范成博，張夢夢，劉繼強，陳雨情，李麗娟，侯茂盛

（1. 長春理工大學 光電工程學院 光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，吉林 長春 130022；2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

引言

近年來由于模型定義、數(shù)字孿生等技術在我國制造業(yè)的拓展和深入，先進裝配制造技術領域朝著數(shù)字化、智能化和柔性化方向不斷發(fā)展。對于飛機制造業(yè)而言，機械臂、激光跟蹤儀等數(shù)字化設備已在國內(nèi)主要先進制造企業(yè)得到廣泛應用。在日趨激烈的競爭環(huán)境下，各先進制造企業(yè)如何通過數(shù)字化設備來提高產(chǎn)品精度，如何提高生產(chǎn)效率就成為各企業(yè)所關注的核心問題。對于飛機裝配的定位問題，小型連接件約占飛機零件總數(shù)的30%，數(shù)量極為龐大，外形多樣且裝配工藝繁多，但目前卻仍采用固定夾具，量尺劃線，鉆鉚模板等人工裝配方式[1]。上述加工裝配方法存在著定位精度低、效率差等問題。這些問題是目前先進制造裝配業(yè)中亟待解決的技術瓶頸。

激光掃描投影技術是將零部件的三維CAD 數(shù)模，通過驅(qū)動二維振鏡掃描系統(tǒng)使激光器出射的光線被快速轉(zhuǎn)折，繪制出由激光線快速循環(huán)掃描形成的零部件外形輪廓線框。其利用激光在待安裝和加工區(qū)域掃描形成的清晰、明亮的零部件輪廓線框，幫助技術人員得到更加直觀和實用的信息，使其操作更加精確、高效。這種方法有效地將數(shù)據(jù)模型與實際制造和裝配銜接起來[2-3]。

長春理工大學在激光掃描投影技術方面已進行了多年的研究，完成了基于四元數(shù)法的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法的研究，提高了所研制激光掃描投影系統(tǒng)的校準精度[4]，可實現(xiàn)對3D 投影空間進行智能定位分析[5]，并應用反遠距結(jié)構(gòu)提高動態(tài)自聚焦精度要求[6]，采用Fleury 算法優(yōu)化了投影路徑[7]。本文為了使自主研發(fā)的激光掃描投影系統(tǒng)可直接讀取三維數(shù)模，更快速智能地實現(xiàn)激光掃描投影，研究了一種多特征圖元提取與投影文件自動生成方法，可以直接獲取CAD 數(shù)模中掃描投影輪廓線框圖形所需的點、線、面等特征數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析處理形成激光掃描投影控制文件。

1 IGES 文件分析

IGES（Initial graphics exchange specification，初始圖像交換規(guī)范）作為一種CAD/CAM 間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換文件方式被普遍接受。通過這種文件的結(jié)構(gòu)與使用數(shù)據(jù)和字符串的表達方式，可對幾何及非幾何產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行規(guī)定[8]。

1.1 IGES 文件格式表述

IGES 的整個文件由若干行組成，每行固定有80 個字符，行數(shù)任意，采用二進制格式[9]。

IGES 文件一般由五、六個部分構(gòu)成，每一部分的行數(shù)各異，各部分的標志都被記錄于該行文字的第73 個字符上，這些標志來源于英文釋義首字母，如目錄條目段（directory entry section）的數(shù)據(jù)便采用目錄的英文首字母D 來標記，用P 對參數(shù)數(shù)據(jù)段（parameter data section）進行標識，結(jié)束段（terminate section）會以字母T 來注明[10]。

目錄條目段的作用如同一本書的目錄索引一樣，引導讀者于數(shù)據(jù)段查找對應信息，該段記錄了圖形的種類與數(shù)據(jù)的編號等。

參數(shù)數(shù)據(jù)段記錄了如三維坐標，繪制形式等所繪實體的數(shù)據(jù)參數(shù)，按照繪制種類，參數(shù)坐標的順序排列。

結(jié)束段位于文末對其他段落行數(shù)進行交代。

1.2 IGES 文件的具體解析方法和流程

IGES 文件中描繪框圖的數(shù)據(jù)信息被盡數(shù)記錄于目錄段和參數(shù)段。其中目錄段記錄了該圖形中所有實體的基本屬性信息。每個實體信息需占據(jù)兩行目錄條目段來記錄，記錄次序為任意的，表1列出了目錄段各條目信息[11-12]。

