基于双目视觉的自由曲面刀具逆向造型设计

刘涛，邓宝贵

（赤峰中色锌业有限公司，内蒙古赤峰024000）

摘要：针对复杂曲面构成的零件的逆向设计，利用由自由曲面构成的某加工刀具零件，采用三维扫描的方法进行刀具表面三维尺寸的数据采集，通过曲线曲面拟合技术进行模型的三维重构。经重构后的三维模型能够反映被测零件的三维特征和结构尺寸，试验表明，这种方法能够快速准确地完成被测件的逆向造型。

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关键词 ：自由曲面；逆向工程 ；CATIA；双目视觉

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1671—1580（2014）06—0153—02

收稿日期：2014—01—17

作者简介：刘涛（1975— ），男，内蒙古赤峰人。赤峰中色锌业有限公司，机械助理工程师，研究方向：锌冶炼机械，热力及逆向造型。

邓宝贵（1984— ），男，黑龙江北安人。赤峰中色锌业有限公司，机械助理工程师，研究方向：锌冶炼机械，有色金属综合回收。

一、引言

本文针对由自由曲面构成的某加工刀具的逆向造型，采用非接触式三维测量技术对刀具表面形貌数据进行了数字化处理，并应用CATIA软件对扫描获得的点云数据进行了预处理，重构了刀具的实体重建，完成了自由曲面组成的刀具的三维重构研究。

二、逆向工程的设计流程

逆向工程技术是指在没有设计图纸的情况下，针对零件的实物模型，通过三维测量、测量数据预处理和曲线曲面拟合等技术重构出零件的三维模型的过程。［1］［2］

三、某成型刀具的三维扫描

（一）工件的三维扫描

被测工件的表面三维数据的获取是逆向设计过程中的第一个步骤，常见的表面数据获取方法主要有接触式测量和非接触式测量。随着计算机图像处理技术的不断发展，非接触式测量以测量精度高、测量速度快的优点被广泛采用在逆向工程的三维扫描过程中。本文选用由多个自由曲面构成的某加工刀具作为被测零件（如图1所示）。刀具主要由两部分组成：基体部分和加工部分。

本文针对被测零件的结构特点，采用北京天远的OKIO型双目视觉三维扫描设备来进行刀具的表面数据获取，该设备的单次扫描区域范围为400×

300mm，扫描精度为高于40μm。由于扫描过程中景深和角度问题，实物样件不能够一次扫描完成，需要在前后两次扫描区域间布置至少4个以上的公共参考点，即标志点，然后，从不同的角度多次扫描后，由计算机对多次扫描的点云数据进行精确拼接。喷涂完显像剂和布置完标志点后的加工刀具如图2所示。本文通过12次扫描，共获得261327个测量数据，如图3所示。

（二）点云数据的分析

由于设备扫描后的原始点云数据量大，而且包含了测量过程中的随机误差，为了提高数据处理的速度和精度，需要对原始点云数据进行滤波。［3］［4］在CATIA软件中通过弦偏差方法对测量数据进行滤波处理，选弦偏差为0.6mm。经滤波后的数据点为131212个，拼接后的数据点云如图4所示，这样既减少了冗余数据、降低了软件的计算量，又保留了被测件的原有特征。

（三）曲面重构设计方案

为了方便对点云数据进行处理，首先需要对滤波后的点云数据进行封装，即先将点云数据相邻点相连，从而重构出模型的三角面片，封装后的模型如图5所示。

（四）三维模型重构

针对加工刀具的结构特点，本文采用曲线曲面拟合方法对封装后数据进行三维重建。在封装数据上通过获取截面曲线来重建线框模型。然后，利用CATIA软件的曲面设计命令，经曲面拉伸、旋转、剪切等命令重构出曲面模型，经过CATIA后续处理的加工刀具重构模型如图6所示。

四、结语

本文采用非接触式的双目视觉扫描方法，实现了由自由曲面构成的某加工刀具为代表的复杂零件逆向造型。重构试验表明，这种方法操作方便，快速，适用于由复杂曲面构成的零件的逆向设计。

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参考文献］

［1］史尧臣，张学忱，侯跃谦，唐武生.减速器盖逆向造型与三维数字化检测［J］.长春大学学报，2010（12）.

［2］谢韶旺，徐岩，任正义.Geomagic Fashion在逆向工程快速曲面造型中的应用［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2009（21）.

［3］张德海，梁晋，郭成，高军伟.三维数字化尺寸检测在逆向工程中的研究及应用［J］.机械研究与应用，2008（8）.

［4］蔡玉俊，王敏杰，王建玲.基于数字化逆向工程的模具快速设计［J］.电加工与模具，2003（6）.

［5］李二涛，张国煊，曾虹.基于最小二乘的曲面拟合算法研究［J］.杭州电子科技大学学报，2009（2）.