由激光掃描點云數據建立飛機葉輪三維模型的方法研究

沈永華　倪俊芳

摘 要：逆向工程是現代工業產品設計，加工和創新的一種新方法。本文研究和分析了逆向工程過程中獲取點云數據的方法，研究了通過葉輪激光掃描獲得的點云數據的預處理和表面重建的過程，建立了葉輪三維模型的過程，結合飛機葉輪的反向示例，可以實現從點云數據到飛機葉輪的實體模型的建立。

關鍵詞：逆向工程;飛機葉輪曲面;重構三維模型

引言

葉輪是指帶有活動葉片的轉子，葉輪的葉輪的組件，以及輪盤和已安裝的旋轉葉片的總稱。葉輪可根據其形狀以及打開和關閉條件進行分類，在飛機葉輪的設計中，由于葉輪平面的幾何復雜性，在飛機葉輪的設計中，由于葉輪平面的幾何復雜性，建立飛機葉輪的三維模型成為一個費時，費力的工作，技術難度高。

逆向工程是一種工程方法，用于數據測量，擬合，CAD模型的重建，分析，設計的改進以及對現有物理原型的新產品開發的實現。它是近年來開發的一系列分析方法，用于消化和吸收先進的A應用技術的組合。它以現有產品或技術為研究對象，并以現代設計方法論，材料科學，工程學，計量學和其他相關理論知識為基礎，分析和掌握關鍵形狀和制造工藝技術，最終將實現實現物體的識別，復制和創造性發展。

傳統上，飛機葉輪零件的建模是基于流體動力學理論作為建模的理論基礎。對葉輪的吸力和壓縮面進行了數值計算，并繪制了葉輪曲線方程來模擬表面。在設計的趾部，表面復雜，映射周期長，逐漸從葉片退出。歷史舞臺。為了減少葉輪設計的難度，現代設計在縮短開發周期，降低成本的基礎上，試圖提高葉輪設計的可靠性。逆向工程可以完美地解決葉輪的存在。很難使用輪廓的特殊復雜部分的映射，這很難表達其結構和尺寸問題，并且相對容易快速復制，優化和升級這些部分然后進行創新。

但是通過逆向工程獲得的點云數據具有海量數據、處理時間長、局部數據缺失、高冗余、點密度稀疏、離散的特點。從解決實際工程應用方面考慮，本文利用激光掃描儀進行飛機葉輪點云數據采集，得到葉面上大量離散的點云數據并利用八叉樹算法建立點云拓撲關系利于數據查詢處理，通過對點云數據進行去燥，插補等數據處理，使得曲線更精確平滑，最后通過插補方法仿真生成葉輪曲面。

通過以上方法重構三維模型檢測分析表明，基于八叉樹與插補相結合的方法為激光掃描數據的葉輪重構提供了一種準確、快速的反求方法。這樣得到計算機或數控設備易識別的飛機葉輪三維模型。

1 葉輪點云數據的獲取

逆向工程中點云數據的獲取，也稱為目標對象表面的數字化，是指對象的每個表面上由測量設備或儀器測量的幾組點的空間三維坐標數據某些測量方法。點云數據的采集是逆向工程的第一步，該技術的質量直接影響原型樣品描述的完整性和準確性，從而影響最終構建的實體CAD模型的質量。隨著諸如激光技術，傳感技術和控制技術的相關技術的迅速發展，出現了各種數字測量方法。根據這些測量方法的特性和應用，它們通?？梢苑譃閮深悾航佑|測量和非接觸測量。圖1顯示了逆向工程中常用的測量方法的分類。根據測量對象和應用的不同，不同的測量方法將產生重大差異。使用哪種測量方法取決于物體表面的形狀，測量速度，精度要求，零件的復雜性以及其他因素。

