摘 要：FARO激光掃描測量系統(tǒng)采用了一種新的測量方式，可以實現(xiàn)接觸式和非接觸式測量方法的結(jié)合。本文采用FARO測量系統(tǒng)，對液力變矩器的幾何特征進行接觸式測量，對其葉片曲面進行非接觸式測量，并將掃描的點云數(shù)據(jù)導入CATIA軟件，重構(gòu)了液力變矩器泵輪三維幾何模型。
關(guān)鍵詞：液力變矩器 激光掃描測量 逆向工程 曲面重構(gòu)
目前，液力變矩器在汽車、工程機械、發(fā)電機械、礦業(yè)冶金機械及化工機械等行業(yè)得到了廣泛的應用，汽車行業(yè)是液力變矩器的最大用戶。液力變矩器是汽車自動變速系統(tǒng)的最重要部件之一，裝有液力變矩器的動力傳動系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)平穩(wěn)地起步、變速和變矩。
我國液力變矩器的發(fā)展主要得益于技術(shù)的引進。一項引進技術(shù)的應用和開發(fā)分為三個 階段：第一階段是應用；第二階段是技術(shù)吸收和消化；第三是獨立設(shè)計和創(chuàng)新。因此，積極開展技術(shù)的消化、創(chuàng)新，開發(fā)研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液力變矩器產(chǎn)品，并不斷地改善其性能，有著廣闊的市場前景，對提高我國汽車工業(yè)自主開發(fā)能力具有現(xiàn)實意義。
國內(nèi)許多液力變矩器企業(yè)已開始運用逆向工程方法實現(xiàn)國外產(chǎn)品技術(shù)的消化。逆向工程是一個系統(tǒng)工程，其主要目的是還原實物的數(shù)字化CAD模型。其中將產(chǎn)品的形狀和數(shù)據(jù)準確地數(shù)字化輸入電腦的測量方法，是逆向工程最重要的一個階段。采用什么樣的測量設(shè)備，運用什么樣測量方法，可以有效、快速、精確地獲取液力變矩器物體的數(shù)據(jù)，也是國內(nèi)企業(yè)研究的課題。
1. 測量方法
為得到產(chǎn)品的形狀和幾何數(shù)據(jù)，企業(yè)常用的測量方法有兩種：一種是接觸式的，也是最傳統(tǒng)的方法，即采用三坐標測量機進行測量；另一種是較先進的方法，非接觸式的掃描測量方法，非接觸掃描方式又分白光掃描和激光掃描。
1.1 三坐標測量機測量
用三坐標測量機來掃描是一種常用、經(jīng)濟的方式。測量機的測頭分為硬測頭和觸發(fā)式測頭。在采集數(shù)據(jù)點時，測頭在目標物體上不斷觸碰獲取一個三維數(shù)據(jù)點，反復在物體上采點，最后獲取一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點。該方法與工件表面的顏色和曲率關(guān)系不大，設(shè)備經(jīng)濟，成本較低。但采點速度慢，觸碰物體時，易劃傷表面或使表面變形，且測量點需要考慮測頭半徑補償問題。
1.2 非接觸式測量
與傳統(tǒng)三坐標機測量獲得的點數(shù)據(jù)相比，非接觸式掃描儀獲取的坐標點數(shù)據(jù)不再是100、1000的數(shù)量級可以表示的，而是幾百萬個數(shù)據(jù)點。因此，稱之為點云。
該系統(tǒng)是用兩個不同位置CCD相機對同一個物體進行直接拍攝，且將結(jié)構(gòu)光投影到被測物體表面，通過物體表面對光的反射捕捉點的信息，并通過匹配確定物體上同一點在兩幅圖像上的對應位置，由視差來計算距離，見圖1。
圖1 白光測量
近年來，類似白光掃描原理的產(chǎn)品市場上有多種，國外品牌有德國的Breuckmann公司的stereoSCAN 3D和德國G OM公司的AT OS，典型代表產(chǎn)品見圖2，中間是普通光源，兩端是數(shù)碼攝像機，將光柵投影在被測物體表面上，通過光柵投影變化獲得被測點的數(shù)據(jù)信息，見圖3。國內(nèi)有北京天遠公司的OKIO等。
