手持式激光扫描系统及其应用.pdf

7 8机械设计与制造M a c h i n e r yD e s i g n&M a n u f a c t u r e第1 1 期2 0 0 9 年1 1 月文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7(2 0 0 9)1 1-0 0 7 8-0 3手持式激光扫描系统及其应用吴问霆1 成思源1 张湘伟1 黄曼慧2(1 广东工业大学机电工程学院，广州5 1 0 0 0 6)(2 广东商学院信息学院，广州5 1 0 3 2 0)H a n d yl a s e rs c a n n i n gs y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nW UW e n t i n 9 1，C H E N GS i-y u a n l，Z H A N GX i a n g-w e i I,H U A N GM a n h u i 2(1 F a c u l t yo f E l e e t r o m e c h a n i c sE n g i n e e r i n g，G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y，G u a n g z h o u5 1 0 0 0 6，C h i n a)(2G u a n g d o n gB u s i n e s sC o l l e g e，G u a n g z h o u510 3 2 0，C h i n a)：【摘要】产品的数字化是实施逆向工程中首要而关键的一步，数据采集的效率和质量直接影响着；后续逆向工程内容的展开。手持式激光扫描系统因为具有便携性和自定位功能而带来更广泛的应用。介；绍了手持式激光扫描系统的组成与应用特点，结合两个典型的汽车零件实例，详细分析了该系统采集点；：云数据的方法。i关键词：逆向工程；手持式激光扫描系统；数据采集；点云；拼接!【A b s t r a c t】D i g i t i z a t i o no f o b j e c ti st h e f i r s ta n dk e ys t a g ei nt h ea p p l i c a t i o no f r e v e r s ee n g i n e e r i n g，a n d!；i t se f f i c i e n c ya n dq u a l i t yh a v ead i r e c te f f e c to nt h ed o w n s t r e a mp r o c e d u r e so f t h i st e c h n o l o g y B e c a u s eo f i t sip o r t a b i l i t ya n ds e l f-p o s i t i o n i n g f u n c t i o n s，H a n d yl o s e rs c a n n i n gs y s t e mC a nb eu s e dw i d e l yi nr e v e r s ee n g i-；n c e r i n g T t h eb a s i ce l e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f a p p l i c a t i o n sa b o u tR E V s e a ns y s t e ma l ei n t r o d u c e d，a n d；：i n v e s t i g a t e dt h em e t h o do f p o i n tc l o u dd a t ar e c o r d i n g f o rt h i ss y s t e ma st w ot y p i c a le x a m p l e s 讥d e t a i l e diK e yw o r d s：R e v e r s ee n g i n e e r i n g；H a n d yl a s e r 咖s y s t e m；D a t ar e c o r d i n g；P o i n tc l o u d；S p l i c e；g r a f t i n g；-O-中图分类号：T H 3 9 1 4 1 文献标识码：A1 引言逆向工程(R e v e r s eE n g i n e e r i n g)可定义为将产品原型转化为数字化模型的有关计算机辅助技术、数字化测量技术和几何模型重建技术的总称。