模具逆向工程中的对象数字化技术

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一、引言

逆向工程广泛应用于飞机、汽车、医疗设备、工艺品、玩具等模具设计中。逆向工程图根据现有的产品或模型，通过数字化测量设备取得产品或模型的云状数据，再利用云状数据通过曲面重构获得产品或模型的数据模型，从而为创新设计提供基础。

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二、数字化方法

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目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其工作原理也各不相同。各种测量方法的具体分类如图1所示。

图1 数字化方法的分类

在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用最广泛的一种测量设备。而在非接触式测量方法中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。

三坐标测量机的测量精度高，对环境(如：温度、湿度、防震等)要求也高，接触法测量的测头在工件上要逐点测量，所以测量速度较慢，三坐标测量机一般用作零件的形位误差检测。另外，被测工件的材质也不能过软，因此，现在三坐标测量机一般较少用于逆向工程中的表面数字化测量。

三角法是根据光学三角形测量原理，利用激光光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据，是目前应用较广泛的一种方法。可分为点光源、线光源和面光源测量法。该测量方法使用方便，运算速度也快，因而广泛应用在逆向工程测量中。但是，该测量方法在应用上有许多定位参数要求，对于大型工件的测量不够方便。

结构光法：结构光三维视觉在对景物或物体三维信息提取中占有重要地位，产品已经非常成熟。在航空摄影中有广泛的用途，现在也在工业界广泛应用，ATOS测量系统是这种方法的典型代表。其他的表面数字化方法由于受到各方面条件的限制，在工业产品逆向工程中应用不够成熟，现在应用还较少。下面以结构光法为例，介绍船用螺旋桨模具设计中的表面数字化方法。

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三、螺旋桨的表面数字化方法

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1. 仪器介绍

采用德国GOM公司的ATOS400型三维光学扫描仪。仪器的扫描精度为5~50um;仪器的测量范围：175㎜×140㎜~1700㎜×1360㎜；点云密度：0.035~1㎜(在1.2m×0.96m测量面积)；该测量系统可以在1min内完成一幅包括430000个像素点的图像的测量，精度达0.03㎜。

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2. 仪器工作原理

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仪器由1个光栅投射器、2台1300000像素的数码摄像机和1台工作站计算机组成。

仪器采用非接触式几何光学法测量微型元件的形貌轮廓，运用条纹结构光经由投射器将条纹光栅投射至待测物表面，再以CCD摄影机作取像动作，最后合并格雷氏编码与相位移法计算得到其绝对相位，配合三角测量原理便可得到待测物三维形貌轮廓。

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这种方法采用光学投射器将光栅投影于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光栅条纹三维图像(如图2所示)，该三维条纹图像由处于另一位置的摄像机拍摄，从而获得光栅条纹的二维变形条纹图像。条纹的变形程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上，条纹在法线方向的位移(或偏移)与物体表面深度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理突变或间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由变形的条纹图像可以重现物体表面形廓，即可以对物体进行三维表面测量。

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图2 条纹结构光测量法

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图3为结构光成像模型，其中(Xw，Yw，Zw)为世界坐标系，(Xc，Yc，Zc)为摄像机坐标系，(X，Y)为图像坐标系。摄像机坐标系的原点在世界坐标系中的坐标为(Ix，0，Iz)。将世界坐标系下的点变换到摄像机坐标系的点的步骤为：首先作平移[-Ix，0，-Iz]然后绕OcXc轴旋转180°，再绕OcYc轴旋转B角，最后再变换到图像坐标系中。

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图3 条纹结构光成像模型

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世界坐标系与摄像机坐标系坐标变换可用下式来表示：

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设结构光入射平面通过点(0，0，Pz)，其方程为

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图像坐标系与摄像机坐标系变换关系为

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6 i5 O. X" }; ^4 F, o3 J) Y( Q4 F

由关系式(1)、(2)、(3)可以得到被测物体表面上任一点在世界坐标系下的坐标(Xw，Yw，Zw)与图像坐标系的变换关系，即结构光三维成像模型为：

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- u/ `; y8 J4 Q6 q1 o# d% E, f

(4)式中：

) c% D$ \% t: p; Y

其中f为摄像机焦距，Xu、Yu为像素点在图像坐标系中的坐标。

结构光三维成像模型中的Pz、Ix、Iz、H、B、f等的参数值可以通过摄像机标定来确定。

3. 扫描实例

工件为一个塑料制成的螺旋桨模型，

面贴上参考标记点，以便于计算机对多幅照片点云的精确拼合。为了完整地扫描一个三维物体，通常需要从不同的角度多次扫描。为获得完整的工件点云数据，单幅扫描的点云必须合并到统一的坐标系统。扫描时要求每一幅照片都至少要看到不在同一直线上的3点，且后一幅照片必须要看到前一幅照片的至少3个参考点。

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扫描完毕后形成的点云数据可以利用仪器自带的ATOSV5.3.0系统处理，提取工件表面的特征，包括：圆孔，槽孔，矩形孔、槽，边界线，进行拼合、对齐、三角网格化、错误消除、消除碎片、光顺、过滤等的计算，生成三角网格数据，形成stl、igs等文件格式，直接用于快速原型制造，然后设计、制造模具，或导入UG、CATIA或IMAGEWARE等软件重构模型后再设计、制作模具。图5为工件扫描完毕后，将stl格式的数据模型在CATIA软件中进行重构的模型。

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图5 工件的导入CATIA中的STL模型

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四、结束语

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结构光三维扫描具有大量程、大视场、较高精度、光学条纹或结构光特征图像信息提取简单、实时性强及主动受控等特点，近年来在模具设计中得到了愈来愈广泛的应用。同时由于使用高能量光源照明，可以在自然环境下工作，抗杂光干扰能力强。实践证明，采用光栅投影法对三维物体形状进行自动检测，速度快，精度较高，是很有应用价值的非接触光学测试技术，因此在模具逆向工程设计中有广阔的应用前景。