圖2 GOM公司的ATOS 圖3 投影光柵
該系統(tǒng)可快速地采集被測物體表面數(shù)據(jù)，且可通過變換設(shè)備角度，獲取被測物體不同角度的多幅圖像，然后通過特定的算法將不同位置的測量數(shù)據(jù)拼接起來。雖然兩幅圖形拼接后的誤差可能較小，但由于需要多次的拼接，會導致拼接累積誤差較大。此外，它無法精確測量如圓、圓槽和直線等的特征數(shù)據(jù)，因此，更適合獲取汽車、飛機等的外表曲面數(shù)據(jù)。
1.3 非接觸式與接觸式結(jié)合測量
2004年，美國F A RO產(chǎn)品進入中國市場，它的非接觸式與接觸式相結(jié)合的方法，給逆向工程領(lǐng)域帶來一種新的測量方法。它不僅可以實現(xiàn)三坐標測量機對幾何特征元素的高精度測量功能，而且還實現(xiàn)了類似白光掃描儀的快速的捕捉點云的功能。
FARO的激光掃描儀是線激光掃描產(chǎn)品的典型代表，其測量原理也是三角法法則。與白光不同的是，其投影在被測物體表面上的是一條激光線，一個數(shù)碼相機拍攝圖像，提取光點的像素坐標，通過標定確定結(jié)構(gòu)光在世界坐標系下的空間位置方程，以及世界坐標系與攝像機坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，便可以計算出光點在世界坐標系下的坐標。見圖4，圖5
圖4 FARO測量系統(tǒng) 圖5 線激光測量
然而，與之前白光掃描系統(tǒng)不同的是，白光系統(tǒng)在做掃描時需要在被測物體上貼上許多參考點，才能最終獲取物體的空間三維形狀；而FARO掃描系統(tǒng)必須利用機械手臂裝置將整個表面的光坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在手臂上統(tǒng)一的三維坐標數(shù)據(jù)，從而獲得每一個光點相對于手臂坐標系的空間X、Y、Z數(shù)據(jù)，則可得到被測物體表面完整三維數(shù)據(jù)。
盡管獲取被測物體的三維點云數(shù)據(jù)時，白光系統(tǒng)與F A R O的線激光系統(tǒng)都可以采集幾百萬的點云數(shù)據(jù)，但是在一些結(jié)構(gòu)較復雜、不以曲面為主的產(chǎn)品零件，例如液力變矩器、變速箱等，用白光掃描儀只能獲取物體外觀的曲面點云數(shù)據(jù)，而一些被遮擋和隱蔽的位置，白光系統(tǒng)的兩個數(shù)碼相機無法同時觀察到，將無法獲取數(shù)據(jù)。此外，也無法精確體現(xiàn)出零件上幾何特征，如圓、槽等和加工基準與曲面間的位置關(guān)系。由于FARO機械手臂的活動自由度很大，因此可以使得在掃描物體時，方便快速靈活地操作，能克服白光系統(tǒng)的這些缺點。通過以上描述，表1總結(jié)出三種測量方法的特點。
2. 泵輪的逆向建模
運用FA R O測量系統(tǒng)的接觸式和非接觸式結(jié)合測量的特點，進行點云的數(shù)據(jù)采集，能有效的開展液力變矩器產(chǎn)品的逆向建模，如圖6所示為某款液力變矩器的泵輪實物。
圖6 泵輪實物
如圖7所示為該泵輪的逆向建模流程，其中的定位實物坐標和掃描實物兩個步驟，正是利用FARO測量系統(tǒng)的接觸式坐標測量功能和非接觸式掃描測量功能的兩個特點完成的。
圖7 流程圖
2.1 泵輪的點云數(shù)據(jù)采集和定位
如圖8所示為采用GOM公司的白光掃描儀所采集的點云數(shù)據(jù)，從X、Y、Z各個方向都不能體現(xiàn)泵輪的軸向視圖，即沒有得到合理的定位，這會導致在后期提取一些重要的特征曲線時，所依據(jù)的點云參照無法正確的投影。例如，無法用坐標系三個基準平面中任意一個，從點云模型上截取葉輪的外形的輪廓線。再者，中間軸孔的圓心位置用點云擬合，會有較大的誤差。而F A R O系統(tǒng)擁有三坐標測量與激光掃描完美結(jié)合功能，一是可以對被測物體的數(shù)據(jù)坐標自由定位；二是可以直接用測出圓、槽等特征的精確坐標位置。
