解析 | 基于蔡司 COMET 400 激光掃描儀的小型零件測(cè)量方法

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展， 為了適應(yīng)市場(chǎng)的快速多樣化需求,，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，逆向工程正起著越來(lái)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(cè)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(cè)量技術(shù)是逆向工程的基礎(chǔ),， 仿形測(cè)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(cè)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(kāi),。

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(lái)越多的企業(yè)用于快速仿形測(cè)量。 標(biāo)準(zhǔn)的掃描測(cè)量程序是： 首先在被測(cè)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(cè)量， 并將每次的掃描測(cè)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(gè)匹配參考點(diǎn)系統(tǒng)中,， 即完成該零件外表面的掃描測(cè)量任務(wù),。

由于 COMET 400 激光掃描儀的一次有效掃描測(cè)量范圍為 420mm X 380mm， 因此在大型零件的掃描測(cè)量中可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),； 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(cè)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(duì)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(shí)會(huì)遮蓋零件外形的精細(xì)特征,；同時(shí)，由于進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)對(duì)掃描光柵的入射角度有一定的要求,， 在掃描測(cè)量零件上曲率變化較大（比如折邊角度超過(guò) 90 且該折邊尺寸較�,。┑牟课粫r(shí)，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(cè)量結(jié)果的正確匹配,，使局部的掃描結(jié)果無(wú)法正確匹配甚至不能匹配到整個(gè)掃描點(diǎn)云上，影響掃描測(cè)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(xiàng) Free Surface Matching 功能,，在處理局部的小細(xì)節(jié)時(shí),，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(cè)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(cè)量特別是對(duì)小件的局部細(xì)節(jié)特征有較高要求的測(cè)量時(shí)，采用適當(dāng)?shù)霓k法一樣可以得到較為滿意的掃描測(cè)量結(jié)果,。

2小件測(cè)量方法的改進(jìn)及其實(shí)現(xiàn)
本方法基于一種換位思考原則,， 基本的掃描測(cè)量方法是將通過(guò)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(cè)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(cè)量過(guò)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(cè)量零件的表面上， 建立一個(gè)輔助掃描測(cè)量參考點(diǎn)匹配坐標(biāo)系統(tǒng),， 即將被掃描測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量的需要。同時(shí),，該物體應(yīng)具有較好的剛度,，防止放入被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(gè)匹配參考點(diǎn)的間距為l0cm，使空間相鄰的 3 個(gè)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(cè)頭和被測(cè)物體要做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從不同方位掃描測(cè)量,，將各片點(diǎn)云進(jìn)行匹配,。 進(jìn)行點(diǎn)云的匹配,， 實(shí)際就是將測(cè)量坐標(biāo)系的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到被測(cè)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(wèn)題,，必須通過(guò)多次迭代方法求解,。 為了避免轉(zhuǎn)換矩陣無(wú)解或出現(xiàn)病態(tài)，基本的 3 個(gè)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(cè)量的效率。

圖 1 不同坐標(biāo)變換示意圖

（3）建立輔助掃描測(cè)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(guò)照相法建立輔助掃描測(cè)量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng),。 同時(shí),，將該文件備份保存，以便反復(fù)使用,。

2.1掃描測(cè)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?chē)�有至�?3 個(gè)具有等邊三角形結(jié)構(gòu)的匹配參考點(diǎn)）將被測(cè)小零件放入輔助掃描測(cè)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(cè)量過(guò)程中二者相互位置不可改變,。

（2）掃描測(cè)量
將獲得的輔助掃描測(cè)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(cè)量,。 把各片掃描測(cè)量點(diǎn)云進(jìn)行整體匹配時(shí),， 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(cè)量點(diǎn)云,，并且可以節(jié)約較多的時(shí)間， 提高測(cè)量掃描的效率,。表 1給出了該方法與照相法在時(shí)間分配上的差異,。

表 1掃描測(cè)量程序時(shí)間分配

由于輔助掃描測(cè)量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)可以重復(fù)利用，掃描測(cè)量不同的小零件時(shí),，無(wú)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(cè)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(cè)量,，減少了掃描測(cè)量的準(zhǔn)備時(shí)間,，提高了掃描測(cè)量的速度和精度。

在具體的操作過(guò)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(cè)量參考點(diǎn)匹配坐標(biāo)系統(tǒng)的參照物時(shí)應(yīng)避免其受力,， 防止輔助掃描測(cè)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(cè)量過(guò)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(yàn)證
以圖 2 所示的零件（轎車(chē)車(chē)身發(fā)動(dòng)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(cè)量方法進(jìn)行掃描測(cè)量,， 在進(jìn)行小折邊的處理時(shí)，由于該區(qū)域的實(shí)際尺寸較小,，無(wú)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(shí)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(wú)法進(jìn)行整體的匹配,， 影響了掃描測(cè)量的精確性和完整性。

采用本方法進(jìn)行掃描測(cè)量,， 則可以避免上述問(wèn)題的出現(xiàn),，得到較好的掃描測(cè)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(shí)現(xiàn)至少有 3 個(gè)匹配參考點(diǎn)為大三角形分布,，實(shí)現(xiàn)局部掃描點(diǎn)云進(jìn)行全局匹配時(shí),，避免了匹配轉(zhuǎn)換矩陣出現(xiàn)病態(tài)， 全部實(shí)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(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖 5）,。 在掃描測(cè)量的同時(shí)， 適當(dāng)配合使用 Merge 命令,，以強(qiáng)化對(duì)關(guān)鍵零件局部細(xì)節(jié)的掃描測(cè)量,，可以避免不必要的重復(fù)掃描測(cè)量次數(shù)，減少掃描測(cè)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(jiàn)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(cè)量匹配參考點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行小件測(cè)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(cè)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(duì)不同的小件進(jìn)行測(cè)量時(shí),，可以重復(fù)使用一個(gè)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(cè)量的前期準(zhǔn)備時(shí)間。

（3）提高了一次掃描測(cè)量的成功率,，減少了開(kāi)機(jī)時(shí)間,，延長(zhǎng)了 COMET 400 激光掃描儀的使用壽命。大量小型零件測(cè)量實(shí)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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