解析 | 基于蔡司 COMET 400 激光掃描儀的小型零件測量方法

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展， 為了適應(yīng)市場的快速多樣化需求，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭力，逆向工程正起著越來越重要的作用。逆向工程（Reverse Engineering，RE）主要由三部分組成：
（1）快速仿形測量技術(shù)；
（2）模型的曲面重構(gòu)技術(shù)；
（3）快速原型技術(shù)。

其中， 快速仿形測量技術(shù)是逆向工程的基礎(chǔ)， 仿形測量數(shù)據(jù)的精度決定著模型重構(gòu)的精度即模型表面再現(xiàn)的質(zhì)量， 測量速度的快慢也在很大程度上影響著逆向工程后續(xù)工作的展開。

蔡司COMET 400 激光掃描儀由于具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，正被越來越多的企業(yè)用于快速仿形測量。 標(biāo)準(zhǔn)的掃描測量程序是： 首先在被測物體表面粘貼專用的匹配參考點(diǎn)， 然后利用照相法確立依照零件形狀合理分布的匹配參考點(diǎn)的空間位置，最后用激光掃描儀進(jìn)行掃描測量， 并將每次的掃描測量結(jié)果———點(diǎn)云（Points CIoud）依照相應(yīng)的匹配參考點(diǎn)匹配到整個匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)中， 即完成該零件外表面的掃描測量任務(wù)。

由于 COMET 400 激光掃描儀的一次有效掃描測量范圍為 420mm X 380mm， 因此在大型零件的掃描測量中可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢； 常規(guī)匹配參考點(diǎn)的有效直徑為 10mm，最大外徑為 15mm，比較適合掃描大尺寸、自由曲面的零件外形。 如果測量尺寸較小的、外形復(fù)雜的零件， 為了得到較好的掃描效果， 需要使用相對較多的匹配參考點(diǎn)， 從不同的角度進(jìn)行次掃描，然后進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理，以保證零件細(xì)節(jié)的充分描述，得到較豐滿的點(diǎn)云，以利于后續(xù)反求建模。 但是， 由于零件尺寸較小， 局部特征較細(xì)微，如果使用較多的匹配參考點(diǎn)， 有時會遮蓋零件外形的精細(xì)特征；同時，由于進(jìn)行掃描測量時對掃描光柵的入射角度有一定的要求， 在掃描測量零件上曲率變化較大（比如折邊角度超過 90 且該折邊尺寸較�。┑牟课粫r，可能找不到足夠多或分布較為合理的匹配參考點(diǎn)，從而影響掃描測量結(jié)果的正確匹配，使局部的掃描結(jié)果無法正確匹配甚至不能匹配到整個掃描點(diǎn)云上，影響掃描測量點(diǎn)云的完整性。

COMET 激光掃描儀自帶的掃描點(diǎn)云處理軟件COMET PLUS 5.0 具有一項 Free Surface Matching 功能，在處理局部的小細(xì)節(jié)時，可以不利用匹配參考點(diǎn)進(jìn)行掃描點(diǎn)云的匹配， 而是利用零件上該處掃描測量區(qū)域的一些明顯的位置結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行匹配處理。這種方法雖然可以保證獲得完整的掃描點(diǎn)云， 但是由于該處自由匹配的精度較低， 使得最終的全局匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差和利用參考點(diǎn)全局匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，影響了掃描點(diǎn)云的整體精度。

在利用COMET 400 激光掃描儀進(jìn)行小件的掃描測量特別是對小件的局部細(xì)節(jié)特征有較高要求的測量時，采用適當(dāng)?shù)霓k法一樣可以得到較為滿意的掃描測量結(jié)果。

