阐述汽车零件汽车零件三维检测与快速数字化建模工作

论文导读：
摘要：本文通过三维光栅扫描获取汽车挡雨板表面点云数据，并对点云数据做简化和曲面拟合处理，生成通用NURBS曲面。结果显示，曲面-点云标准偏差为0.201071mm，符合高质量曲面重建要求。
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栅扫描点云简化曲面重构＼
1、前言
逆向工程也称反求工程[1-3]，是把实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。它一般包括三维数字扫描、点云数据处理、曲面重构等过程。而通常所说的设计都是正向工程，初始没有实物，先形成设计思想和理念，然后利用正向软件，如CAD、UG NX、PROE、CATIA等进行设计，最后加工成型，属于“从无到有”的过程，遵从“概念设计-产品CAD模型-产品”的过程。
逆向工程工作流程，首先采用三维测量仪对被测物体进行测量，获取测量数据， 然后对点云除噪、点云简化、点云修补、点云拼接和曲面重构，形成连续的平滑曲面，之后和正向软件进行接口，形成数控加工代码，或者通过快速成型工艺和三维打印技术形成产品。

2、常用逆向软件

在专用逆向软件出现之前，CAD模型重建主要利用通用正向软件实现，如UG NX、PRO/E和CATIA等，随着加工精度提高和加工时间的缩短，正向软件不能满足快速正确建模需要，目前应用的逆向软件很多，常见的有Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio和Rapidform等。
Imageware是美国EDS公司专门为逆向工程开发的逆向软件，广泛应用于汽车、航空航天、家电、模具和计算机零部件设计与制造领域，具有强大的测量数据预处理、曲面拟合和精度检测功能，可以处理上百万的离散数据，根据点云数据重建的曲面具有良好的光顺性和连续性，其曲面检测功能可直观显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的偏差以及平面度、圆度等几何公差。CopyCAD是英国DELCAM公司的产品，可以快速编辑数字化数据，在短时间内构造出高质量复杂曲面。Geomagic Studio是美国雨滴公司推出的逆向工程软件，是目前市面上点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，通过点云数据拟合曲面过程快捷，所花费的时间通常只有同类产品的三分之一。Rapidform是韩国INUS公司开发的专业逆向软件，它基于三坐标测量机或三维扫描设备获取的数据点云来构建标准NURBS曲面、曲线和多边形网格，最终获得高精度高光顺的多边形或自由曲面模型。

3、点云获取与曲面重建

3.1 点云数据获取

本文采用三维光栅扫描仪获取物体点云数据。三维扫描仪采用正弦光栅投影到被测三维物体，因物体表面高度不同，光栅条纹被调制，光栅相位发生变化，光栅相位的变化与物体高度之间存在对应关系，通过CCD传感器获取变形光栅图像。经过图像卡进行图像处理和传输给计算机，再经过解相和相位展开[4-6]等处理，最终形成点云数据。
图1是使用三维光栅测量仪器获取的某汽车挡雨板的点云图。点云数据处理是逆向工程的核心环节，包括去除噪声、点云简化、数据平滑、数据分块、点云拼接等。下面重点讨论点云数据预处理中的点云简化和曲面重构内容。
图1 汽车挡雨板点云数据

3.2 点云简化

在逆向工程中，非接触扫描方法可快速获取复杂型面零件的几何表面数据，但所获取的测量数据点云密度大，需要很大的存储空间，同时降低了数据处理效率。在利用数据点云进行曲面拟合、三角网格构造或者用于评价被测曲面的误差时，一般都不需要过密的数据点，特别是被测曲面曲率较小处，在重构曲面时，过密的点云不但计算量大，而且可能影响其光顺性，同时存储、处理和显示都将消耗大量的时间和计算机资源，必须对测量数据进行数据简化处理。
下图是使用点云处理Cloudform软件对点云进行简化的效果，汽车防雨板原始点云共有49800个点，如图1所示，经过精简后点云个数为9507个，如图2所示。
图2 汽车挡雨板简化后点云（9507个离散点）

3.3 曲面重建

三维CAD模型的重构[7-10]是反求工程的本质和最终目的，是后续产品加工代码生成、快速成型和精度分析基础，是逆向工程过程中最关键和最复杂的环节。
曲面重构是通过对离散点云数据进行插值和拟合，构建数字化曲面逼近初始模型。曲面建模主要有两大类，一种是以三角Bezier曲面构造方法，一种是四边域NURBS 曲面构造方法。Bezier曲面拟合具有方法灵活和可调性好优点，在不规则曲面重建中有应用较多。缺点是重建的曲面不能和三维正向软件进行数据接口，Bezier曲面必须转换为四边界有理B样条曲面才能实现数据衔接，从而带来重建误差。四边界NURBS曲面重建方法具有通用性强、曲面精度高和曲面光顺性好等特点，是目前应用最多的曲面重构方法，也是本文所采用的方法。NURBS曲面重建流程如图3所示。
依据图3所示工作过程对简化后的点云数据进行曲面重建处理，所获取的曲面模型如图4所示。从图4可看出，所重构的曲面具有良好的曲率连续性和光顺特性。对NURBS重构曲面进行误差分析，图5为曲面重构误差分布图，曲面-点云最大偏差为0.696739mm，最小偏差为0.129019mm，标准偏差为0.201071mm，符合高质量曲面重建要求。
4、结语
通过三维光学扫描仪对某汽车零件进行快速扫描，获取物体大量离散点云数据，通过专用逆向软件实现了数据简化和曲面重建，将被测型面转化为数字化模型，实现了某一汽车零件的快速数字建模，提高了产品设计和制造效率。
参考文献
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