接觸測量包括點觸發數據采集和連續數據采集。點觸發數據采集，例如普通的三坐標測量機測量，其采集速度較低，通常僅適用于零件的表面形狀檢測，或表面數字化需要較少數據的場合;連續數據采集，例如接觸式掃描測量它的采集速度很快，因此可以收集大規模數據測量，接觸測量使用探針直接接觸工件表面，其測量精度與工件表面的顏色，曲率和反射特性無關，由于接觸式探針技術的發展已經成熟，接觸式測量方法具有精度高，操作簡便，抗干擾性好，成本低的特點。但是，它也有缺點，例如損壞了工件某些重要部分的表面精度，補償了探針半徑以及測量速度慢，非接觸式測量方法包括掃描測量，激光三角測量，快速輪廓視覺測量等，非接觸式測量不需要與被測物體的表面直接接觸，并且收集的數據會通過諸如光，聲波或電磁場之類的介質傳輸，非接觸式測量的精度主要取決于傳感器的靈敏度，飛機葉輪的點云數據可以通過非接觸式和接觸式采集數據的組合獲得。采集順序為：首先采用接觸數據采集方法，獲得飛機葉輪表面輪廓主要可測尺寸的點云數據，然后，通過使用非接觸式測量方法，很難直接測量飛機葉輪的點云數據的一部分，由于飛機葉輪的輪廓更加復雜，因此很難在同一坐標系中測量工件的所有完整點云數據。因此，飛機葉輪應分為幾個要測量的區域，以便于測量，并且可以移動CMM測量機或工件，獲取不同方向的工件3D點云數據，然后將多視圖數據對齊以構造飛機葉輪的完整點云數據。為了便于隨后的數據對齊，在實際測繪過程中，應將一定數量的標簽參考點連接到要測試的飛機葉輪表面。使用光學非接觸式測量時，測量光可能無法到達工件的某些表面，并且缺少某些幾何特征信息，從而導致不完整的點云數據采集，因此，有必要調整工件的位置并轉動測量臂以找到最大的位置。良好的測量角度，避免測量盲角。同時，應將工件放置在光線不太亮的地方，以防止測量時產生噪音。另外，為了防止工件的反射系數影響數據采集，有必要在工件表面上施加白色顯影劑以達到獲得高質量點云的目的。

2 云數據預處理

掃描采集得到的點云數據，稱為原始數據，它含有大量冗余數據而且分屬于獨立的各測站。因此需要進行預處理，預處理后的數據數量變少、質量提高，便于下一步操作處理，預處理流程如下所示。

（1）點云去噪，可以通過人機互助的方式將明顯噪聲點云數據除去，常用的軟件有Cyclone、Geomagic Studio、Ployworks等;（2）點云數據拼接，通過掃描儀自帶的軟件結合標靶數據，將各站的數據拼接到一起;（3）坐標系統一，通過點云數據拼接把各站坐標系統一成為一個坐標系，這個坐標系可以是某一站的獨立坐標系或者是與當地聯測的地方坐標系;（4）數據簡化，由于點云數據量大，加上拼接后產生冗余數據，因此需要對數據進行簡化，常用的簡化算法有：包圍盒算法及改進算法、基于掃描線的數據壓縮算法、減少模型中多邊形數量的方法。數據簡化可以通過點云數據處理軟件完成如Geomagic Studio，或者通過算法編程實現。

3飛機葉輪三維建模

以預處理后點云數據為基礎，飛機葉輪三維建模的方法主要有三種，即幾何建模、三角網建模、曲面建模，下面分別用不同方法進行建模。

3.1 幾何建模

幾何建模是將飛機葉輪的輪廓線構成線框模型或者實體模型，目前常用的建模軟件為Auto-CAD、3dsMax，幾何建?；谶@兩種軟件進行三維建模。以AutoCAD為平臺的建模方法，其主要過程為：（1）將點云數據進行分割，以*.dxf格式分塊輸出;（2）在AutoCAD軟件中提取飛機葉輪輪廓線上的掃描點，將這些點擬合成輪廓線或者先擬合成平面，然后從相鄰兩個平面中提取輪廓線;

（3）利用提取的輪廓線組合成三維線框模型，然后用相關操作命令生成三維實體模型。以3dsMax為平臺的建模方法主要過程為：

（1）在Cyclone軟件中量取飛機葉輪各個構件的三維尺寸，生成二維線劃圖;