表 1 目錄條目段數(shù)據(jù)信息Table 1 Data information of directory entry segment

其中實體類型號是對實體類型進行編碼，用以區(qū)分不同實體，參數(shù)數(shù)據(jù)起始號即為該數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)段的首行號；層為該實體所占據(jù)的圖層號，二維圖形的圖層為0；變換矩陣是指2 個坐標系下對圖形進行映射的矩陣指針號，不需要變換矩陣時其值為0；狀態(tài)號是由4 個雙字節(jié)來表征其可見、從屬、使用、標志屬性；線寬為所繪制線段可見寬度，其最值受限于全局段，最小值為0；顏色號為區(qū)分圖形顏色所設的數(shù)字代號；參數(shù)行計數(shù)代表著該數(shù)據(jù)于參數(shù)數(shù)據(jù)段所占行數(shù)，格式號為在原有解釋上的再說明[13-14]。

從參數(shù)數(shù)據(jù)段可獲得邊框圖形的坐標數(shù)據(jù)。通過對D 段以及P 段分析可以獲得輪廓圖中有關圖形種類、圖層、端點坐標等數(shù)據(jù)信息，可用來指導工人進行零部件的定位安裝。

如圖1 所示，這是一份IGES 文件的TXT 格式打開。目錄段的實體類型號106 代表所畫圖形為矩形；參數(shù)數(shù)據(jù)起始行號為1，表示這個數(shù)據(jù)占據(jù)數(shù)據(jù)信息段的首行；由上圖目錄段信息可知圖層，線性模式均為0；無變換矩陣，線寬代號為70；其中顏色代號為8，代表所畫矩形為白色；參數(shù)行計數(shù)為1，代表該信息在數(shù)據(jù)信息段僅占一行；由狀態(tài)號可看出，該圖形為可見、獨立、幾何，層狀態(tài)為總體自頂向下的，格式號為63。

圖 1 長方形IGES 文件Fig. 1 Rectangular IGES file

從參數(shù)數(shù)據(jù)段我們可以獲悉，這個矩形是通過第1 種方式繪制的，即依次序給出5 個關鍵坐標點（首末端點重合）的坐標信息而繪制成。通過其坐標信息可以得知該圖形是一個以原點為起點，長為200 mm，寬為100 mm 繪制在第四象限的矩形。

鑒于以上對IGES 文件的研究，自主研發(fā)出一套可進行多特征圖元提取和文件自動生成的程序，進而控制激光掃描投影系統(tǒng)。

1.3 IGES 文件數(shù)據(jù)信息提取及.ply 文件生成

為獲取一個可控制激光掃描投影的.ply 格式文件，可先從三維設計軟件中進行創(chuàng)成式設計。邊框提取獲得該數(shù)模輪廓圖，將得到的輪廓圖存儲為IGES 格式。將IGES 文件導入自主研發(fā)的多特征圖元提取和文件自動生成程序中，進行文件解鎖分析。

將文件導入后，程序首先會訪問其目錄條目段，獲取其第4 列偶數(shù)行信息。通過這條信息來判斷該圖形在參數(shù)數(shù)據(jù)段的起始位置及占用的存儲空間。經(jīng)程序做出初步判斷后會對占用兩行及兩行以上的數(shù)據(jù)信息進行拼接。待數(shù)據(jù)信息處理好后將其進行循環(huán)判斷，并根據(jù)圖形的類型進行分類。如首行信息為100 的是圓形，需將其歸總到圓類，然后獲取其圓心坐標和半徑。當實體類型號為106 時該圖形為多邊形，需判斷其邊數(shù)及繪制方法，進而獲取關鍵點坐標。將分類好的參數(shù)信息按照圖形的關鍵點數(shù)據(jù)，利用拆分、重組、導入結(jié)構(gòu)體等方法將關鍵數(shù)據(jù)存入對應形狀的元胞中按照其所屬類別導出。

