基于激光掃描的機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)探究

任曉路

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，徐州 221100）

1 機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的相關(guān)研究

在生產(chǎn)機(jī)械精密零件時(shí)，需要重視機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)。機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低生產(chǎn)成本，同時(shí)有助于環(huán)境保護(hù)[1]。設(shè)計(jì)機(jī)械精密零件外觀時(shí)，需要以高效和節(jié)能為主[2]。目前，激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)中。我國(guó)研究人員閆清東在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了和Harris角點(diǎn)有關(guān)的檢測(cè)方法，能在檢測(cè)過(guò)程中有效檢測(cè)出機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的性能，為機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)提供了更多的發(fā)展空間。

2 激光掃描的相關(guān)內(nèi)容

2.1 激光掃描法的原理

激光掃描法的測(cè)量原理是在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光強(qiáng)調(diào)制作用，能夠?qū)馀c電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終得到人們需要的測(cè)量值。

2.2 激光掃描法應(yīng)用的條件

激光掃描法在使用過(guò)程中要滿足兩個(gè)條件，一是保證掃描速度均勻，二是在掃描過(guò)程中掃描光束要和光軸保持平衡。

2.3 激光掃描法中激光源的選擇

激光光源的特點(diǎn)是方向性強(qiáng)、亮度高，是高精度測(cè)量中最理想的光源。在早期激光掃描的過(guò)程中，一般使用的都是高壓電源。高壓電源在應(yīng)用過(guò)程中容易和附近的導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)，最終影響激光器的使用壽命。近幾年，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展越來(lái)越成熟，人們開(kāi)始借助半導(dǎo)體激光器來(lái)完成激光掃描工作。半導(dǎo)體激光器的材料主要是砷化鎵，最大特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于激光掃描工作。半導(dǎo)體激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，啟動(dòng)電壓較低，在啟動(dòng)過(guò)程中只需要2～6 V的電源電壓就能完成啟動(dòng)工作。其次，電能效率轉(zhuǎn)換速度快。最后，壽命長(zhǎng)。激光器在使用的過(guò)程中最長(zhǎng)的壽命時(shí)間能夠達(dá)到1×104h。

3 主體機(jī)械精密系統(tǒng)

主體機(jī)械精密系統(tǒng)能夠提高光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定性，在使用過(guò)程中直接影響光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)，所以在應(yīng)用時(shí)要保證系統(tǒng)工作性能的準(zhǔn)確性。主體機(jī)械精密系統(tǒng)在使用過(guò)程中對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求非常高，如果僅靠機(jī)械加工不能滿足人們的需要，需要在機(jī)械加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行手工調(diào)整，以便檢測(cè)出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)的要求。

4 機(jī)械精密零件的激光掃描成像和視覺(jué)融合

4.1 機(jī)械精密零件的激光掃描成像

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好地優(yōu)化機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)，可以先引入三維激光掃描技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，然后通過(guò)全局細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理加強(qiáng)機(jī)械精密零件的外觀信息表達(dá)能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助這些技術(shù)能夠更好地進(jìn)行成像處理。在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這種重組能夠更好地得到機(jī)械精密零件的外觀輪廓。為了更好地滿足動(dòng)態(tài)條件，設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要分析對(duì)圖像的邊緣特征，最終得到需要的圖像。需要注意，設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以使用點(diǎn)跟蹤掃描技術(shù)，也可以通過(guò)分布式計(jì)算方法把機(jī)械精密零件中的外觀三維計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的一維計(jì)算問(wèn)題，最終達(dá)到提高圖像融合和識(shí)別的能力。

4.2 圖像的視覺(jué)融合處理方法

設(shè)計(jì)機(jī)械精密零件外觀時(shí)使用小波尺度分解方法，能夠分析整個(gè)機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)情況，然后得出需要的激光圖像。篩選過(guò)程中，根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換找出候選像素特征分布區(qū)域中最邊緣的像素集。設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用灰度直方圖融合方法了解機(jī)械精密零件的外觀圖像尺度融合的結(jié)果，最后根據(jù)結(jié)果重新構(gòu)造機(jī)械精密零件的外觀。

