三维曲面网状冲压件逆向建模的研究(一)

三维曲面网状冲压件逆向建模的研究(一)

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三维曲面网状冲压件逆向建模的研究(一)

2022-03-17

阮诗颂1,王渊明2,裴永生1

燕山大学车辆与能源学院,河北秦皇岛066004;2·秦皇岛烟草机械有限责任公司,河北秦皇岛0660)

摘要:探索运用逆向工程来构建三维曲面网状冲压件的三维数学模型。该方法使用激光三坐标扫描测量仪对三维曲面网状冲压件进行非接触式测量,得到三维曲面网状冲压件的点云数据,再运用Geomagic对点云完成数据拟合,得到三维曲面网状冲压件的数字化模型。

相比于以三坐标测量机(CMM)为代表的传统测量网状冲压件三维坐标的接触式坐标测量方法存在的测量速度慢、测量精度不高的不足,激光三坐标扫描测量仪测量的速度更快,测量的精度更高。

且Geomagic对点云完成数据拟合得到的数字化三维模型更贴合实际的模型,表明该方法切实可行。

关键词:逆向工程;激光三坐标扫描;点云数据拟合;网状冲压件;Geomagic

DOI:10· 13330/j· issn. 1000·3940· 2018· 02· 030 中图分类号:TG301 文标识码:A 文章编号:1佣0 ·3940(2018)024182 £4

Research on reverse modeling Of 3D curved mesh stamping part

Ruan Shisong,Wang Yuanmmg Pei Yongsheng

(I. College of Vehicles and Energy,Yanshan University,Qinhuangdao 0660,China;2.Qinhuangdao Tobacco Machinery Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066004,China)

Abstract:The three-dimensional mathematical model of 3D mesh stamping part constructed by reverse engineering was explored. In this method the 3D mesh stampmg part was non-contact measured by laser three-coordinate scanning measuring instrument,and the point cloud data of 3D mesh stamping part was obtained. Then the data fitting for point cloud was completed by Geomagic,and the digital model for 3D mesh stampmg part was obtained. Compared to disadvantages of slow speed and poor accuracy of the traditional contact measurement for 3D mesh stamping parts,such “ the three-coordinate measurmg machine(CMM),the speed is faster and the precision is higher by the laser three-coordinate scanning measuring instrument. In addition,the digital 3D model data fitted by Geomagic is closer to the actual model which showes the feasibility of the proposed method.

Key words:reverse engmeenng;laser three-coordinate scanning;point cloud data fitting;mesh stamping part;Geomagic

随着工业对复杂曲面设计要求的增加以及轻量化的要求,有些薄板冲压件开始采用网状冲压件,如图1所示。

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在构建网状冲压件数字化三维模型问题上,传统的建模方法已经不能满足工业设计的要求,因此逆向工程应运而生。

逆向工程也称反求工程,是根据实物模型测得的数据构造出数字化三维模型,继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造,并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或优化,以满足展开研究,主要包括激光三坐标扫描仪的扫描过程以及利用点云数据对三维曲面网状冲压件曲面的拟合过程,最后得到合理的三维模型。

1激光三坐标扫描仪

传统测量网状冲压件三维坐标的方法是以CMM 为代表的接触式坐标测量仪,但是该设备测量速度漫,容易划伤物体表面并且存在接触压力和半径补偿等问题。

三维激光扫描仪可以获取实物模型的三维坐标信息而不用接触构件表面,避免了在高精度后续的加工要求,其是从数字化点的产生到数字化三维模型的一个推理过程

因此,发现本文针对曲面网状冲压件采用逆向建模的方法,就非数字化的三维曲面网状冲压件的建模过程测量中测量力带来的系统误差和随机误差,且可方便实现对软质和超薄形物体表面形状的测量[ 3 ]。

激光三坐标扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特征,在注重测量速度和操作简便的同时保证了测量的综合精度,是一个多技术集成的测量系统 。

产匕户采用非接触式主动测量的方式,主要采用脉冲测距法获取被测物体表面点集的坐标信息,最终模型各点坐标信息以点云的形式呈现,从而为逆向处理软件提供被测物体的点、线、面以及体的三维坐标信息[ 5 ]。

三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动,决定激光束出射方向,从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描,能够方便快捷地获取被测件的点云数据2激光三坐标扫描仪标定过程

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2· 1标定前准备工作

相机参数标定是整个扫描系统精度的基础,在扫描系统安装完成后,第1次扫描前必须进行标定。另外,在扫描系统长时间未使用或经过撞击、振动等情况下也必须进行标定标定步骤如下。

(1) 先启动专用计算机上的扫描系统,使扫描系统预热5一10 min,确保扫描状态与标定状态尽可能接近,之后启动软件系统。

(2) 相机参数调整。通过“调整相机参数"对话框中的曝光、增益与对比度来调整亮度,并观察相机实时显示区,以便得到满意的图像质量。

(3) 调整扫描距离。打开标定界面时,相机实时显示区会显示一个白色的“十"字,将相机实时显示区划分为2个等面积的区域,这时光栅投射器会投出一个黑色的“十"字,这样会在一个区域内出现两个“十"字,将标定板放在视场中央,通过调整硬件系统的高度及俯仰角,尽量使这2个 “十"字重合。

(4) 调整标定板。根据界面左上角的指示操作,开始标定。每个步骤都要注意左侧标志点提取显示区,使板上的99个点均处于视场内,且至少88个点提取成功才能进行标定操作。

2· 2光栅投射器标定

光栅投射器标定共分6个步骤完成。

(1) 标定板正对光栅投射器水平放置,放置方向为距离最近的并使面上有较近距离的2个白点的面向上放置,将标定板距设备600 mm,点击“标定操作",完成第1步标定。

(2) 将标定板距设备640 mm,点击“标定操作",完成第2步标定。

(3) 将标定板距设备560 mm,点击“标定操作",完成第3步标定。

(4) 标定板的放置方向水平转过90。,距离最近的2个相邻大点一侧向右放置,将标定板距设备 600 mm,满足条件后点击“标定操作",完成第4 步标定。

(5) 标定板的放置方向顺时针转过90。,距离最近的2个相邻大点一侧向下放置,将标定板距设备600 mm,满足要求后点击“标定操作",完成第 5步标定,标定板的放置方向顺时针转过90。

距离最近的两个相邻大点一侧向左放置,将标定板距设备600 mm,满足条件后点击“标定操作",完成第6步标定。

2· 3相机标定步骤相机标定共分4步完成。

(1) 标定板正对相机,标定板的放置方向为顺时针旋转90。,距离最近的2个相邻大点一侧向上放置,将标定板距设备600 mm,满足条件后点击 “标定操作",完成第7步标定。

(2) 标定板正对相机,标定板的放置方向为顺时针旋转90。,距离最近的2个相邻大点一侧向右放置,将标定板距设备600 mm,满足条件后点击 “标定操作",完成第8步标定。

(3) 标定板正对相机,标定板的放置方向为顺时针旋转90。,距离最近的2个相邻大点一侧向下放置,将标定板距设备600 mm,满足条件后点击 “标定操作",完成第9步标定。

(4) 标定板正对相机,标定板的放置方向为顺时针旋转90。,距离最近的2个相邻大点一侧向左放置,将标定板距设备600 mm,满足条件后点击 “标定操作",完成第10步标定。

完成光栅投射器和相机的标定后,软件系统会自动对采集到的图像进行处理与计算,并在标定信显示区给定标定结果,自此,即完成了全部的标定工作

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