由激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立飛機(jī)葉輪三維模型的方法研究

沈永華　倪俊芳

摘 要：逆向工程是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，加工和創(chuàng)新的一種新方法。本文研究和分析了逆向工程過程中獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，研究了通過葉輪激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和表面重建的過程，建立了葉輪三維模型的過程，結(jié)合飛機(jī)葉輪的反向示例，可以實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)到飛機(jī)葉輪的實(shí)體模型的建立。

關(guān)鍵詞：逆向工程;飛機(jī)葉輪曲面;重構(gòu)三維模型

引言

葉輪是指帶有活動葉片的轉(zhuǎn)子，葉輪的葉輪的組件，以及輪盤和已安裝的旋轉(zhuǎn)葉片的總稱。葉輪可根據(jù)其形狀以及打開和關(guān)閉條件進(jìn)行分類，在飛機(jī)葉輪的設(shè)計中，由于葉輪平面的幾何復(fù)雜性，在飛機(jī)葉輪的設(shè)計中，由于葉輪平面的幾何復(fù)雜性，建立飛機(jī)葉輪的三維模型成為一個費(fèi)時，費(fèi)力的工作，技術(shù)難度高。

逆向工程是一種工程方法，用于數(shù)據(jù)測量，擬合，CAD模型的重建，分析，設(shè)計的改進(jìn)以及對現(xiàn)有物理原型的新產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)現(xiàn)。它是近年來開發(fā)的一系列分析方法，用于消化和吸收先進(jìn)的A應(yīng)用技術(shù)的組合。它以現(xiàn)有產(chǎn)品或技術(shù)為研究對象，并以現(xiàn)代設(shè)計方法論，材料科學(xué)，工程學(xué)，計量學(xué)和其他相關(guān)理論知識為基礎(chǔ)，分析和掌握關(guān)鍵形狀和制造工藝技術(shù)，最終將實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)物體的識別，復(fù)制和創(chuàng)造性發(fā)展。

傳統(tǒng)上，飛機(jī)葉輪零件的建模是基于流體動力學(xué)理論作為建模的理論基礎(chǔ)。對葉輪的吸力和壓縮面進(jìn)行了數(shù)值計算，并繪制了葉輪曲線方程來模擬表面。在設(shè)計的趾部，表面復(fù)雜，映射周期長，逐漸從葉片退出。歷史舞臺。為了減少葉輪設(shè)計的難度，現(xiàn)代設(shè)計在縮短開發(fā)周期，降低成本的基礎(chǔ)上，試圖提高葉輪設(shè)計的可靠性。逆向工程可以完美地解決葉輪的存在。很難使用輪廓的特殊復(fù)雜部分的映射，這很難表達(dá)其結(jié)構(gòu)和尺寸問題，并且相對容易快速復(fù)制，優(yōu)化和升級這些部分然后進(jìn)行創(chuàng)新。

但是通過逆向工程獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有海量數(shù)據(jù)、處理時間長、局部數(shù)據(jù)缺失、高冗余、點(diǎn)密度稀疏、離散的特點(diǎn)。從解決實(shí)際工程應(yīng)用方面考慮，本文利用激光掃描儀進(jìn)行飛機(jī)葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，得到葉面上大量離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并利用八叉樹算法建立點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系利于數(shù)據(jù)查詢處理，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去燥，插補(bǔ)等數(shù)據(jù)處理，使得曲線更精確平滑，最后通過插補(bǔ)方法仿真生成葉輪曲面。

通過以上方法重構(gòu)三維模型檢測分析表明，基于八叉樹與插補(bǔ)相結(jié)合的方法為激光掃描數(shù)據(jù)的葉輪重構(gòu)提供了一種準(zhǔn)確、快速的反求方法。這樣得到計算機(jī)或數(shù)控設(shè)備易識別的飛機(jī)葉輪三維模型。

1 葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

逆向工程中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，也稱為目標(biāo)對象表面的數(shù)字化，是指對象的每個表面上由測量設(shè)備或儀器測量的幾組點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)某些測量方法。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集是逆向工程的第一步，該技術(shù)的質(zhì)量直接影響原型樣品描述的完整性和準(zhǔn)確性，從而影響最終構(gòu)建的實(shí)體CAD模型的質(zhì)量。隨著諸如激光技術(shù)，傳感技術(shù)和控制技術(shù)的相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)字測量方法。根據(jù)這些測量方法的特性和應(yīng)用，它們通常可以分為兩類：接觸測量和非接觸測量。圖1顯示了逆向工程中常用的測量方法的分類。根據(jù)測量對象和應(yīng)用的不同，不同的測量方法將產(chǎn)生重大差異。使用哪種測量方法取決于物體表面的形狀，測量速度，精度要求，零件的復(fù)雜性以及其他因素。

