基于手持式激光扫描和Geomagic的CAD模型重建

　　0 引言

　　逆向工程是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后重建曲面并构造CAD模型，最后制造产品。随着逆向工程技术得到越来越广泛的应用，相配套的软硬件系统也得到发展。以汽车连杆实物模型为例，采用Creaform公司的手持式激光扫描系统，以及用逆向工程软件Geomagic Studio 10完成其数字化测量与CAD模型重建处理，并对其中的关键技术进行了分析。

　　1 实物模型数字化采集

　　实物模型的数字化采集是逆向工程技术的首要而关键的一步，数字模型结果的好坏直接影响到最终CAD模型曲面质量的优劣。目前，逆向工程使用的数字化工具可分为接触方法和非接触方法，接触式测量通过侧头与模型表面接触实现表面数据的获取;非接触式测量以计算机图像处理为主要手段，如激光三角法、结构光法、CT扫描等。

　　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。作者采用的Creaform公司的手持式激光系统REVscan由硬件和软件两部分组成：手持式REVscan激光扫描仪和VXscan数据处理软件。如图1所示为激光扫描仪工作示意图。

　　图1 REVsean激光扫描仪工作示意图

　　为得到最准确、完整的点云图，根据零件尺寸大小、材质、颜色、曲面复杂程度等的不同可采取不同的扫描策略。该扫描仪的扫描流程可简单概括为：着色一贴标记点一扫描一输出点云。

　　作者采用的实物模型是汽车连杆，如图2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。在该实例中，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。图3是着色后的连杆放在贴满标记点的辅助板之上。

　　图2汽车连杆零件实物图

　　图3着色后的连杆与贴满标记点的辅助板

　　通过激光扫描完成对零件上表面的测量后，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Geomagic Studio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拼合，并删除重复的部分，即可获得一个完整的连杆点云数据文件。

　　2 曲面重建

　　曲面重建通过对点云的多边形网格化处理并对网格使用Bezier或者NURBS曲面进行拟合来创建曲面，即将点云数据文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型软件Geomagic Studio，将曲面重建分为3个阶段，即点阶段、多边形阶段和曲面阶段。

　　2.1 点阶段

　　由于环境光或操作的影响，点云数据文件不可避免地带有多余和错误的噪点，可在点阶段对这些噪点进行删除处理。Geomagic有两种删除点云方式：手动删除和自动删除。手动删除是使用选择工具选择所不需要的点进行删除;自动删除是执行“非连接项”对不需要的孤立点云的直径进行定义，再将定义范围之内的点删除。

　　一般情况下，由于初始点云数量很大，可达到上百万以上，会使得计算速度较慢，所以要对初始点云数据采样处理。该软件提供了四种采样算法：曲率采样、统一采样、等距采样和随机采样。由于在模型特征明显和曲率变化较大的部分需要较多的点表达，所以在一般情况下选择曲率采样。处理完成的点云数据如图4所示。

　　图4汽车连杆零件点云

　　2.2 多边形阶段

　　对点阶段处理完成的点云进行封装处理，构造三角形网格，即进入多边形阶段。在多边形阶段，若模型有三角形未填充到的部分则执行“填充孔”命令，系统自动对表面执行基于曲率填充，该命令对曲率变化比较有规律的表面有较好的填充效果。

　　对模型表面多余的或者不需要的部分执行“消除特征”命令，该命令同样是基于曲率对表面进行消除处理，所以对曲率变化较规则的表面有较好的消除效果;对于曲率变化不规则的部分，可先将需要消除的部分删除，再对删除后生成的孔进行填充。如图5所示为消除连杆侧边凹陷处的特征前后对比图。

　　图5消除连杆侧边凹陷处特征的前后对比图

　　原始点云形成的模型表面往往不够光滑，不理想的表面会影响到最终CAD模型表面的光顺程度。可通过执行“消除”和“清除钉状物”命令对整个表面进行光顺处理，可得到光滑的表面;如图6所示为光顺处理后较理想的模型表面。

　　图6汽车连杆的多边形模型

　　2.3 曲面阶段

　　在曲面阶段可对模型进行分块，再分别对各分块进行定义、拟合和延伸，最后通过各分块之间的相剪切得到CAD模型。最新的Geomagic Studio 10中集成的Fashion模块可通过对原始设计意图的识别，实现对各分块区域的类别探测，从而提高最终生成的CAD模型的质量。

　　在Fashion模块下首先执行“探测轮廓线”命令对模型进行曲率检测，通过对模型表面曲率变化较大的区域进行中心线抽取得到的轮廓线可将模型分为多个区域;再执行“延伸轮廓线”命令，根据轮廓线生成延伸线，延伸线的作用是在各分块曲面之间形成过渡曲面，使各分块之间得到良好的过渡，提高模型整体的平顺和光滑程度。结果如图7所示。

　　图7模型的轮廓线和延伸线

　　创建完各分块区域和过渡曲面后，执行“创建修剪曲面”对分块和过渡曲面进行编辑。该命令分为5步：第1步“分类”是将各分块进行自动分类，可根据其几何性质将其定义为平面、圆柱面、球面、圆锥面等基本几何模型，或除此之外的自由曲面，结果如图8所示;第2步“拟合初级曲面”即对上一步定义的各分块进行拟合;第3步“拟合连接”即拟合过渡曲面部分;第4步“分析”可对模型的偏差大小、初级曲面以及过渡曲面拟合效果进行分析，对于不满意的部分可返回进行修改;第5步“修剪/缝合”是对拟合的初级曲面和过渡曲面进行修剪，并对修剪结果进行缝合，生成CAD模型。最终的CAD模型如图9所示。

　　图8连杆的曲面片分类

　　图9连杆的CAD模型

　　经过对CAD模型结果分析可知，利用Fashion模块的曲面片类型识别和拟合功能，其拟合精度和表面质量都可以得到较大的提高。

　　3总结

　　以汽车连杆零件为例，结合最新的手持式三维扫描系统和Geomagic逆向工程软件阐述了从实物模型到CAD模型的整个过程。手持式激光扫描系统具有便携性，自定位等优点;Geomagic Studio具有自动识别表面特征的功能，能够解读模型各分块区域的原始设计意图，从而可以大幅度提高重建模型曲面的质量。随着逆向工程中数字化扫描设备和CAD重建软件的功能和效率的不断提高，逆向工程技术将得到更加广泛的应用。