基于这一定义，逆向工程可以看成是从一个已有的物理模型或者实物零件构造相应的数字化模型的过程1 1 l。随着汽车市场对新车型需求的加快，汽车更新换代的周期日趋缩短，其设计速度的快慢将直接制约汽车工业的发展。现代计算机辅助设计技术给汽车发展带来巨大的变革，由此而提出的逆向工程在汽车设计领域的应用大大改进了汽车制造业的现状。在逆向工程实施进程中，实物原型的3 D 数字化信息即点云数据的采集是最为基础的个关键环节。点云数据的采集直接影响到后期数字模型曲面质量、精度以及曲面成型的效率。目前，逆向工程使用的测量工具可根据方式的不同分为接触方法和非接触方法。接触和非接触方法根据原理不同又可分为相应的形式，如表1 所示1 3 1。表1 逆向工程使用的测量工具分类激光三角测距法是逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，它具有数据采集速度快、能对松软材料的表面进行数据采集、能很好测量复杂轮廓等特点。手持式激光扫描系统是是对传统的激光扫描仪的一个重大突破，扫描仪和扫描物体的相对位置都可以变换，这样大大提高了扫描范围和不同场合的扫描可行性。主要是结合手持式激光扫描测量系统对零件的数据采集技术进行研究。对手持式激光扫描系统介绍了介绍，结合两个典型的汽车零件实例，对基于手持式激光扫描的点云数据采集方法进行了分析。2 手持式激光扫描系统简介采用的手持式激光扫描仪是C r e a f o r m 公司的R E V s c a n 扫描仪，其工作原理是激光三角测距法。手持式激光扫描系统包括数据采集系统和数据处理系统。数据采集系统包括一套手持式自定位扫描仪R E V s c a n，如图1 所示。数据处理系统是套V X s c a n数据处理软件。该扫描仪的下端小圆孔为十字激光发射口，激光从该孔中发射；中间红色按钮是触发器，按住此按钮系统开始接受数据；上端两个大圆孔是C C D 镜头，接收反射回来的激光；每一个C C D 镜头的周围是四个L E D 发光点，用于屏蔽周围环境光对扫描精度的影响；并配有火线P C M C I A 卡、电源适配器及相关电缆与电脑连接。来稿日#t J：2 0 0 9-0 1 1 9 基金项目：国家自然科学基金(5 0 7 7 5 0 4 4，5 0 8 0 5 0 2 5)，广东省自然科学基金项目贫酹百西而丽丽而丽面面 万方数据第1 1 期吴问霆等：手持式激光扫描系统及其应用7 9采用在物体表面粘贴标记点的方法进行空间定位，以实现对不同角度扫描数据的拼接。表面标记点拥有很好的反射效果，以便于扫描仪能够准确定位该点的空间位置，从而在扫描仪自身的系统空间中表达出来，并通过激光对可识别定位点之间物体表面的探测，实现物体模型转换为数字模型；但是系统无法识别标记点自身的表面情况，由系统自动以平面的形式填充，所以标记点不能够贴在零件的特征处或曲率变化较大的位置。贴标记圆点的规则是在平面或曲率变化较小的区域贴较少的标记点；在特征处图1R E V s e a n 扫描仪或曲率变化较大的区域贴较多的标记点。完成着色和贴标记点步启动V X s e a n 软件，并处于接受数据状态。按住触发器，激光骤的油箱，如图3 所示。发射孔发射十字激光，L E D 发射红色屏蔽光，如图2 所示。至少有3 个定位点在系统的识别范围之内，系统才开始接收数据。激光从发射孔发出，由C C D 镜头接收，并在V X s e a n 软件中以直观的曲面模型的形式表现出来。图2R E V s e a n 扫描仪系统工作示意图R E V s e a n 扫描仪具有较高的精度，同时尺寸和所需的空间较小，最大的特点即是便携性；自定位功能可以无需其它外部跟踪装置(C M M、便携式测量臂等)；自动记录定位点在扫描仪系统的空间位置，可以通过移动、翻转所测零件以完成对零件的测量。V X s e a n 软件系统通过保存为*c s f 格式进行阶段性的测量；输出为奉8 t l 格式可被大多数后期处理软件所通用。3 手持式激光扫描策略为得到最准确、完整的点云图，因而对零件因尺寸大小、材质、颜色、曲面复杂程度等不同而采取不同的扫描策略。