最后需根據(jù)裝配所需求的加工方式、材料以及加工步驟的不同，將從元胞中導出的數(shù)據(jù)加以整理生成.ply 文件。.ply 文件首先根據(jù)圖形的類型將不同的元胞數(shù)據(jù)做組別區(qū)分，每一組包含一個完整的圖形信息；之后按照圖形所屬整體圖形的不同區(qū)域進行項目劃分；最后按照加工工藝、加工技術、圖層等因素進行圖層劃分。整個.ply 文件遵循由組別到項目，最終到圖層的層層遞進方式設計而成。在.ply 文件的控制下，激光掃描投影系統(tǒng)便可進行分圖層投影，從而指導工人在工件上進行零部件的裝配加工。圖2 為IGES 格式經(jīng)多特征圖元提取和文件自動生成程序處理后轉(zhuǎn)換成.ply 格式的結(jié)果圖。

圖 2 IGES 轉(zhuǎn)換成.ply 結(jié)果圖Fig. 2 Result diagram of IGES converting to .ply

2 基于IGES 文件的投影系統(tǒng)實驗

2.1 新型激光掃描投影系統(tǒng)設計

基于多特征圖元提取和文件自動生成的激光掃描投影系統(tǒng)主要由可調(diào)諧激光器組模塊、聚焦模塊、二維振鏡模塊、反饋光強探測模塊、驅(qū)動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊組成[15]。其中驅(qū)動模塊是由基于自主研發(fā)系統(tǒng)生成的.ply 文件完成的。通過對數(shù)控開關的開合延時以及對二維振鏡偏轉(zhuǎn)軌跡的控制，該系統(tǒng)可以將計算機輔助設計的CAD 模型以激光束輪廓線的形式按照1∶1 的比例精確地成像到工作面上，從而指導工人裝配[16]。該套系統(tǒng)能夠?qū)AD 工程設計與激光輔助制造銜接起來，直接指導工人在主體上進行零部件裝配。

搭建的激光掃描投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與實物圖如圖3 所示。

圖 3 激光掃描投影系統(tǒng)Fig. 3 Laser scanning projection system

激光經(jīng)過聚焦模塊進行準直擴束，透過分束鏡激光到達二維振鏡模塊，通過二維振鏡的快速偏轉(zhuǎn)使激光束在被投影工件表面進行投影。到達靶標面后光線沿原路返回，在分束鏡處反射進入探測模塊。其中二維振鏡轉(zhuǎn)動受自主研發(fā)程序處理后生成.ply 文件。在投影過程中依照從組別到項目最終到圖層，由低到高順序投影便可實現(xiàn)分圖層指示多種材料及多種處理工藝的零部件裝配。這種方法可提高工作效率，減少人工成本?；谧灾餮邪l(fā)程序處理的激光掃描投影系統(tǒng)工作流程圖如圖4 所示。

2.2 新型激光掃描投影系統(tǒng)實驗

從SolidWorks、CATIA 等畫圖軟件數(shù)模中提取出所需要裝配部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖5 所示。將提取出的結(jié)構(gòu)圖存儲為IGES 格式，該結(jié)構(gòu)圖的IGES文件如圖6 所示。通過對IGES 文件分析處理生成含有投影圖像三維坐標的.ply 文件。將.ply 文件輸入激光掃描投影系統(tǒng)，通過對二維振鏡及數(shù)控開關的控制可實現(xiàn)在投影面根據(jù)不同加工工藝、不同加工材料投影出復雜圖形，進而指導裝配。

圖 4 激光掃描投影系統(tǒng)工作流程圖Fig. 4 Flow chart of laser scanning projection system work

圖 5 裝配部分三維數(shù)模及其結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Assembly part 3D digital model and its structure