圖8 照相式的點云數(shù)據(jù)圖9 FARO測量探頭
首先，在泵輪上獲取平面、直線、圓3個特征元素。圖9表示FARO系統(tǒng)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖10表示系統(tǒng)的坐標定位軟件，圖11表示在實物上獲取哪些特征在測量結(jié)果圖形上對應的數(shù)據(jù)，并可以看到，泵輪的裝配軸孔的軸向為坐標系Z軸。
圖10 FARO測量軟件圖11 對應測量特征
泵輪的坐標定位后，即可開始用FARO系統(tǒng)的激光掃描功能對泵輪實物進行數(shù)據(jù)采集，最后形成的點云數(shù)據(jù)結(jié)果如圖12所示。
圖12 FARO系統(tǒng)定位后獲取的點云數(shù)據(jù)
從圖中可以看出，泵輪的點云數(shù)據(jù)已經(jīng)合適定位。這也解決了后期逆向工程建模時的定位問題，并且可快速從點云提取特征。
2.2 點云數(shù)據(jù)處理
由于掃描過程中產(chǎn)生了一些噪音點數(shù)據(jù)，因此，利用Geomagic軟件中強大的點云處理功能，剔除這些數(shù)據(jù)，并且最后生成三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，見圖13，并以STL的文件格式輸出。
圖13 三角形網(wǎng)格圖14 CAITA點數(shù)字形狀編輯器模塊
CATIA軟件可以在點云模塊和建模模塊之間互操作，這也是許多設(shè)計人員采用CA I TA作為逆向工程首選軟件的原因之一。本文主要采用四個模塊：數(shù)字形狀編輯器、自由形狀、創(chuàng)成式外形設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計。
啟動CATIA數(shù)字形狀編輯器模塊，見圖14，同時，將點云數(shù)據(jù)導入，效果見圖15。
圖15 導入的點云數(shù)據(jù)圖16 重構(gòu)曲面
2.3 曲面重構(gòu)
葉片曲面是建液力變矩器模的關(guān)鍵。用傳統(tǒng)的線構(gòu)面的方式，很難模擬出與實物接近的曲面，而自由形狀曲面能自由設(shè)計任何形狀的曲面。采用一個U V線6×6階曲面片通過調(diào)整曲面控制點，控制曲面整體與點云模型之間的偏差，獲得形狀接近點云模型的曲面。最終構(gòu)造出實物的整體模型，見圖16。
圖17 偏差分析圖18 光順性分析
2.4 曲面評價
判斷重新設(shè)計好的曲面是否滿足要求主要依據(jù)兩方面：一是要求曲面到點云的精度；二是要求曲面的光順性。從精度方面評價，泵輪的點云模型是否90%以上的數(shù)量點與曲面之間的偏差在±0.1mm以內(nèi)。從光順性方面評價，斑馬條紋狀圖形在曲面上是否光順。
2.5 模型生成
在上述評價都滿足后，運用創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊，將曲面修剪成葉片形狀，最后通過基礎(chǔ)設(shè)計模塊，將曲面轉(zhuǎn)換成實體，完成最后的結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖19是重構(gòu)后泵輪的實體模型。
圖19 泵輪模型
3. 結(jié) 語
利用FA R O激光掃描系統(tǒng)作為逆向工程前期重要的測量工具，解決了以前白光掃描和三坐標測量機無法同時實現(xiàn)特征測量和掃描測量的難題。
（1）用FARO系統(tǒng)測量功能定位液力變矩器的坐標，并獲取一些特征的精確尺寸，例如變矩器有效直徑、中間軸孔直徑與坐標。
（2）用FARO激光非接觸式測量功能采集葉片曲面點云數(shù)據(jù)，用于逆向建模?！?/p>
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