xiàn)正相關(guān)性。

(2) 各層截面提取過(guò)程中，邊緣計(jì)算和各層截面拼接有一定的誤差，且會(huì)影響模型的重構(gòu)精度，更合理的根據(jù)測(cè)量對(duì)象結(jié)構(gòu)確定分層數(shù)量，能夠有效減小邊緣計(jì)算的誤差影響。

(3) 零件測(cè)量之前的預(yù)處理工作對(duì)掃描數(shù)據(jù)精度也有一定的影響，需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于逐層切削的三維掃描模型重構(gòu)方法，是通過(guò)分層切削后掃描的辦法獲取測(cè)量對(duì)象的內(nèi)部特征三維信息，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理和擬合建模，最終得到測(cè)量對(duì)象三維模型。利用現(xiàn)有的計(jì)算工具和高精度測(cè)量設(shè)備，該方法建模相對(duì)快捷、準(zhǔn)確，并能獲得復(fù)雜形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要的參考意義。