CN107818590A - 基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，包括过扫描、逆向建模、质量分析、快速成型打印出最终的三维模型，通过在自由曲面产品的正反面粘贴标记点，同时通过设置转盘，利用转盘上的辅助粘贴点来实现扫描的完整性和精确性，采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了耗材的打印。

Description

基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法

技术领域

本发明涉及快速成型技术领域，尤其涉及基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法。

背景技术

逆向工程技术目前已应用于产品的复制、仿制、改进及创新设计，是吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要支撑手段，广泛应用于机械、航空、汽车、医疗、艺术等领域。

现有技术中通常采用接触式扫描设备扫描自由曲面产品的点云数据，但是这样速度比较慢，并且需要测得很多点，才能近似拟合自由曲面产品的曲线。另外现有技术中采用非接触式光学扫描仪扫描自由曲面产品时，通常就是直接扫描自由曲面产品的正反面点云数据，一来扫描精度不高、完整度不够，二来这样易造成后期将扫描的点云数据导入Geomagic studio软件中重建模型时，拼合精度不高，逆向建模后不能够反应实物特征，导致逆向建模失败。

另外现有技术中，通常仅仅完成逆向建模后就直接打印，造成打印后的三维实体与扫描实体差距很大，重要的原因是数据扫描时精度不够，另一个原因是逆向建模后无质量对比或质量对比仅靠人为观察修正，造成工作量大，工作效率低，返工率高，浪费打印耗材。

基于以上原因，本申请人提出一种基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，可提高自由曲面产品的逆向建模数据扫描的完整和精确，多次修正逆向建模质量，提高产品输出的高质量。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，包括以下步骤：

（1）扫描前处理：在自由曲面产品下方设置转盘，自由曲面产品表面上粘贴标记点，同时在转盘上粘贴辅助点；

（2）扫描采集：利用三维光学扫描仪对自由曲面产品进行三维扫描和测量，获取点云数据；

（3）逆向造型：对获取的点云数据进行处理和转化，逆向造型，构建实体模型，包括如下步骤：

（3a）重建模型：将步骤（2）中扫描获取的点云数据导出为.asc格式文件，将.asc格式文件导入到Geomagic studio软件中进行重建模型，处理得到.stl格式文件；

（3b）逆向建模：将步骤（3a）在Geomagic studio软件中处理得到.stl格式文件导入到CATIA软件中或UG软件中，通过构线获取采样点，利用采样点进行逆向建模；

（4）质量分析：将步骤（3b）中获得的逆向模型与步骤（2）点云数据利用GeomagicQualify软件进行3D比较，得出质量分析报告；

（5）快速成型：将自由曲面产品的三维模型输入至3D打印机中，进行自由曲面产品的打印。

本发明的方法应用于自由曲面产品的逆向建模快速成型，通过扫描、逆向建模、质量分析、快速成型打印出最终的三维模型，本发明的方法不仅在自由曲面产品的正反面粘贴标记点，同时通过设置转盘，利用转盘上的辅助粘贴点来实现扫描的完整性和精确性，同时扫描时采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，单幅测量幅面、测量精度更高、单次测量幅面更大，抗干扰能力强，受被测物体表面明暗影响小，同时逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了耗材的打印。

进一步优选的，所述三维光学扫描仪为非接触式三维光学扫描仪。

在本发明实施例中，所述步骤（2）具体包括以下步骤：

（2a）正面数据扫描：启动三维光学扫描仪，调整测量距离，识别自由曲面产品正面的标记点，保存点云数据；

（2b）正面多幅数据扫描：转动自由曲面产品正面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据；

（2c）辅助点扫描：将自由曲面产品翻转至90°，扫描转盘辅助点，保存辅助点点云数据；

（2d）反面数据扫描：通过转盘辅助点扫描自由曲面产品反面，识别自由曲面产品反面的标记点，保存点云数据；

（2e）反面多幅数据扫描：转动自由曲面产品反面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据。

本发明实施例在三维光学数据扫描时，首先做好被测物体即多曲面产品的前处理，即通过设置转盘，粘贴标记点和辅助标记点，为下一步数据采集做好准备，其次做好扫描规划，提高了扫描效率，即扫描时按照一定的方向旋转角度扫描被测的多曲面产品，多次扫描并保证每一幅扫描图像与上一幅有相同的标记点，保证了拼接的精度，同时反面数据扫描时，利用转盘上的辅助点，识别被测的多曲面产品反面的标记点，保证了被测的多曲面产品反面的扫描完整和精确，反映出实物的特征。