该扫描仪的扫描流程可简单概括为：着色一贴标记点 扫描 输出点云。将举出两个典型的例子来介绍R E V s e a n 扫描仪的一些扫描特性和应用技巧。3 1 基于自身定位点拼接的扫描实例中所用到汽车油箱属于常规尺寸大小的零件，且在各个面上直接粘贴定位点可以满足扫描仪完成全方位扫描的要求，从而可以通过自身定位点的拼接完成扫描工作。该油箱模型为塑料件对于激光的反射较强，使扫描仪难以捕捉到零件的外形定位，所以首先要对该模型着色。着色剂作用是增强零件表面的漫反射，使扫描仪的C C D 镜头能够较好的捕捉到零件的空间位置。着色剂的喷施不可以太薄或者不均匀，会因此影响到最终点云数据的完整程度；着色剂的喷施不可以太厚，因为太厚不仅会覆盖掉一些细节特征处，而且会因此增大零件的外形，影响到点云数据的准确性。较好的着色方法是进行多次喷施，直到各个部位都均匀着色为止。图3 油箱实物图扫描仪的激光发射器与激光“十”字照射的相应零件区域保持在2 5 0 r a m 一3 0 0 r a m，使扫描仪达到最佳的数据输入状态；如果两者的距离过近或远，系统将自动提示。最佳的扫描方向为激光“十”字的两个相邻边的角平分线方向。扫描时一般从曲率变化较小的面开始，比如该油箱的上端面或两个侧面。当个面扫描完转至相邻面时，必须保证至少有三个标记点在扫描范围之内，否则系统将停止输入数据。如果多次翻转至相邻面俱失败，可适当增加两个面的标记点，使扫描工作顺利进行。在完成整个零件大部分的数据点后，开始对细节处进行扫描。由于仪器的扫描精度和激光反馈原理的限制，对于较小的零件细节，达到较好的扫描效果需要多角度和长时间的扫描，比如油箱的上端面与侧面的螺孔需要从上端面、所在的侧面以及前后两侧面进行多角度扫描，并通过V X s e a n 软件的“锁定区域”功能将螺孔进行锁定扫描，最终完成零件的细节部分的扫描。将整个汽车油箱点云数据采集完成后，以州文件格式保存。*s t l 格式是多边形的文件格式，即已经进行点云三角化的多边形结构形式，即包含点云和线框信息，从而可以更直观地观察数字模型。完整的油箱*s f l 文件，如图4 所示。点云数据，如图5 所示。图4 埘文件格式油箱图 万方数据机械设计与制造N o 1 1N o v 2 0 0 93 2 基于辅助板定位点拼接的扫描汽车连杆的材质为钢铁，激光不能对钢铁的表面进行捕捉与定位，所以要对连杆进行着色处理。处理方法与油箱的着色处理一样。获得的点云数据，如图8 上右所示；下端是合并后完整的连杆点云数据，如图8 下图所示。连杆的完整点云图，如图9 所示。图5 油箱点云数据图图8 将两片点云数据进行拼接汽车连杆的实物图，如图6 所示。由于连杆自身尺寸较小，而且表面特征区域较多，所以可以贴标记点的部分有限，无法通过在零件自身贴标记点的方式获得点云数据。图6 汽车连杆实物图类似于汽车连杆的零件由于不能贴足够的标记点，也就无法完成扫描仪的邻边翻转测量的过程。对于此类的零件的扫描需要增加辅助工具来完成测量。在实例中，可以通过增加一块辅助板来进行测量。此辅助板是一块平面板，在辅助板面上按照贴标记点的规则均匀贴满标记点，而连杆本身可以不贴标记点，通过辅助板上的定位点可以完成对于类似汽车连杆等小零件的测量。着色后的连杆放在贴满标记点的辅助板之上，如图7 所示。图7 着色后的连杆与贴满标记点的辅助板由于零件尺寸比较小，需要较慢的扫描速度以达到最佳的扫描效果。通过增加辅助板可以使系统获得足够的定位点，以实现对零件上表面的测量，但是无法获得连杆下端面的点云数据。对于此问题的解决，可以通过翻转连杆，重新扫描零件的下端面而得到新的点云文件。将两个点云文件导入到C,e o m a g i cs t u d i o 软件下依次进行删除噪音点云和辅助板点云，通过共同特征点将两个点云数据合并，并删除重复的部分，从而获得个完整的连杆点云数据文件。第一次扫描获得的点云数据，如图8 上端左图所示；第二次扫描l 奎I9 连杆点云图4 结论我们介绍了逆向工程的基本概念以及R E V s e a n 手持式激光扫描系统的组成及相关应用特点，详细介绍了通过自身定位点拼接和辅助板定位点拼接的扫描方法。对于常规尺寸的零件可以通过翻转邻边和保持扫描仪识别范围内至少有3 个定位点的方法完成自身定位点测量；对于小零件或一些特殊的曲面难以按照正常的扫描流程进行时，往往需要借助一些辅助件来完成扫描工作。