基于Win3DD-M 型三维扫描仪对泵盖零件逆向建模研究

朱书启 焦太安

甘肃机电职业技术学院 甘肃省天水市 741001

1 基于Win3DD-M 型三维扫描仪扫描复杂曲面的主要难点和和技术分析

扫描数据获取的质量与扫描环境的不稳定性、操作人员的标定方法、扫描件的大小、细节特征以及喷粉均匀程度等因素有关，这就需要大量的实验，从中找到对应问题的解决方案。

1.1 前期的工件准备工作及扫描环境

工件的大小、细节特征的数量以及喷粉的均匀程度等是前期对工件的准备过程。是扫描工件的前提条件，也是最基础的环节，直接影响着后续采集的数据质量。周边环境因素，例如强烈的光线和靠近反光物体等，会造成扫描区域识不到相对应的标志点。

1.1.1 喷显像剂

在物体表面喷的显像剂要均匀，不宜过厚，否则会影响扫描精度，也不易过薄，否则会导致扫描物体出现破洞。喷完显像剂后等待自然风干，大约五分钟。

1.1.2 贴标定点

贴标定点前要先把贴点位置找好，然后用棉签将贴点位置刮出，之后使用有棉花的一面将贴点位置刮干净，然后再贴点。两面相接处不要贴点，面两边较窄处不要贴点，表面凹凸不平不要贴点。标定点要贴的不规则，否则会出现标定点识别出错的问题。

1.2 中期的标定精度及扫描过程

扫描仪的标定精度是否符合标定操作的标准，标志点的粘贴是否合理，以及对应粘贴的方式方法和扫描过程中的方式方法及相关的注意事项。扫描过程中扫描次数过多，导致工件某个部分采集的数据重叠，点云数量相对其他区域更加密集，从而影响最终的扫描结果。

（1）调整扫描仪的高度及投射角度等，使投射到地面的光幕成矩形为止。

（2）通过调整相机高度使相机预览十字与光幕十字尽量重合。

（3）放置标定板，标定板两大点朝向操作者，使光幕十字与标定板十字重合，按空格。

（4）向上摇 4 圈，按空格（不需要十字重合）。

（5）向下摇 8 圈，按空格（不需要十字重合）。

（6）上摇4 圈（即回到原高度），标定板顺时针旋转90 度，并垫起左下角（操作者左下角），使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（7）标定板再顺时针旋转90 度，并垫起左下角，使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（8）标定板再顺时针旋转90 度，并垫起左下角，使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（9）标定板再顺时针旋转90 度，并垫起左下角，使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（10）标定板再顺时针旋转90 度，并垫起标定板右侧（操作者右侧），使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（11）标定板再顺时针旋转 90 度，并垫起标定板右侧（操作者右侧），使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

（12）标定板再顺时针旋转90 度，并垫起标定板右侧（操作者右侧），使标定板十字与光幕十字重合，按空格。

标定时注意不要反光，标定精度不小于0.02mm。

1.3 扫描物体

扫描仪是通过标定点来拼接物体的，一个面至少要有三个标定点（理论上来讲三个就足够，不过通常会贴四个或五个点）。如图1 所示，扫描A 面后可得到A 面得到四个点，便可旋转物体同时扫描A、B 两个面，可以通过A 面的四个点定位出B 面，同时获得B 面的四个点，C 面同理，以此类推，便可以扫描出整个物体。

图1

简单的物体可以通过转盘来扫描，如图2所示，减少被扫件上的标定点，以此来提高效率（在转盘上扫描时，被扫件要固定不动，不可发生位移）。在转盘上扫描时是使用转盘上的标定点进行定位的，利用转盘上的点对被扫件进行扫描，当上五个面扫描完成后进行翻面（连转盘一起翻），翻过之后未扫描的面向上，通过物体上贴的四个点对未扫面进行拼接，如果扫不出来可以用垫块将转盘垫高，还是不出来可以在其他面补点，然后用第一种方法进行补救。

图2

拼接：在转盘的两个面上分别扫描出被扫件的两个将两次扫描的文件导入，分别进行联合点、杂点处理、封装。使用移动器（工具→对象→移动器）进行大致对齐。使用N点注册（对齐→手动注册→N 点对齐），在两次扫描文件都有的位置大致标出三个一样位置的点，之后下一步，确定。使用全局注册，公差0.005（更小的话会加大电脑运转速度，不过精度也更高，自己根据情况选择），然后使用合并（多边形→合并）。

