3D扫描与数控雕刻一体机设计、制作与应用

朱照红

（江苏省靖江中等专业学校，江苏靖江，214500）

0 前言

随着信息技术的高速发展，基于3D扫描和数控雕刻的智能制造技术在木器加工、模具制造、玉石雕刻等领域尤其是庙宇、园林等古建筑修复领域，发挥着越来越重要的作用，其可制造性、可重复性、工艺性、经济性等指标都大大提高。本文主要研究3D扫描与数控雕刻一体机的设计、制作技术路线，并探索其在古园林建筑领域的具体应用。

1 设计系统概述

本系统设计主要包括，3D扫描单元、数控雕刻单元以及公共共享单元等三大部分。3D扫描单元着力解决图像采集、数据分析、曲面建模等问题；数控雕刻单元着力解决CAD/CAM建模、生成加工代码、完成运动控制和主轴控制等；公共共享单元完成稳压电源供给、信号检测报警及机械本体支撑等。此外，设计系统为考虑系统的整体性和一致性要求，将扫描单元和雕刻单元设计成共用一套运动控制和主轴控制单元，结构更加紧凑，操作更加方便、数据处理更加协调。

2 系统硬件设计

2.1 3D扫描单元

图1 3D扫描单元

3D激光扫描单元由激光器与摄像机、滤光片、标定板等几部分组成，完成发送脉冲和测距指令、电机转动和激光扫描、记录电机转动角度及点云距离信息、结束扫描过程并完成数据后续处理等工作过程。扫描仪通过一个内置的可以旋转的镜子将系统发射的脉冲激光束偏转，形成一个具有90度的扫描轮廓。摄像头和机身之间依次加入普通和窄带滤光片，可过滤掉大量自然光影响。另外，将5个激光二级管以十字形等距固定在电路板上，作为标定所用到的四点标定板。系统框图如图1所示。

2.2 数控雕刻单元

数控雕刻单元包括机械本体、电气系统（包括计算机系统和电控柜）等。电气系统主要由主控制模块、电源模块、进给系统驱动模块、主轴驱动模块、X轴电机、Y轴电机、Z 轴电机及主轴电机等组成。基本结构如图2所示。

图2 数控雕刻电气系统

2.3 一体化单元

图3 一体化扫描雕刻硬件单元设计

在考虑到3D扫描单元和数控雕刻单元的基本功能后，可以充分利用雕刻原有的工作平台和运动控制单元，通过图像采集卡将采集到的视频信号转换成数字图像存入计算机，并通过计算机的运动控制卡，驱动方向电机完成图像采集和同步调整。一体化单元的结构设计如图3所示。图中图像采集卡的作用是将图像或视频经过数字解码、A/D转换、格式转换、缓冲等环节，转换成软件可以识别的数字格式。

3 系统软件设计

本一体化系统软件包括基于单片机或PLC控制的扫描、雕刻功能自动切换软件、3D扫描软件和数控雕刻软件三大部分组成。这里主要介绍扫描软件和数控雕刻软件。

3.1 3D扫描软件结构

国内3D扫描软件种类很多，但是一种基于高速激光扫描测量原理的3D扫描系统的软件结构主要由数据获取模块、数据显示模块、数据处理模块和数据接口模块等四部分组成。数据获取软件模块通过测量目标图像获取、物像关系标定、坐标转换等过程完成扫描物件空间三维信息的获取和数据存储功能；数据显示软件模块通过对采集图像的缩放、旋转和平移等工具，完成俯视图、仰视图和主视图等三维视图的点云观察；数据处理软件模块通过对采集数据的规整、边界提取、数据合并等过程完成数据特征分析和曲面建模等功能；数据接口主要功能是将点云数据生成能够被CAD等常用软件识别的灰度图文件。

3.2 数控雕刻软件结构

数控雕刻系统软件设计包括主机应用程序和运控控制程序两部分。

图4 数控雕刻系统软件流程

主机应用程序实现人机交互、界面显示及加工轨迹预览等基本功能，通常采用面向对象的程序设计方法。

运动控制（MotionControl）程序通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。常用运动控制器有DMC110A单轴运动控制器和DMC300A三轴运动控制器、GE系列运动控制器、ZMC系列运动控制器等。其中DMC300A三轴运动控制器适用于步进电机的各种场合控制应用，它具有中文点阵液晶显示（128×64点阵）和27键薄膜开关；开放显示指令及数字键键值读取；坐标参数支持相对坐标和绝对坐标；包含直线插补、圆弧插补指令，自动完成任意两轴直线、圆弧插补，实现空间曲线的加工；16个通用输入点、8个输出点，实现各种复杂的逻辑、点位控制等特点。

数控雕刻系统软件工作流程如4图所示。

4 系统误差分析

为提高扫描件建模精度和雕刻件复制准确率，有必要分析系统误差。文献研究表明，目前市场的3D扫描大致可分为三类：一类是基于脉冲测距原理的径向3D扫描系统；一类是基于光学干涉原理的相位干涉扫描系统；第三类是基于立体相机和机构化光源构建的3D投影的三角法扫描系统。

这里重点探讨第一类扫描系统的误差。基于脉冲测距原理的径向3D扫描系统采用非接触式高速激光测量技术，它以点云方式获取较复杂物体表面的阵列式几何图形的3D数据。引起系统误差的主要因素有仪器自身的制造误差、待测量物体的光反射误差以及测量技术误差等。仪器制造误差主要来源于激光测距、扫描角度设计等，扫描角度设计跟扫描镜的平面角度、扫描镜的抖动、扫描镜的转速控制等有关；光反射误差主要来源于待测物体的表面粗糙度和反射面的反射角选择等。

5 建筑庙宇修复

古建筑庙宇多为木质榫卯结构，年久失修，传统手工艺修复难度大、修复成本高、周期长。而利用3D激光扫描技术加数控雕刻技术则能很好的解决上述难题，且对维修师傅的技术要求大大降低、维修成本更加低廉、维修周期相应缩短。基于3D和数控雕刻的古建筑木质结构件加工过程是：首先选取庙宇檐角与破损件具有相同图案和尺寸的结构件作为参考样本，也可用手持式扫描机现场扫描取样，并生成asc数据文件，然后在电脑中生成STL文件并建立3D模型，最后生成加工路径后开始参考样本的雕刻过程。通常仿制样品雕刻加工完成后仍需手工修整，但榫卯结构件的修复工艺性大大提高，生成周期也从月缩短为小时。

6 小结

本文首先概述3D扫描与数控雕刻一体机的基本组成，包括3D扫描单元、数控雕刻单元以及公共共享单元等，然后重点分析扫描单元和数控单元软件设计模块，在此基础上，简要分析了其在古建筑庙宇榫卯结构件上的具体应用和工艺要领。可以说基于3D扫描和数控雕刻技术的榫卯结构件快速复制修复工艺必将在古建筑修复市场大有可为。