（2）將二維線劃圖導入到3dsMax軟件中，對于比較規則的部分，使用線性回歸分段擬合的方法進行建模;對于不規則部分使用旋轉、放樣、拉伸等方法建模。幾何建模一般對規則飛機葉輪進行平面擬合效果較好，而對于不規則飛機葉輪的曲面擬合效果不好。

3.2 三角網建模

三角網建模是一種三維表面模型重建方法，由于點云數據是離散的、不規則的、拓撲關系不明確的，不能直接構成物體真實表面，因此需要將點云數據構造成網格，然后得到構成拓撲關系的真實表面，最后得到物體的三維表面模型。

構造成網格的算法有很多種，常見的且有效的是Delaunay三角剖分法，點云數據處理軟件Geomagic Studio、Ployworks等

基于此方法構成三角網模型。

3.3 曲面建模

曲面建模是指用樣條曲面為基礎的建模方法，常用的曲面擬合算法有NURBS曲面算法、Bezier曲面算法、B樣條曲面算法，其中NURBS曲面具有良好的曲面質量，它既能表示自由曲線曲面，也能表示規則曲面，利用NURBS算法進行建模步驟為：

（1）利用拓撲關系明確的幾何信息，將離散點擬合成曲線或者從三角網模型中提取輪廓線;

（2）以擬合成的曲線或提取的輪廓線為基礎，將其擬合成曲面片，進而構成曲面網格;

（3）在網格的基礎上，將曲面片擬合成NURBS曲面，由曲面構成立體模型?；贜URBS曲面建模方法構建的模型比較逼真，主要應用在逆向工程建模、雕塑建模中，其算法雖然復雜，但在常見的點云數據處理軟件中也能實現，是目前使用較為廣泛的方法。

4 曲面重建

可以將復雜的CAD3D模型的表面視為具有單個特征的多個簡單面的組合。對工件的原型進行數字處理，以形成一系列隨機排列的空間離散點，在CAD模型中，通常根據原型的特征將數據點云劃分為不同的區域，然后分別擬合不同的曲面段，最后采用面間過渡或曲面相交的方法，縫合在一起形成一個完整的整體。

通過點云數據創建表面的方法通常分為兩種：一種是近似方法，另一種是插值方法，以將以一定順序排列的點云數據建立到曲面中。在以近似方式重建曲面時，必須首先指定一個允許的誤差值，確定U和V方向上控制點的起始數量，以最小二乘方擬合曲面，然后將測量點投影到曲面上。點到表面誤差測量誤差量的結果在指定的允許誤差范圍內，以完成表面模擬。當測量的數據和指定的公差較小或較密時，該操作可能會非常耗時，使用近似擬合曲面的優勢在于，擬合曲面不需要通過每個測量點，因此對測量期間生成的噪聲點具有抑制作用。插值方法的結果是，獲得的點方法，然后使用曲線建立曲面。另一方面，如果點云數據包含大量噪聲，則這些噪聲點也位于平面的平面上，這會導致較大的誤差。在曲面重建過程中，應根據測得的點云數據數量和精度要求確定方法。葉輪更為復雜，屬于自由曲面，NURBS和三角形Bézier曲面是自由曲面重建中常用的參數化建模方法，自由曲面直接與點云數據擬合，生成的曲面趨于具有凹凸不平和扭結，不適合后續處理，在飛機葉輪表面重構的處理中，可以從點云中分離出單個曲線點云，然后繼續進行曲線擬合，以獲得更高質量的邊界曲線，并使用邊界曲線擬合表面以生成表面形狀飛機葉輪。最后，使用表面檢查工具檢查生成的表面。如果曲面和點云的誤差較大，并且精度未達到Met，則需要調整曲面的控制點。在調整過程中，表面可能會出現諸如不均勻和起皺的現象，因此需要短暫的調整時間。

5 結論

逆向工程正被用作產品設計，開發和創新的新方法，并已越來越多地應用于機械工程領域。本文分析了逆向工程中點云數據采集，數據預處理和曲面重構的關鍵技術。研究了通過激光掃描獲得的離散點云三維模型的建立方法，并采用了飛機葉輪三維模型。重新建立的示例驗證了該方法的可行性和有效性。