接觸測量包括點(diǎn)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，例如普通的三坐標(biāo)測量機(jī)測量，其采集速度較低，通常僅適用于零件的表面形狀檢測，或表面數(shù)字化需要較少數(shù)據(jù)的場合;連續(xù)數(shù)據(jù)采集，例如接觸式掃描測量它的采集速度很快，因此可以收集大規(guī)模數(shù)據(jù)測量，接觸測量使用探針直接接觸工件表面，其測量精度與工件表面的顏色，曲率和反射特性無關(guān)，由于接觸式探針技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成熟，接觸式測量方法具有精度高，操作簡便，抗干擾性好，成本低的特點(diǎn)。但是，它也有缺點(diǎn)，例如損壞了工件某些重要部分的表面精度，補(bǔ)償了探針半徑以及測量速度慢，非接觸式測量方法包括掃描測量，激光三角測量，快速輪廓視覺測量等，非接觸式測量不需要與被測物體的表面直接接觸，并且收集的數(shù)據(jù)會通過諸如光，聲波或電磁場之類的介質(zhì)傳輸，非接觸式測量的精度主要取決于傳感器的靈敏度，飛機(jī)葉輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過非接觸式和接觸式采集數(shù)據(jù)的組合獲得。采集順序?yàn)椋菏紫炔捎媒佑|數(shù)據(jù)采集方法，獲得飛機(jī)葉輪表面輪廓主要可測尺寸的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后，通過使用非接觸式測量方法，很難直接測量飛機(jī)葉輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一部分，由于飛機(jī)葉輪的輪廓更加復(fù)雜，因此很難在同一坐標(biāo)系中測量工件的所有完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此，飛機(jī)葉輪應(yīng)分為幾個要測量的區(qū)域，以便于測量，并且可以移動CMM測量機(jī)或工件，獲取不同方向的工件3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將多視圖數(shù)據(jù)對齊以構(gòu)造飛機(jī)葉輪的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了便于隨后的數(shù)據(jù)對齊，在實(shí)際測繪過程中，應(yīng)將一定數(shù)量的標(biāo)簽參考點(diǎn)連接到要測試的飛機(jī)葉輪表面。使用光學(xué)非接觸式測量時，測量光可能無法到達(dá)工件的某些表面，并且缺少某些幾何特征信息，從而導(dǎo)致不完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，因此，有必要調(diào)整工件的位置并轉(zhuǎn)動測量臂以找到最大的位置。良好的測量角度，避免測量盲角。同時，應(yīng)將工件放置在光線不太亮的地方，以防止測量時產(chǎn)生噪音。另外，為了防止工件的反射系數(shù)影響數(shù)據(jù)采集，有必要在工件表面上施加白色顯影劑以達(dá)到獲得高質(zhì)量點(diǎn)云的目的。

2 云數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，稱為原始數(shù)據(jù)，它含有大量冗余數(shù)據(jù)而且分屬于獨(dú)立的各測站。因此需要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)數(shù)量變少、質(zhì)量提高，便于下一步操作處理，預(yù)處理流程如下所示。

（1）點(diǎn)云去噪，可以通過人機(jī)互助的方式將明顯噪聲點(diǎn)云數(shù)據(jù)除去，常用的軟件有Cyclone、Geomagic Studio、Ployworks等;（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，通過掃描儀自帶的軟件結(jié)合標(biāo)靶數(shù)據(jù)，將各站的數(shù)據(jù)拼接到一起;（3）坐標(biāo)系統(tǒng)一，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接把各站坐標(biāo)系統(tǒng)一成為一個坐標(biāo)系，這個坐標(biāo)系可以是某一站的獨(dú)立坐標(biāo)系或者是與當(dāng)?shù)芈?lián)測的地方坐標(biāo)系;（4）數(shù)據(jù)簡化，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，加上拼接后產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，常用的簡化算法有：包圍盒算法及改進(jìn)算法、基于掃描線的數(shù)據(jù)壓縮算法、減少模型中多邊形數(shù)量的方法。數(shù)據(jù)簡化可以通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件完成如Geomagic Studio，或者通過算法編程實(shí)現(xiàn)。

3飛機(jī)葉輪三維建模

以預(yù)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，飛機(jī)葉輪三維建模的方法主要有三種，即幾何建模、三角網(wǎng)建模、曲面建模，下面分別用不同方法進(jìn)行建模。

3.1 幾何建模

幾何建模是將飛機(jī)葉輪的輪廓線構(gòu)成線框模型或者實(shí)體模型，目前常用的建模軟件為Auto-CAD、3dsMax，幾何建模基于這兩種軟件進(jìn)行三維建模。以AutoCAD為平臺的建模方法，其主要過程為：（1）將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，以*.dxf格式分塊輸出;（2）在AutoCAD軟件中提取飛機(jī)葉輪輪廓線上的掃描點(diǎn)，將這些點(diǎn)擬合成輪廓線或者先擬合成平面，然后從相鄰兩個平面中提取輪廓線;

（3）利用提取的輪廓線組合成三維線框模型，然后用相關(guān)操作命令生成三維實(shí)體模型。以3dsMax為平臺的建模方法主要過程為：

（1）在Cyclone軟件中量取飛機(jī)葉輪各個構(gòu)件的三維尺寸，生成二維線劃圖;