2小件測量方法的改進(jìn)及其實現(xiàn)
本方法基于一種換位思考原則， 基本的掃描測量方法是將通過照相法建立的匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)作為匹配坐標(biāo)系統(tǒng)，將該坐標(biāo)系統(tǒng)建立在被掃描測量的零件上，不同的零件具有不同的匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)。在進(jìn)行小件的掃描測量過程中， 為了避免參考點(diǎn)遮蓋局部特征并保證零件細(xì)節(jié)得以充分描述， 使匹配參考點(diǎn)在空間合理分布， 將匹配坐標(biāo)系統(tǒng)建立在非掃描測量零件的表面上， 建立一個輔助掃描測量參考點(diǎn)匹配坐標(biāo)系統(tǒng)， 即將被掃描測量零件與匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分離， 利用分離出的匹配參考點(diǎn)的合理空間分布， 保證被掃描測量的小型零件的各片掃描點(diǎn)云均利用處理軟件中匹配精度最高的參考點(diǎn)匹配法（Transform to Reference Points ）進(jìn)行匹配，從而從整體上提高掃描測量點(diǎn)云的質(zhì)量， 保證了重構(gòu)曲面的光順性要求。

2.1 建立輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)
（l）選取建立坐標(biāo)系統(tǒng)的物體
選取具有良好的空間結(jié)構(gòu)（比如具有較大弧面）的物體，以保證建立的輔助匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)為立體結(jié)構(gòu)， 滿足從不同角度進(jìn)行掃描測量的需要。同時，該物體應(yīng)具有較好的剛度，防止放入被測量零件后產(chǎn)生變形，引起匹配參考點(diǎn)位置的偏移，使輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生畸變， 影響最終的掃描測量點(diǎn)云的匹配質(zhì)量。

（2）粘貼匹配參考點(diǎn)
為了保證小件掃描測量的成功率， 應(yīng)該在建立輔助匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的物體表面粘貼較多的匹配參考點(diǎn)，盡量保證相鄰兩個匹配參考點(diǎn)的間距為l0cm，使空間相鄰的 3 個匹配參考點(diǎn)為等邊三角形排列，從而建立合理的匹配參考點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)。

其根本的依據(jù)在于激光掃描儀的測頭和被測物體要做相對運(yùn)動，從不同方位掃描測量，將各片點(diǎn)云進(jìn)行匹配。 進(jìn)行點(diǎn)云的匹配， 實際就是將測量坐標(biāo)系的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到被測物體依匹配參考點(diǎn)建立的自身坐標(biāo)系中（如圖 l 所示）。 其依照參考點(diǎn)進(jìn)行的相關(guān)矩陣變換為：

由于該坐標(biāo)變換為非線性問題，必須通過多次迭代方法求解。 為了避免轉(zhuǎn)換矩陣無解或出現(xiàn)病態(tài)，基本的 3 個匹配參考點(diǎn)在空間最好為非鈍角三角形分布，以保證轉(zhuǎn)換矩陣有解，提高掃描測量的效率。

圖 1 不同坐標(biāo)變換示意圖

（3）建立輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)
坐標(biāo)系統(tǒng)利用高精度數(shù)碼相機(jī)， 依標(biāo)準(zhǔn)要求的不同角度進(jìn)行拍攝， 將照相結(jié)果輸入專用處理軟件（AICON3D Stucio）處理，通過照相法建立輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。 同時，將該文件備份保存，以便反復(fù)使用。

2.1掃描測量步驟
（l）放置小零件
選取適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄈ缭诰哂行∵吔绲牡胤�，保證周圍有至少 3 個具有等邊三角形結(jié)構(gòu)的匹配參考點(diǎn)）將被測小零件放入輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)（即具有良好空間結(jié)構(gòu)的物體），一經(jīng)放好，在掃描測量過程中二者相互位置不可改變。

（2）掃描測量
將獲得的輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)導(dǎo)入 COMET 400 激光掃描儀應(yīng)用程序 COMET Plus ，按照標(biāo)準(zhǔn)操作要求進(jìn)行掃描測量。 把各片掃描測量點(diǎn)云進(jìn)行整體匹配時， 全部利用精度最高的參考點(diǎn)匹配法。 用這種方法可以獲得精度較高的測量點(diǎn)云，并且可以節(jié)約較多的時間， 提高測量掃描的效率。表 1給出了該方法與照相法在時間分配上的差異。

