特殊零件的三维激光扫描方案分析

匡志华 方静 段云云

摘 要： 在科研生产中，利用扫描手段已为工装修复、产品协调、铸件精加工等工作提供了数据支持。进行三维激光扫描时，扫描数据的质量直接影响到后续建模工作开展的顺畅。由于各部门需要扫描的零件形状、表面状态都有所区别，需要操作者在扫描过程中进行分析后，经过多次扫描才能达到理想的效果。本文对实际三维激光扫描工作中遇到的特殊零件进行分类，分析扫描区域、扫描方案，并简单论述对应的建模方法，形成逆向应用的新思路。

关键词： 逆向扫描;目标点;建模

【中图分类号】P225     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.145

1 引言

目前逆向扫描及建模技术在零件的工装修复以及制造上已成为一种新的方法，但在实际工作中，特殊零件的处理还没有较为明确的方案。从零件结构特征上分析，长桁零件、导管零件以及带弯折的大型蒙皮零件的表面经常会有较为剧烈的曲率变化，扫描工作容易遇到瓶颈，在正式实施扫描工作前，需要分析扫描区域，确认扫描方案，为后续的建模工作提供更为有利的数据信息。此外，还应与零件生产单位、工装设计单位沟通协调，结合数模生产应用的需求，判断扫描时各个区域的取舍情况，才能制定出合理的扫描方案，提高扫描效率。

2 逆向扫描及建模方案

2.1 长桁零件的逆向分析

2.1.1 扫描区域分析。长桁类零件的工装特点是存在挡块，以保证立筋成型后与腹板面的角度，在工装上，挡块并不是离散式布置，仅通过扫描方式，无法得到零件的完整轮廓，因此采取扫描零件的方法更便于建模。但在扫描前，需要对长桁零件自然状态下的变形量进行确定，必要时利用模胎固定零件再进行扫描。扫描区域的确定如下：A.对于自然状态下无明显变形的零件，扫描更利于建模的表面，一般情况下角材选择扫描外侧面，T型材选择扫描腹板底面、腹板内侧面、立筋闭斜角面;

B.对于自然状态下存在明显变形的零件，将零件固定在模胎上，保证贴合度符合钣金厂要求，再扫描零件轮廓，此种情况下只能扫描零件不贴胎的内侧面，对于建模不利。

2.1.2 扫描方案分析。长桁类零件通常是标准型材，特征是腹板及立筋的宽度小，如果在零件表面粘贴目标点，则容易出现扫描数据缺失的缺陷，而使得网格面无法构建，因此需要采用在零件后方粘贴背景点位的方法。在扫描时，将长桁放置在某个平台上（或者地面上），并在零件周围的平台面上粘贴定位标点。对于批量性的长桁零件扫描工作，这种方法建立的空间坐标系还可以重复利用，减少反复粘贴以及采集目标点的工作量，提高工作效率。

2.1.3 建模方案。使用计算机软件自动拟合得到各个扫描轮廓的曲面，通过曲面修剪的方式，最终得到贴膜面与参考边缘线。该类数据不建立长桁实体，一般角材保留外侧面与参考边缘线，T型材保留腹板底面、腹板内侧面、立筋闭斜角面与参考边缘线。

2.2 导管零件的逆向分析

2.2.1 扫描区域分析。在装配过程中，需要根据实际装配效果敲修实样，此时会导致与理论形状产生较大偏差，为使后续零件能够批量制造，需要利用敲修后的实样重新返制工装。解决该类问题时，以导管实样为扫描对象，在缺少实样的情况下，还可以扫描配套模胎。

2.2.2 扫描方案分析。导管实样按通口数量可以分为两通、三通，按中心线趋势可以分为单曲与双曲，结构上的特殊位置包括：半管對合焊缝/管口焊缝、敲修产生的鼓包、多通位置的过渡区等。其中管口位置需要按图纸技术要求保证一定范围内直径不变。扫描操作中需要特殊注意的有：①焊缝位置：由于焊缝位置通常带有鼓包，如果粘贴目标点，容易造成目标点中心反光区剧烈变形，影响数据采集系统运算识别空间位置，因此一般不在焊缝上粘贴目标点。② 小直径的导管：如果要在此类零件上粘贴目标点，往往会发生目标点粘贴距离过近或者无法粘贴目标点的问题，导致不能建立空间坐标系。在导管外形较为均匀、上下对称度好的情况下，可以仅扫描焊缝的一侧，保证导管的走向趋势被扫描出来，再按趋势建立整体的模型。如果外形不规则，就需要扫描零件的全部轮廓，通常采取设置三个背景板的方法进行扫描。具体操作方法为：a）固定底板以及前方背景板，粘贴目标点并扫描;b）放置导管，扫描导管一侧轮廓;c）导管固定不动，撤走前方背景板，放置粘贴有目标点的后方背景板，通过底板目标点过渡的方法，将后方背景板的目标点采集到整体目标点坐标系中;d）扫描导管另一侧轮廓，完成扫描数据补充，保存扫描数据。

在第二侧的扫描时，部分情况下会产生较多的空间噪点，导致生成的数据轮廓出现缺口，不足以生成模型，此时可以对前后两次的扫描的数据分别保存在，设计模型时，同时导入到CATPart内，形成整体网格。这种方法的区别在于，要在步骤b扫描导管一侧轮廓后增加“保存面片文件以及目标点文件”的操作，同时步骤d更改为：导管固定不动，撤走前方背景板，放置粘贴有目标点的后方背景板，新建对话，导入保存的点文件，通过底板目标点过渡的方法，将后方背景板的目标点采集到整体目标点坐标系中。

③处于分离状态的双半管。为保证分开的半管在对缝位置的协调性，需要临时进行固定，并扫描对接状态下的整体目标点以建立坐标系，再将导管分解开来，在不改变各半管上目标点位置的情况下，再分别进行曲面扫描。这种情况在实际生产中相对较少。

2.2.3 建模方案。对于两通导管的建模方法主要有：（1）绘制截面线后，扫掠形成曲面;（2）强力拟合中间段后，使用曲面桥接端口与中间段，最终结合为一个整体。对于三通导管的建模方法主要有：（1）强力拟合三个管中间的交接段并设计各端头曲面，之后使用曲面桥接端口与交接段，最终结合为一个整体;（3）先对两个大直径段设计为一个两通管，再单独设计小直径段并延伸，与两通大直径段相交，最后在交线位置进行倒角操作。

3 总结

在机械制造业中，零件的结构形式复杂多样，除了以上情况外还可能有新的问题影响零件轮廓采集的完整性，这也需要操作者在操作过程中能够从应用需求以及产品特征上认真分析，研究如何实现有效的扫描，而不仅仅是如何能够扫描完，只有这样才能使整个逆向过程有条不紊，使扫描结果能够达到生产应用的程度。