圖 6 結(jié)構(gòu)圖的IGES 文件Fig. 6 Structure diagram of IGES file

從圖6 所示IGES 文件目錄段信息可以看出，目錄段信息為每兩行描述一個信息，根據(jù)末行的D24 可以知道整個結(jié)構(gòu)圖由12 個圖線組成，分別為7 個“圓形”，4 個“矩形”和1 條直線，且均在一個圖層并且顏色相同。

對照前文表1 目錄條目段數(shù)據(jù)信息，可以獲知第2 列的奇數(shù)行代表其起始行號，第4 列的偶數(shù)行代表著該實體類型數(shù)據(jù)信息占據(jù)行數(shù)。根據(jù)這些信息有助于在實驗階段從參數(shù)數(shù)據(jù)段中挑選諸如端點坐標、圓心坐標、以及半徑等關鍵數(shù)據(jù)信息。并可預先了解到某些參數(shù)數(shù)據(jù)會占據(jù)多少行，對其進行拼接處理以方便后續(xù)操作。

將IGES 文件導入自主研發(fā)的程序中，程序?qū)⒃谌コ鹗级?、全局段和結(jié)束段等與投影無關段落，從而直接訪問目錄段與數(shù)據(jù)信息段。在此過程中程序?qū)⒁罁?jù)句首數(shù)字信息對其種類進行判斷，進而將其分類輸入對應結(jié)構(gòu)體中。將處理好的數(shù)據(jù)導入對應元胞，并依據(jù)圖形種類分類存儲，可得到如圖7 所示的分類存儲元胞。

圖 7 分類存儲的元胞Fig. 7 Classification of stored cellulars

基于圓心坐標和半徑，根據(jù)下式去擬合圖7 中圓上點坐標信息的元胞：

式中：a 為圓心橫坐標；b 為圓心縱坐標；r 為半徑；c 為圓上點橫坐標；d 為圓上點縱坐標；j 為從1～36的整數(shù)值（×0.017 5 表示取弧度）。

最后將元胞中的數(shù)據(jù)依據(jù)其不同材料以及不同加工工藝，通過程序?qū)⑵浒凑战M別、項目和圖層由低到高分類生成可供投影的.ply 文件，如圖8 所示。

圖 8 可供投影的.ply 文件Fig. 8 .ply file for projection

將.ply 文件導入激光掃描投影系統(tǒng)，通過Fleury 算法對其路徑進行優(yōu)化并控制激光器通斷，可以改善由于二維振鏡慣性引起的端點模糊[7]，跳轉(zhuǎn)線未空白等問題。經(jīng)過多次優(yōu)化改良的實際投影圖像如圖9 所示。

經(jīng)多次實驗驗證，該套系統(tǒng)可處理IGES 格式的CAD 文件，自動生成可供激光掃描投影系統(tǒng)進行投影的.ply 文件，且激光輪廓線寬優(yōu)于0.3 mm。

3 結(jié)論

圖 9 優(yōu)化后的激光掃描投影圖像Fig. 9 Optimized laser scanning projection image

本文研究了一種新型的可直接識別投影對象的三維數(shù)模的激光掃描投影方法。該方法通過自主研發(fā)的多特征圖元提取和文件自動生成程序?qū)⒋鎯υ贗GES 中的圖形顏色、尺寸、圖層、樣式等數(shù)據(jù)信息提取出來，并按照實體類型樣式等信息對提取出的數(shù)據(jù)進行分類，最終以元胞的方式存儲在.ply 格式文檔中。通過.ply 文件對數(shù)控開關進行延時控制以及對二維振鏡軌跡進行操控。上述方法可達到直接識別IGES 文件進而指導激光掃描投影系統(tǒng)在工作面上進行投影的目的。結(jié)合長春理工大學所研發(fā)的激光掃描投影系統(tǒng)可廣泛應用在航空航天制造工程中的飛機零部件裝配、復合材料鋪層、圖案噴涂等工作中。通過該技術輔助裝配可以大幅度提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品精度。