对上述步骤（2）进一步优化，所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向旋转适合的角度扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点。

进一步的，所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向每次旋转15°扫描。

本发明实施例扫描时按照一定的方向每次旋转15°进行扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点，才能保证拼接的精度。

本发明实施例进一步对步骤（3）进行详细描述，所述步骤（3a）重建模型包括消噪音、统一采样、封装、填充、创建平面、创建直线和点特征、对齐到全局，处理得到.stl格式文件。

所述步骤（3b）逆向建模包括拟合、修剪、加厚实体，完成自由曲面产品的逆向三维造型。

基于以上，本发明实施例进一步的，所述步骤（4）质量分析具体流程为：

（4a）将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系；

（4b）将步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系；

（4c）将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；

（4d）当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。

本发明实施例逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，即将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系（P_X、P_Y、P_Z），步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系（S_X、S_Y、S_Z）, 将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了打印的耗材。

本发明实施例应用于自由曲面产品的逆向建模快速成型，本发明实施例在三维光学数据扫描时，首先做好被测物体即多曲面产品的前处理，即通过设置转盘，粘贴标记点和辅助标记点，为下一步数据采集做好准备，其次做好扫描规划，提高了扫描效率，即扫描时按照一定的方向旋转角度扫描被测的多曲面产品，多次扫描并保证每一幅扫描图像与上一幅有相同的标记点，保证了拼接的精度，同时反面数据扫描时，利用转盘上的辅助点，识别被测的多曲面产品反面的标记点，保证了被测的多曲面产品反面的扫描完整和精确，反映出实物的特征。扫描时按照一定的方向每次旋转15°进行扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点，才能保证拼接的精度。扫描时采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，单幅测量幅面、测量精度更高、单次测量幅面更大，抗干扰能力强，受被测物体表面明暗影响小，逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，即将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系（P_X、P_Y、P_Z），步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系（S_X、S_Y、S_Z）, 将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了打印的耗材。本发明实施例能在较短时间内高精度的完成自由曲面产品逆向建模成型，提高了企业的创新设计能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的方法应用于自由曲面产品的逆向建模快速成型，通过扫描、逆向建模、质量分析、快速成型打印出最终的三维模型，本发明的方法不仅在自由曲面产品的正反面粘贴标记点，同时通过设置转盘，利用转盘上的辅助粘贴点来实现扫描的完整性和精确性，同时扫描时采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，单幅测量幅面、测量精度更高、单次测量幅面更大，抗干扰能力强，受被测物体表面明暗影响小，同时逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了耗材的打印。

参见图1，为本发明提供的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法流程框图；如图1所示，本发明实施例包括如下步骤：

（1）扫描前处理：在自由曲面产品下方设置转盘，自由曲面产品表面上粘贴标记点，同时在转盘上粘贴辅助点；

（2）扫描采集：利用三维光学扫描仪对自由曲面产品进行三维扫描和测量，获取点云数据；

（3）逆向造型：对获取的点云数据进行处理和转化，逆向造型，构建实体模型，包括如下步骤：

（3a）重建模型：将步骤（2）中扫描获取的点云数据导出为.asc格式文件，将.asc格式文件导入到Geomagic studio软件中进行重建模型，处理得到.stl格式文件；

（3b）逆向建模：将步骤（3a）在Geomagic studio软件中处理得到.stl格式文件导入到CATIA软件中或UG软件中，通过构线获取采样点，利用采样点进行逆向建模；