5 優(yōu)化機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的處理方法

5.1 分析動(dòng)態(tài)局部特征的提取方法和視差的方法

通過(guò)描述發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)機(jī)械精密零件外觀的過(guò)程中，使用點(diǎn)跟蹤掃描技術(shù)能夠有效處理激光掃描成像過(guò)程中存在的問(wèn)題，優(yōu)化機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)，最終找到外觀設(shè)計(jì)的邊緣像素特征。同時(shí)，可以借助局部均值分割技術(shù)的幫助，了解機(jī)械精密零件外觀的仿真情況，利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)。在表達(dá)的過(guò)程中，研究者需要了解整個(gè)輪廓的長(zhǎng)度和灰階不變的特征值，最終得到和機(jī)械精密零件外觀有關(guān)的灰度值的信息情況。在機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)時(shí)，還可以通過(guò)分解和重組特征的方法計(jì)算機(jī)械精密零件掃描后的邊緣像素值。同時(shí)，在了解像素幀差值時(shí)，需要先分析掃描圖像的紋理特征。需要注意，表達(dá)過(guò)程中要詳細(xì)寫清待匹配的像素點(diǎn)尺度，以便及時(shí)分析動(dòng)態(tài)局部特征的分布情況，提高機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

5.2 優(yōu)化機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的誤差

在重組機(jī)械精密零件外觀掃描圖像時(shí)，需要借助角點(diǎn)檢測(cè)的方法了解掃描圖像的分布情況，然后借助空間領(lǐng)域邊緣融合的方法找出掃描圖像的三維特征點(diǎn)，最終計(jì)算出檢測(cè)后的紋理特征值。同時(shí)，自動(dòng)渲染算法分解出了掃描圖像的細(xì)節(jié)，便于了解在不同場(chǎng)合下機(jī)械精密零件的外觀特征。上述處理還能最大限度地了解掃描圖像的三維特征情況，然后根據(jù)視差的分析優(yōu)化機(jī)械精密零件的外觀設(shè)計(jì)，最終得到想要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。在掃描激光圖像時(shí)，可以重新分解出現(xiàn)的視差圖，了解分解后的調(diào)節(jié)結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的目的。

6 分析仿真試驗(yàn)

研究者為了更好地了解基于激光掃描的機(jī)械精密零件設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)借助仿真設(shè)備和軟件完成，同時(shí)以傳動(dòng)部件中的萬(wàn)向節(jié)為主要研究對(duì)象。機(jī)械精密零件的參數(shù)情況如表1所示。

表1 機(jī)械精密零件的參數(shù)

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)的過(guò)程中，圖像的像素點(diǎn)需要調(diào)整到200×400，動(dòng)態(tài)分割的參數(shù)值為0.34 mm·r-1。在進(jìn)行仿真試驗(yàn)的過(guò)程中使用點(diǎn)跟蹤掃描技術(shù)，在整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程中，只有了解機(jī)械精密零件外觀激光掃描圖像的灰度值，才能真正發(fā)揮仿真試驗(yàn)的作用。使用動(dòng)態(tài)幀序列重組的方法來(lái)重組灰度直方圖，分析掃描圖像的像素點(diǎn)視差值得到的結(jié)果，能真實(shí)反映機(jī)械精密零件外觀優(yōu)化的情況，最終得出整個(gè)設(shè)計(jì)的視覺(jué)效果能夠達(dá)到人們的要求，設(shè)計(jì)精度也比較準(zhǔn)確。

7 外觀設(shè)計(jì)情況的總結(jié)

基于激光掃描的機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)需要注意以下問(wèn)題：第一，機(jī)械精密零件在設(shè)計(jì)外觀的時(shí)候要想提高激光掃描成像的處理質(zhì)量，需要借助點(diǎn)跟蹤掃描技術(shù)；第二，在掃描過(guò)程中，一定要先了解邊緣像素的特征，然后推斷出機(jī)械精密零件外觀圖像的多維尺度值；第三，通過(guò)重組來(lái)重建灰度直方圖的內(nèi)容，得出掃描圖像的動(dòng)態(tài)局部特征值；第四，在設(shè)計(jì)機(jī)械精密零件時(shí)，一定要計(jì)算出像素點(diǎn)重組之后的視差值才能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

8 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)機(jī)械精密零件外觀時(shí)借助激光掃描技術(shù)，能夠了解整個(gè)圖像的視覺(jué)特征，提高機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的質(zhì)量。需要注意，在機(jī)械精密零件外觀設(shè)計(jì)的過(guò)程中要詳細(xì)計(jì)算每項(xiàng)內(nèi)容的數(shù)值，才能保證機(jī)械精密零件在設(shè)計(jì)外觀時(shí)的準(zhǔn)確性。