1.4 后期的数据处理及精度对比

扫描后完整的点云数据，在数据处理过程中进行的去除杂点、降噪等过程，实现参数化把控，并可与实际物体尺寸进行精度比对。

扫描完成后的点云数据为黑色，先点击对话框里的确定，之后在模型管理器中可以查看到两组数据，将fwp开头的数据删除（fwp开头的数据是标定点），将其余数字开头的数据选中后使用联合点对象。勾选着色点（点→着色），去顶点颜色（显示→几何图形显示）。显示为绿色（默认为绿色，若显示为其他颜色在试图→对象中查看颜色被更改）。在右侧选择自己常用的工具对多余杂点进行删除（推荐使用套索工具）。处理完毕以后使用封装。之后打开模型管理器删除绿色的部分，将顶点颜色关闭，显示为蓝色继续操作（默认色），通过椭圆选择工具选中标定点的范围（记得取消背面选到的部分），删除之后进行填孔（推荐使用相切）。有过大的缝隙可以使用搭桥分割成多个小的孔洞之后进行填孔。处理完成之后选择自己需要的格式进行保存。

2 直流微型水泵泵盖逆向建模研究

在某产品的零件逆向扫描和建模过程中，出现了多处扫描不全的问题，同时在曲面与曲面的过渡处，出现破面，需要建模者根据零件的结构和特点进行修补，造成建模的误差。在关键曲面上，会影响产品的使用性能。本文着重研究泵盖零件曲面扫面建模过程中扫描不全的问题以及由于重面对零件逆向建模精度的影响因素，找到产品逆向设计最合理的扫描方案，进而提高零件的建模精度。

曲面扫描精度研究的技术路线：

通过校企合作，共同研究，利用我校先进的逆向扫描设备，通过参与企业产品开发，研究产品逆向设计的精度和效率，主要研究复杂曲面的逆向设计的方法，通过不同类型产品的逆向建模精度对比和建模效率对比，得出产品逆向设计可推广的建模方法，并总结相应结论并在企业得以推广。

通过大量不同类型产品的逆向设计，进行产品设计精度数据分析对比，找到产品逆向设计的误差产生的原因，通过总结误差产生的规律，得出消除误差的方法；对同类产品进行逆向扫描分析，找出其共性特征，从而总结不同类型产品合理的扫描标定点的设计和扫描顺序的确定原则，最终得出复杂零件逆向设计精度和建模效率提高的具体措施和可推广的依据。

2.1 泵盖的扫描过程与技巧

2.1.1 扫描过程

由于零件外轮廓相对规整，便于手动拼接，因此采用正反面分开扫描，然后手动拼接。

扫描的基本过程本文前面已经阐述，在此只描述基本扫描过程和展示必要图片。

如果扫描之前未完成标定，则需要完成标定，并根据需要均匀喷涂显像剂，以保证扫描质量，同时将零件至于扫描转台台的合适位置，如图3 所示：

图3

每转动60-70°扫描一次，正面扫描6 次，得到如图4 所示云点数据：

图4

然后删除所有带有“fwp”名称的所有点数据，然后粗略删除工件外的点，其目的是让点数据减少，下一步“联合点对象，着色”时间更快。

完成上述步骤以后，进行联合点对象，并关闭顶点颜色，便于观察，最后删除沉杂点，结果如图5 所示：

图5

隐藏“复合点1”，然后扫描泵盖另外一面，扫描过程如泵盖的正面扫描过程，不再细述。

2.1.2 零件的封装

封装之前同时选择两组云点数据，进行统一采样，以减少数据点，然后删除体外孤立点并减少噪音。

对已经处理完成的云点数据分别命名为“正面”和“反面”便于后期进行对其操作。

2.1.3 零件的拼接

选中已扫描的两组数据，进行统一采样，间距设为0.02mm，删除体外孤点和非连接项，敏感度设为85.0，并减少噪音，迭代调整为2，限制11.4。

2.1.4 对两个点云数据分别进行封装

封装前可将“复合点1，复合点2”进行重命名，方便后期的对齐操作。

分别封装正面和反面，并分别保存ASC格式的云点数据，封装后的效果如图6、图7所示：

图6

图7

2.1.5 选择两组已经封装完成的三角面片数据，进行手动注册

本步操作的核心是找特征点，尽可能的对齐。然后进行全局注册，并删除钉状物。最后合并两三角面片数据“合并”（即图中正面和反面三角面片数据）。完成合并后，保存数据，输出STL 文件。

2.1.6 应用逆向建模软件对扫描的数据进行逆向建模

得到所需的产品的结构，逆向完成的产品模型如图8所示。

图8

3 结语

本文通过阐述具体产品的逆向设计过程，总结了带有复杂曲面零件的逆向扫描过程以及注意事项、参数设置等。不仅阐述了应用Win3DD-M 型扫面设备获取产品云点数据的基本过程和参数设置，还阐述了对云点数据处理的基本方法，通过具体操作过程说明了对复杂产品逆向建模的流程，总结了提高建模精度的方法，对产品的逆向设计有重要指导意义。同时，本文也阐明了产品逆向设计中常见缺陷的解决方法。