基于HandyScan三维扫描仪的农业机械零件修复技术

孙思文，高凤娇

基于HandyScan三维扫描仪的农业机械零件修复技术

孙思文1，2，高凤娇2，3

（1.黑龙江省自动化系统工程公司，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090；3.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150000）

本文以破损的农业机械塑料零件为例，利用手持式激光扫描仪HandyScan对零件表面进行点云数据采集，并利用逆向设计软件对点云数据进行参数化处理生成CAD模型，进而通过光敏树脂3D打印技术完成塑料零件的制造。

农业机械；三维扫描；HandyScan

1　数据采集

三维测量技术能够快速地将实物三维空间形态转换为计算机直接识别的图形数字信号，为产品数字化设计提供了方便快捷的手段［1］。

1.1HandyScan三维激光扫描仪

Handyscan三维激光扫描系统由硬件和扫描软件两部分组成。其中硬件包括HandyScan主机、笔记本电脑、USB3.0电缆、电源、定位靶点、校准板。软件采用VXelements三维扫描软件。HandyScan主机的核心部件是两个对称的摄像头以及位于扫描仪中部的7条十字激光发射器，其工作原理是在对被测物体进行表面数据采集时，投影到对象上的激光随对象形状发生变形，摄像头会拍摄该特定形状并对它进行计算，形成被测物体的表面点云数据，通过VXelements扫描软件的自动封装，形成可视化的图形文件。

1.2HandyScan的使用

HandyScan的典型工作流程分为扫描前准备、扫描、数据处理3个阶段。

扫描前准备过程中的扫描仪校准、粘贴定位靶点以及第2阶段扫描是决定数据采集准确性的核心。

A.扫描仪校准

扫描仪在校准时必须指向校准板中心，并将红线（扫描仪的高度和方向）对齐到绿色矩形内。

B.扫描仪配置

由于被侧物体的材质以及表面加工工艺不同，需要调整扫描仪发射的激光线强度以及快门频率，以获得最优化的数据采集结果，当激光线完全平铺在被测零件表面后，软件会自动调整扫描仪的配置。

C.粘贴坐标靶点

HandyScan扫描仪通过相机追踪坐标靶点，只要摄像头能够追踪到3个以上的坐标靶点，扫描系统就可以立刻解算出靶点的三维坐标，根据被测部件的体积及细节特征不同，可选择直接将标志点粘贴于被测物体表面或将该物体放置于已粘贴有坐标靶点的环境中。坐标靶点的相对位置应在20～100mm，避免使用损坏、油腻、脏污的标志点以及在弯曲率较高的被测表面上添加标志点。

D.扫描表面

对被测零件进行扫描时，通常采用扫描与观察相结合的方式进行，以便扫描数据完整全面，调整好扫描距离的基础上，还要注意观察扫描软件中呈现的测量数据，对于数据缺失的地方，要再次进行扫描。在本例中，零件模型厚度为8mm，长度约为160mm，该零件的细节特征过多，所以采用分区扫描的方法进行正反面扫描，之后使用Geomagic Studio软件进行注册、合并，如图1所示为最终扫描后的点云数据。

图1　扫描后的点云文件Fig.1 Point cloud data after scanning

2　零件CAD模型重建、检测

由Handyscan三维扫描仪扫描后得到的点云数据，需要进行数据处理，去除飞溅点、杂点和非连接点，进行点云过滤［2］。把点云文件导入到GeomagicDesign逆向设计软件中进行处理。为了验证逆向后的CAD模型相对原始数据的可靠性，还需要通过Geomagic Qualify进行数据检测。

2.1依据点云数据构建CAD模型

逆向设计的主要步骤有特征提取——曲面重构——主体特征提取——局部特征提取——布尔运算——封闭实体——倒角7个步骤，图2所示为Geomagic Design软件处理后的零件CAD模型图。

图2　逆向后的CAD农业机械零件模型Fig.2 Reverse agricultural machinery parts after CAD model

2.2数据检测

使用Geomagic Qualify对逆向设计后的CAD模型与HandyScan扫描后的点云数据文件进行对比，通过观察色谱对结果进行验证，本例中检测公差设为0.01mm，测试结果如图3所示。

图3　Geomagic Qualify检测CAD零件准确性Fig.3 Geomagic Qualify CAD parts detection accuracy

3　3D打印加工制造

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术［3］。

本文使用Stratasys 260光固化3D打印机对复原的CAD模型进行制造，如图4所示，打印后的效果与原始零件。

图4　3D打印机与3D打印的零件Fig.4 3D printers and 3D printed parts diagram

4　结语

本文给出了应用HandyScan三维扫描仪的农业机械零件修复技术，创新的将三维扫描技术、逆向设计技术、3D打印技术相融合，为农业机械零件修复提供了相当方便快捷的手段。

［1］ 李丽娟，高姗林，雪竹.基于Geomagic Qualify的工件偏差检测技术［J］.制造业自动化，2014，（10）：35-38.

［2］ 思源，刘俊，张湘伟.基于手持式激光扫描的反求设计实验［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）：153-156.

［3］席骏.3D打印技术及产品简介［J］.数码印刷，2014，（02）：27-29.

Agricultural Machinery Parts Repair Technology of 3D Scanner Based on HandyScan

SUNSi-wen1，2,GAOFeng-jiao2,3
（1.HeilongjiangAutomation Systems EngineeringCompany,Harbin 150090,China；2.Institute ofAutomation,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150090,China；3.High Tech Research Institute,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150000,China）

In this paper,damaged agricultural machineryand plastic parts were taken as examples,collecting point cloud data on the part surface using hand-held laser scanner HandyScan,and the point cloud data were parameterized CADmodel generated by reverse design software，and then through the manufacture of photosensitive resin 3Dprinting,plastic parts were finished.

HandyScanagricultural machinery；3Dscanning；HandyScan

TH13

A

1674-8646（2015）06-0022-02

2015-05-15

孙思文（1987-），男，黑龙江哈尔滨人，研实员，硕士，从事工业设计研究。