（4） 质量分析：将步骤（3b）中获得的逆向模型与步骤（2）点云数据利用GeomagicQualify软件进行3D比较，得出质量分析报告；

（5）快速成型：将自由曲面产品的三维模型输入至3D打印机中，进行自由曲面产品的打印。

在本发明的方法中，采用非接触式三维光学扫描仪，因为采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，单幅测量幅面、测量精度更高、单次测量幅面更大，抗干扰能力强，受被测物体表面明暗影响小。在步骤（1）中需要对被测自由曲面产品进行扫描前处理，即在自由曲面产品的正反面粘贴标记点，同时通过设置转盘，同时在转盘上粘贴辅助点，这样可以利用转盘上的辅助粘贴点来提高扫描的完整性和精确性，实现扫描过程中自动拼合。

现在对步骤（2）扫描采集进行详细描述，所述步骤（2）具体包括以下步骤：

（2a）正面数据扫描：启动三维光学扫描仪，调整测量距离，识别自由曲面产品正面的标记点，保存点云数据；

（2b）正面多幅数据扫描：转动自由曲面产品正面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据；

（2c）辅助点扫描：将自由曲面产品翻转至90°，扫描转盘辅助点，保存辅助点点云数据；

（2d）反面数据扫描：通过转盘辅助点扫描自由曲面产品反面，识别自由曲面产品反面的标记点，保存点云数据；

（2e）反面多幅数据扫描：转动自由曲面产品反面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据。

对上述步骤（2）进一步优化，所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向旋转适合的角度扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点。所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向每次旋转15°扫描。

本发明实施例在三维光学数据扫描时，首先做好被测物体即多曲面产品的前处理，即通过设置转盘，粘贴标记点和辅助标记点，为下一步数据采集做好准备，其次做好扫描规划，提高了扫描效率，即扫描时按照一定的方向旋转角度扫描被测的多曲面产品，多次扫描并保证每一幅扫描图像与上一幅有相同的标记点，保证了拼接的精度，同时反面数据扫描时，利用转盘上的辅助点，识别被测的多曲面产品反面的标记点，保证了被测的多曲面产品反面的扫描完整和精确，反映出实物的特征。本发明实施例扫描时按照一定的方向每次旋转15°进行扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点，才能保证拼接的精度。

本发明实施例所述步骤（3a）重建模型包括消噪音、统一采样、封装、填充、创建平面、创建直线和点特征、对齐到全局，处理得到.stl格式文件。

所述步骤（3b）逆向建模包括拟合、修剪、加厚实体，完成自由曲面产品的逆向三维造型。

为提高逆向建模后产品的质量，提高逆向建模工作效率，减少打印产品的次品率，本发明实施例在逆向建模后需要将步骤（3b）中获得的逆向模型与步骤（2）点云数据利用Geomagic Qualify软件进行3D比较，得出质量分析报告，所述步骤（4）质量分析具体流程为：

（4a）将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系；

（4b）将步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系；

（4c）将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；

（4d）当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。

本发明实施例逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，即将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系（P_X、P_Y、P_Z），步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系（S_X、S_Y、S_Z）, 将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了打印的耗材。

