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，正被越來越多的企業(yè)用于快速仿形測量。 標準的掃描測量程序是： 首先在被測物體表面粘貼專用的匹配參考點， 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的空間位置，最后用激光掃描儀進行掃描測量， 并將每次的掃描測量結(jié)果———點云（Points CIoud）依照相應(yīng)的匹配參考點匹配到整個匹配參考點系統(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， 從不同的角度進行次掃描，然后進行相應(yīng)的后續(xù)處理，以保證零件細節(jié)的充分描述，得到較豐滿的點云，以利于后續(xù)反求建模。 但是， 由于零件尺寸較小， 局部特征較細微，如果使用較多的匹配參考點， 有時會遮蓋零件外形的精細特征；同時，由于進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 且該折邊尺寸較小）的部位時，可能找不到足夠多或分布較為合理的匹配參考點，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云上，影響掃描測量點云的完整性。

COMET 激光掃描儀自帶的掃描點云處理軟件COMET PLUS 5.0 具有一項 Free Surface Matching 功能，在處理局部的小細節(jié)時，可以不利用匹配參考點進行掃描點云的匹配， 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)特征進行匹配處理。這種方法雖然可以保證獲得完整的掃描點云， 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準偏差和利用參考點全局匹配標準偏差較大，影響了掃描點云的整體精度。

在利用COMET 400 激光掃描儀進行小件的掃描測量特別是對小件的局部細節(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系統(tǒng)作為匹配坐標系統(tǒng)，將該坐標系統(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系統(tǒng)。在進行小件的掃描測量過程中， 為了避免參考點遮蓋局部特征并保證零件細節(jié)得以充分描述， 使匹配參考點在空間合理分布， 將匹配坐標系統(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匹配坐標系統(tǒng)， 即將被掃描測量零件與匹配參考點坐標系統(tǒng)進行分離， 利用分離出的匹配參考點的合理空間分布， 保證被掃描測量的小型零件的各片掃描點云均利用處理軟件中匹配精度最高的參考點匹配法（Transform to Reference Points ）進行匹配，從而從整體上提高掃描測量點云的質(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坐標系統(tǒng)
（l）選取建立坐標系統(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坐標系統(tǒng)為立體結(jié)構(gòu)， 滿足從不同角度進行掃描測量的需要。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，引起匹配參考點位置的偏移，使輔助掃描測量匹配參考點坐標系統(tǒng)產(chǎn)生畸變， 影響最終的掃描測量點云的匹配質(zhì)量。

（2）粘貼匹配參考點
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坐標系統(tǒng)的物體表面粘貼較多的匹配參考點，盡量保證相鄰兩個匹配參考點的間距為l0cm，使空間相鄰的 3 個匹配參考點為等邊三角形排列，從而建立合理的匹配參考點的空間結(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動，從不同方位掃描測量，將各片點云進行匹配。 進行點云的匹配， 實際就是將測量坐標系的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到被測物體依匹配參考點建立的自身坐標系中（如圖 l 所示）。 其依照參考點進行的相關(guān)矩陣變換為：

由于該坐標變換為非線性問題，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 不同坐標變換示意圖

（3）建立輔助掃描測量匹配參考點
坐標系統(tǒng)利用高精度數(shù)碼相機， 依標準要求的不同角度進行拍攝， 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坐標系統(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）將被測小零件放入輔助掃描測量匹配參考點坐標系統(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坐標系統(tǒng)導(dǎo)入 COMET 400 激光掃描儀應(yīng)用程序 COMET Plus ，按照標準操作要求進行掃描測量。 把各片掃描測量點云進行整體匹配時， 全部利用精度最高的參考點匹配法。 用這種方法可以獲得精度較高的測量點云，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坐標系統(tǒng)可以重復(fù)利用，掃描測量不同的小零件時，無需再貼點和照相建立匹配參考點系統(tǒng)， 可以直接利用備份的輔助掃描測量匹配參考點坐標系統(tǒng)， 按照標準操作要求進行掃描測量，減少了掃描測量的準備時間，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、建立輔助掃描測量參考點匹配坐標系統(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坐標系統(tǒng)產(chǎn)生畸變， 影響點云的匹配質(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， 避免點云中包含較多噪聲點。

3案例驗證
以圖 2 所示的零件（轎車車身發(fā)動機艙內(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行掃描測量， 在進行小折邊的處理時，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， 使得匹配參考點成近似線性排列（圖 3）， 造成局部點云向整體參考點系統(tǒng)匹配時的轉(zhuǎn)換矩陣為病態(tài)， 使該片掃描點云不能正確進行甚至無法進行整體的匹配， 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， 而在輔助物體建立的匹配參考點系統(tǒng)上， 匹配參考點可以按照匹配要求，完全實現(xiàn)至少有 3 個匹配參考點為大三角形分布，實現(xiàn)局部掃描點云進行全局匹配時，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，以強化對關(guān)鍵零件局部細節(jié)的掃描測量，可以避免不必要的重復(fù)掃描測量次數(shù)，減少掃描測量點云的數(shù)據(jù)量，利于后續(xù)的點云處理與建模。

采用本辦法與傳統(tǒng)方法獲得的匹配精度標準偏差見表 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坐標系統(tǒng)進行小件測量的方法具有以下特點：

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

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

（3）提高了一次掃描測量的成功率，減少了開機時間，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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