虽然会带来多余的辅助件点云，但是在后期的点云处理软件中可以将多余的点云去除，不会影响到所测零件的完整性和准确程度，所以应灵活使用辅助件以完成扫描工作。手持式激光扫描仪应用场合广泛，不仅可以满足原创设计阶段的实体模型转换为数据模型的要求，还可以满足生产阶段的检测要求嘲；由于尺寸小带来的便携性，可以一次性完成车身以及内饰的检测，提高生产效率以及降低生产成本昀。手持式激光扫描仪突破了对使用空间和环境上的制约，不仅为逆向工程的更广泛应用前景，也为汽车工业带来了新的生产方式和设计思路。参考文献1 柯映林等著反求工程C A D 建模理论、方法和系统 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 52 徐家川等著逆向工程中车身A 级曲面的评价方法 J 北京：汽车技术，2 0 0 7(4)：4,-83 金涛，童水光等著逆向工藉目支术 M 柳械工业出肠|土，2 0 0 34h t t p：w w w _ c r e a f o r m c o m 5L a r r yF i o f i n o 3-Dl a s e rs c 哪u s e di nav a r i e t yo fc r e a t i v ea p p l i c a t i o n s J D a i l yR e c o r d，2 0 0 3(6)6B o g u e RC a rm a n u f a c t u r e ru s e sN o v e ll a s e r8 c s r R l e rt Or e d u c et i m et op r o-d u c t i o n J A s s e m b l yA u t o m a t i o n，2 0 0 8：1 1 3 _ 1 1 4 万方数据手持式激光扫描系统及其应用手持式激光扫描系统及其应用作者：吴问霆，成思源，张湘伟，黄曼慧作者单位：吴问霆,成思源,张湘伟(广东工业大学,机电工程学院,广州,510006)，黄曼慧(广东商学院,信息学院,广州,510320)刊名：机械设计与制造英文刊名：MACHINERY DESIGN&MANUFACTURE年，卷(期)：2009(11)被引用次数：2次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.柯映林 反求工程CAD建模理论、方法和系统 20052.徐家川 逆向工程中车身A级曲面的评价方法期刊论文-北京:汽车技术 2007(04)3.金涛;童水光 逆向工程技术 20034.查看详情5.Larry Fiorino 3-D laser scans used in a variety of creative applications 2003(06)6.Bogue,R Car manufacturer uses Novel laser scanner to reduce time to production 2008 本文读者也读过(7条)本文读者也读过(7条)1.Z Corp推出两款突破性三维扫描仪期刊论文-CAD/CAM与制造业信息化2009(3)2.形-源于思想创-形为真实世界首款自定位便携式激光扫描仪期刊论文-CAD/CAM与制造业信息化2008(6)3.任建昆.佟刚.屈力刚.REN Jian-kun.TONG Gang.QU Li-gang 改良点云过滤技术在汽车冲压性逆向中的应用期刊论文-沈阳航空工业学院学报2009,26(3)4.胡居广.张百钢.徐德刚.王鹏.姚建铨 激光扫描系统的设计与曝光量分析期刊论文-中国激光2004,31(z1)5.赵中华.杨肄明.张猛.ZHAO Zhong-hua.YANG Yi-ming.ZHANG Meng 汽车车模覆盖件逆向工程中数据重构和优化期刊论文-昆明理工大学学报（理工版）2009,34(4)6.杨志霞.YANG Zhixia 基于逆向工程的产品模型重建期刊论文-科技传播2010(24)7.张华 PRO/E基于STL数据的逆向工程的应用期刊论文-辽宁经济管理干部学院、辽宁经济职业技术学院学报2009,45(5)引证文献(2条)引证文献(2条)1.成思源.刘俊.张湘伟 基于手持式激光扫描的反求设计实验期刊论文-实验室研究与探索 2011(8)2.赵璐芳.成思源.张湘伟 基于触觉交互系统的造型设计综合性实验期刊论文-实验室研究与探索 2011(8)本文链接：http:/