表 1掃描測量程序時間分配

由于輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)可以重復(fù)利用，掃描測量不同的小零件時，無需再貼點(diǎn)和照相建立匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)， 可以直接利用備份的輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)， 按照標(biāo)準(zhǔn)操作要求進(jìn)行掃描測量，減少了掃描測量的準(zhǔn)備時間，提高了掃描測量的速度和精度。

在具體的操作過程中應(yīng)注意在放置用于粘貼匹配參考點(diǎn)、建立輔助掃描測量參考點(diǎn)匹配坐標(biāo)系統(tǒng)的參照物時應(yīng)避免其受力， 防止輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生畸變， 影響點(diǎn)云的匹配質(zhì)量。為了減少后續(xù)處理的工作量， 也可將該參照物表面涂黑，在掃描測量過程中， 僅掃描出匹配參考點(diǎn)， 避免點(diǎn)云中包含較多噪聲點(diǎn)。

3案例驗證
以圖 2 所示的零件（轎車車身發(fā)動機(jī)艙內(nèi)托板）為例。 該零件基本尺寸為：390mm X 290mm X 30mm，如果按照基本的掃描測量方法進(jìn)行掃描測量， 在進(jìn)行小折邊的處理時，由于該區(qū)域的實際尺寸較小，無法按照三角形規(guī)則粘貼匹配參考點(diǎn)， 使得匹配參考點(diǎn)成近似線性排列（圖 3）， 造成局部點(diǎn)云向整體參考點(diǎn)系統(tǒng)匹配時的轉(zhuǎn)換矩陣為病態(tài)， 使該片掃描點(diǎn)云不能正確進(jìn)行甚至無法進(jìn)行整體的匹配， 影響了掃描測量的精確性和完整性。

采用本方法進(jìn)行掃描測量， 則可以避免上述問題的出現(xiàn)，得到較好的掃描測量效果。 如圖 4 所示：小折邊上不用粘貼匹配參考點(diǎn)， 而在輔助物體建立的匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)上， 匹配參考點(diǎn)可以按照匹配要求，完全實現(xiàn)至少有 3 個匹配參考點(diǎn)為大三角形分布，實現(xiàn)局部掃描點(diǎn)云進(jìn)行全局匹配時，避免了匹配轉(zhuǎn)換矩陣出現(xiàn)病態(tài)， 全部實現(xiàn)使用 Transform to Reference Points 命令， 達(dá)到較高的匹配精度（最終掃描測量結(jié)果見圖 5）。 在掃描測量的同時， 適當(dāng)配合使用 Merge 命令，以強(qiáng)化對關(guān)鍵零件局部細(xì)節(jié)的掃描測量，可以避免不必要的重復(fù)掃描測量次數(shù)，減少掃描測量點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量，利于后續(xù)的點(diǎn)云處理與建模。

采用本辦法與傳統(tǒng)方法獲得的匹配精度標(biāo)準(zhǔn)偏差見表 2，可知應(yīng)用本辦法可顯著提高匹配精度。

結(jié)論

采用本文提出的輔助掃描測量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行小件測量的方法具有以下特點(diǎn)：

（1）不僅可以提高小件點(diǎn)云的整體掃描精度， 而且還可提高掃描測量的速度（不用在小件上進(jìn)行常規(guī)的匹配參考點(diǎn)的粘貼）。

（2）在對不同的小件進(jìn)行測量時，可以重復(fù)使用一個較合理的匹配參考點(diǎn)參考系統(tǒng)， 減少了用照相法建立匹配坐標(biāo)系統(tǒng)的次數(shù)， 縮短了掃描測量的前期準(zhǔn)備時間。

（3）提高了一次掃描測量的成功率，減少了開機(jī)時間，延長了 COMET 400 激光掃描儀的使用壽命。大量小型零件測量實踐證明， 該方法具有可行性，能夠滿足為模型重構(gòu)提供優(yōu)質(zhì)、 高效點(diǎn)云的要求。

作者：彭啟立 李忠學(xué) 陳 杰  （上海交通大學(xué)）

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