（2）將二維線劃圖導(dǎo)入到3dsMax軟件中，對于比較規(guī)則的部分，使用線性回歸分段擬合的方法進(jìn)行建模;對于不規(guī)則部分使用旋轉(zhuǎn)、放樣、拉伸等方法建模。幾何建模一般對規(guī)則飛機(jī)葉輪進(jìn)行平面擬合效果較好，而對于不規(guī)則飛機(jī)葉輪的曲面擬合效果不好。

3.2 三角網(wǎng)建模

三角網(wǎng)建模是一種三維表面模型重建方法，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的、不規(guī)則的、拓?fù)潢P(guān)系不明確的，不能直接構(gòu)成物體真實(shí)表面，因此需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造成網(wǎng)格，然后得到構(gòu)成拓?fù)潢P(guān)系的真實(shí)表面，最后得到物體的三維表面模型。

構(gòu)造成網(wǎng)格的算法有很多種，常見的且有效的是Delaunay三角剖分法，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio、Ployworks等

基于此方法構(gòu)成三角網(wǎng)模型。

3.3 曲面建模

曲面建模是指用樣條曲面為基礎(chǔ)的建模方法，常用的曲面擬合算法有NURBS曲面算法、Bezier曲面算法、B樣條曲面算法，其中NURBS曲面具有良好的曲面質(zhì)量，它既能表示自由曲線曲面，也能表示規(guī)則曲面，利用NURBS算法進(jìn)行建模步驟為：

（1）利用拓?fù)潢P(guān)系明確的幾何信息，將離散點(diǎn)擬合成曲線或者從三角網(wǎng)模型中提取輪廓線;

（2）以擬合成的曲線或提取的輪廓線為基礎(chǔ)，將其擬合成曲面片，進(jìn)而構(gòu)成曲面網(wǎng)格;

（3）在網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，將曲面片擬合成NURBS曲面，由曲面構(gòu)成立體模型。基于NURBS曲面建模方法構(gòu)建的模型比較逼真，主要應(yīng)用在逆向工程建模、雕塑建模中，其算法雖然復(fù)雜，但在常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中也能實(shí)現(xiàn)，是目前使用較為廣泛的方法。

4 曲面重建

可以將復(fù)雜的CAD3D模型的表面視為具有單個特征的多個簡單面的組合。對工件的原型進(jìn)行數(shù)字處理，以形成一系列隨機(jī)排列的空間離散點(diǎn)，在CAD模型中，通常根據(jù)原型的特征將數(shù)據(jù)點(diǎn)云劃分為不同的區(qū)域，然后分別擬合不同的曲面段，最后采用面間過渡或曲面相交的方法，縫合在一起形成一個完整的整體。

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建表面的方法通常分為兩種：一種是近似方法，另一種是插值方法，以將以一定順序排列的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立到曲面中。在以近似方式重建曲面時，必須首先指定一個允許的誤差值，確定U和V方向上控制點(diǎn)的起始數(shù)量，以最小二乘方擬合曲面，然后將測量點(diǎn)投影到曲面上。點(diǎn)到表面誤差測量誤差量的結(jié)果在指定的允許誤差范圍內(nèi)，以完成表面模擬。當(dāng)測量的數(shù)據(jù)和指定的公差較小或較密時，該操作可能會非常耗時，使用近似擬合曲面的優(yōu)勢在于，擬合曲面不需要通過每個測量點(diǎn)，因此對測量期間生成的噪聲點(diǎn)具有抑制作用。插值方法的結(jié)果是，獲得的點(diǎn)方法，然后使用曲線建立曲面。另一方面，如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含大量噪聲，則這些噪聲點(diǎn)也位于平面的平面上，這會導(dǎo)致較大的誤差。在曲面重建過程中，應(yīng)根據(jù)測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量和精度要求確定方法。葉輪更為復(fù)雜，屬于自由曲面，NURBS和三角形Bézier曲面是自由曲面重建中常用的參數(shù)化建模方法，自由曲面直接與點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合，生成的曲面趨于具有凹凸不平和扭結(jié)，不適合后續(xù)處理，在飛機(jī)葉輪表面重構(gòu)的處理中，可以從點(diǎn)云中分離出單個曲線點(diǎn)云，然后繼續(xù)進(jìn)行曲線擬合，以獲得更高質(zhì)量的邊界曲線，并使用邊界曲線擬合表面以生成表面形狀飛機(jī)葉輪。最后，使用表面檢查工具檢查生成的表面。如果曲面和點(diǎn)云的誤差較大，并且精度未達(dá)到Met，則需要調(diào)整曲面的控制點(diǎn)。在調(diào)整過程中，表面可能會出現(xiàn)諸如不均勻和起皺的現(xiàn)象，因此需要短暫的調(diào)整時間。

5 結(jié)論

逆向工程正被用作產(chǎn)品設(shè)計，開發(fā)和創(chuàng)新的新方法，并已越來越多地應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域。本文分析了逆向工程中點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。研究了通過激光掃描獲得的離散點(diǎn)云三維模型的建立方法，并采用了飛機(jī)葉輪三維模型。重新建立的示例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。