本发明实施例应用于自由曲面产品的逆向建模快速成型，本发明实施例在三维光学数据扫描时，首先做好被测物体即多曲面产品的前处理，即通过设置转盘，粘贴标记点和辅助标记点，为下一步数据采集做好准备，其次做好扫描规划，提高了扫描效率，即扫描时按照一定的方向旋转角度扫描被测的多曲面产品，多次扫描并保证每一幅扫描图像与上一幅有相同的标记点，保证了拼接的精度，同时反面数据扫描时，利用转盘上的辅助点，识别被测的多曲面产品反面的标记点，保证了被测的多曲面产品反面的扫描完整和精确，反映出实物的特征。扫描时按照一定的方向每次旋转15°进行扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点，才能保证拼接的精度。扫描时采用非接触式三维光学扫描仪很容易扫描出多曲面产品的全貌，速度较快，单幅测量幅面、测量精度更高、单次测量幅面更大，抗干扰能力强，受被测物体表面明暗影响小，逆向建模后，利用Geomagic Qualify软件将获取的逆向模型与步骤（2）点云数据进行采样点的3D比较，即将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系（P_X、P_Y、P_Z），步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系（S_X、S_Y、S_Z）, 将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。通过分析对比情况，不断修正扫描的点云数据或逆向建模三维模型，保证了输出的产品的质量，提高了工作效率，产品质量返工率低，节省了打印的耗材。本发明实施例能在较短时间内高精度的完成自由曲面产品逆向建模成型，提高了企业的创新设计能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

扫描前处理：在自由曲面产品下方设置转盘，自由曲面产品表面上粘贴标记点，同时在转盘上粘贴辅助点；

扫描采集：利用三维光学扫描仪对自由曲面产品进行三维扫描和测量，获取点云数据；

逆向造型：对获取的点云数据进行处理和转化，逆向造型，构建实体模型，包括如下步骤：

（3a）重建模型：将步骤（2）中扫描获取的点云数据导出为.asc格式文件，将.asc格式文件导入到Geomagic studio软件中进行重建模型，处理得到.stl格式文件；

（3b）逆向建模：将步骤（3a）在Geomagic studio软件中处理得到.stl格式文件导入到CATIA软件中或UG软件中，通过构线获取采样点，利用采样点进行逆向建模；

质量分析：将步骤（3b）中获得的逆向模型与步骤（2）点云数据利用Geomagic Qualify软件进行3D比较，得出质量分析报告；

快速成型：将自由曲面产品的三维模型输入至3D打印机中，进行自由曲面产品的打印。

2.根据权利要求1所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，所述三维光学扫描仪为非接触式三维光学扫描仪。

3.根据权利要求2所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括以下步骤：

（2a）正面数据扫描：启动三维光学扫描仪，调整测量距离，识别自由曲面产品正面的标记点，保存点云数据；

（2b）正面多幅数据扫描：转动自由曲面产品正面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据；

（2c）辅助点扫描：将自由曲面产品翻转至90°，扫描转盘辅助点，保存辅助点点云数据；

（2d）反面数据扫描：通过转盘辅助点扫描自由曲面产品反面，识别自由曲面产品反面的标记点，保存点云数据；

（2e）反面多幅数据扫描：转动自由曲面产品反面方向，再次扫描，扫描完成之后会自动与上一幅扫描得到的点云数据进行拼接，刷新扫描信息，增加新的测量数据。

4.根据权利要求3所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向旋转适合的角度扫描，每一幅扫描图像与上一幅有至少5个以上的相同标记点。

5.根据权利要求4所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，所述步骤（2b）和（2e）为扫描时朝一个方向每次旋转15°扫描。

6.根据权利要求3或4或5所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，

所述步骤（3a）重建模型包括消噪音、统一采样、封装、填充、创建平面、创建直线和点特征、对齐到全局，处理得到.stl格式文件；

所述步骤（3b）逆向建模包括拟合、修剪、加厚实体，完成自由曲面产品的逆向三维造型。

7.根据权利要求6所述的基于三维光学扫描的自由曲面产品逆向工程建模成型方法，其特征在于，所述步骤（4）质量分析具体流程为：

（4a）将步骤（2）中扫描采集的自由曲面产品的点云数据建立空间参考坐标系；

（4b）将步骤（3b）中逆向建模完成后的三维模型上的采样点建立空间实体坐标系；

（4c）将逆向建模后的空间实体坐标系与点云数据的空间参考坐标系进行比较，得出偏差；

（4d）当偏差≥0.1mm或≤－0.1mm时，修正点云数据或/和逆向建模三维模型，重复（4a）~（4d），直至－0.1mm＜偏差＜0.1mm时，逆向建模三维模型合格。