光学三维扫描系统在模具制造中的应用

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摘要：目前数字化模型的获取成为技术发展瓶颈。

三维光学扫描技术可以对不规则曲面部分的数字特征进行获取，经过数据处理最终得到数字化模型。

随着数字化装备制造技术的发展，数字化模型的获取成为技术发展瓶颈。

三维软件造型技术虽然能过在一定程度上解决这一问题，但是由于检测手段局限，一些问题仍无法解决，尤其是不规则曲面部分的数字特征，不借助特殊的仪器无法完成，光学三维扫描就是目前应用较为广泛的技术手段。

本文以模具开发过程为例介绍光学三维扫描技术在曲面数字特征取得过程中的应用。

关键词：光学三维扫描；数字模型；数据处理
一、前期准备
完成标定后的系统可以用来检测工件了，但是为了扫描效果更好，取得的点云数据更密集且精度高，扫描之前需要在工件表面喷
显影剂，因为这样会是系统收到更多的漫反射光，显影剂喷完后，接下来就是粘贴标志点，这些标志点是中心带白点的黑点，背面有不干胶，可以方便地粘到工件表面，再粘贴标志点时，根据工件表面调整密度，在比较平缓的表面贴的比较少，在较陡峭的表面则需要密集一些，这样能使扫描的曲面精度更高，因为一个工件的表面不可能一次扫描得到，在两各扫描视野交界部位需要密集一些，这样在两次扫描时点云数据对接定位精度高，遵循了这些原则处理完的工件如图5所示。

二、扫描工件
做好初期准备工作后，就可以进行扫描工作了，调整工件姿态，使其在一个姿态下能尽量多的扫描到表面，调整扫描镜头使其到工件的距离在1m左右，扫描窗口如图6所示，打开系统和投影，然后按回车键，投影仪发出栅格光线并在工件表面平移，大概3秒钟后，栅格光消失，在窗口工作页面出现当前视野内工件的部分表面点云数据。

栅格光照射在工件表面上，其栅格宽度随工件表面远近凸凹而变化，三维光学扫描系统就是利用了这一现象，根据栅格宽窄变化计算深浅凸凹。

在掃描完一个视野后，移动扫描设备到下一个视野，移动时注意与上一个位置的视野有3个以上的重叠标志点，以便于计算机拼接点云数据，扫到的点与数据如图所示，从各个不同的视野扫描得到的点云数据用不同的颜色加以区别，根据重合的标定点，计算机已经对数据进行了拼接。

拼接精度与软件处理能力以及扫描设备的扫描精度有关，也与视野重叠的标志点个数有关，所以再扫描时，注意扫描标志点的选取，另一方面还要注意扫描效率，过多的重叠会增大数据量，这势必造成数据处理速度降低，噪点也会相应增多，为后期数据处理增添麻烦，幅面太多也会增加扫描次数，降低工作效率。

三、数据处理
扫描得到的点云并不适合于直接用来造型，这是因为：一方
面，虽然一个截面内的测量点理论上应该在一个平面内，但由于测量机的误差及其它因素的影响，所得数据点的坐标值可能会有少量偏差。

用这样的一些点来直接造型，显然不能满足要求。

生成的曲线可能不光顺，而且不在同一个平面内，从而使最终的表面不符合要求，因此应当对读入的点进行处理。

这个环节也是反求建模的一个重要环节，常用的点云处理软件有Imageware、Raindrop、GeomagicStudio、Paraform、ICEMSurf、CopyCAD等，但是不管是哪一款软件，在数据处理中，过程都离不开坏点
去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割等几个步骤，由于扫描过程不可避免会引入测量误差，尤其是尖锐边角和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。

坏点又称跳点，属于噪点的范畴，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数据失真。

坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先就是要去除数据点集中的坏点。

当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率较小处还会影响曲面的光顺性。

因此，在进行曲面重构前，需要建立数据的空间邻域关系和精简数据。

在均匀精简方法中，通过以其中一点定义采样立方体，求立方体内其余点到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。

在精简时要注意到：精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合数据的后续处理。

点云经过降噪，精简后进入创建多边形环节，不同的软件操作方法大体相同，三角片格式是tl文件，用于表示三角形网格的一种文件格式。

它的文件格式非常简单，只表达三维物体形状，不表现颜色等其它特征，占用空间小，应用很广泛。

由于测量机的限制，得到的数据会存在一些探头无法测到的区域，另外实物零件中存在表面缺口、孔洞及沟槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白，影响曲面的逆向建模。

为了能保证数据完整，需要对这些空白位置进行填充，在点云处理软件中最常用的是目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有曲线、曲面插值补充法等。

针对于GeomagicStudio软件讲解一下补洞过程，补洞窗口如图所示，针对于不同的孔洞形式，补洞式也有所不同，
另外，还可以利用公差选项来执行简化，选择公差后，标明公差范围，和三角面处数量的低限，软件会计算出一个比较适合的面片数量。

同样还
是要观察物体衰减后的的表面质量，如果表面细节损失很多的话，就适当
的把公差值调小，把三角面片低限调大些扫描数据因为物体本身的光反射
效果，表面大多数都是精糙的。

不是平滑的，Gomagic软件有三种平滑方式。

分别是砂纸、减少噪音和松驰。

因此我们需要用到光滑命令，如果在
处理点云的时候砂纸对话框的可选项目只有松弛和清除两项，松弛是将表
面三角面片数据移动位置与其它面片数据曲率连续。

而清除是将表面数据
删除，并且改变区域内数据形状来实现数表据表面的曲率连续。

具体操作
方法就是用光标在粗造区域上涂沫。

清除和松驰在平缓区域进行平滑时驱
别不太，而在死角，拐点位置平滑时，清除命令更优于松弛命令。

经过这一系列的处理，我们得到了工件的tl模型如图，得到的模型
可以在ug打开，把小平面实体加厚处理，就可以进行模具设计了。