航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 制造数据中心 沈阳 110850
摘要：基于Creaform Handyscan 3D型手持式逆向扫描仪在管类零件逆向扫描、建模过程中的广泛应用，介绍该仪器的扫描原理，并探寻该仪器对于不同口径管类零件的最优逆向数据的获取方式。
关键词：手持式扫描仪；管类零件；空间坐标系；点云数据
1引言
现阶段，我中心所负责的逆向建模工作模块已较为成熟，在公司各生产单位的工装修复、产品协调、零件加工等工作中起到重要的数据支持作用。在逆向工程的工作流程中，我中心主要负责零件逆向数据的采集、处理及数模建立。几年来，已陆续发布逆向数模500余项，种类已涵盖飞机的大多数零部件，其中管类零件约占总数量的50％。
对于管类零件，其形状、尺寸大多取决于实际应用中的安装条件，而不是明确的图纸尺寸。逆向技术的应用能够完成其由实体化向数字化的转化，从而实现零件量产。因此，在飞机管类零件的批量生产中，逆向技术有着举足轻重的作用。在逆向数模的建立过程中，清晰、完整的逆向扫描数据是保证数模准确的必要条件。现就我中心管类零件逆向建模工作流程的第一部分——零件逆向扫描数据的获取，进行工作方式的最优化研究。
2 基于Creaform Handyscan 3D型扫描设备的通用数据采集方法简介
我中心所使用的逆向扫描设备为Creaform Handyscan 3D型手持式激光扫描仪，该设备的工作原理大致分为两个步骤：①通过扫描在零件上粘贴好的“目标点”，在计算机Rapidform软件中建立基于零件的三维立体坐标系；②手持设备扫描零件表面，获取基于该坐标系的曲面点云数据。
具体操作是：在待扫描零件表面按一定密度、边距粘贴“目标点”(我们用来粘贴在零件表面的“目标点”为直径10mm、中心带有高反光材料的圆形纸片)，手持扫描仪扫描目标点，同时Rapidform软件将自动建立基于零件的三维立体坐标系。，由于“高反光点”的粘贴受限于“高反光点”本身的大小及形状，所以在扫描粘贴标点困难、表面形状较为复杂的零件时，该设备存在一定的局限性。坐标系建立后，手持设备缓慢扫描零件表面，同时观察显示器中点云数据的获取速率、质量，最终完成零件整体逆向数据的获取。
3 管类零件的逆向扫描方法
由于导管在生产装配中经常需要根据实际装配情况进行敲修，导致其会与理论形状产生较大偏差，因此需要根据敲修后的实样建立零件曲面的逆向数模来返制工装。扫描时通常以导管实样为扫描对象，由“高反光点”的粘贴难度，即导管直径大小，来决定扫描方式。
3.1大直径导管的扫描方法
在导管表面粘贴目标点后，如果能满足点位间距、点边距均在10mm以上(此条件下扫描的零件表面点云数据不会在标点处产生漏洞)，即可采取常规的扫描方式。在扫描中需要特殊注意的是在焊缝位置通常带有不规则鼓包，如果在该区域粘贴目标点则容易造成目标点中心反光区的剧烈变形，影响系统运算识别空间位置，因此一般不在焊缝区域粘贴目标点。
3.2小直径导管的扫描方法
在小直径导管的逆向数据获取中使用通用的数据采集方法，存在零件表面反光点粘贴距离过近或者无法平整、稳定的粘贴目标点的问题，这会导致扫描仪无法同时捕捉到多个目标点，进而导致系统无法进行空间坐标系的建立，故无法采集零件表面的点云数据。因此，在此种情况下通常采用以下两种方式：
1）导管外形较为均匀、左右对称度好的情况下，可以仅扫描焊缝的一侧，保证导管的走向趋势被扫描出来。获得零件一半的扫描数据后，在数模的建立过程中，进行“对称”操作即可获得零件整体数模。此类情况可以采用设置背景板的扫描方式：将导管放置在一块贴好靶点的背景板（深色硬质板）上并固定，以背景板上的点位作为空间坐标，便可扫描出导管一侧轮廓。
2）导管外形不均匀，无焊缝或者非对称的情况下，则需要扫描出零件的全部或大部分轮廓。此种情况，可仿照第一种方法的原理，采取设置2~3个背景板的方法进行扫描（图1所示）。具体操作方法为：
① 固定底板以及前方垂直的背景板，并扫描点位；
② 将导管放置在两个背景板的内部，并扫描导管一侧轮廓；
③ 导管固定不动，撤走前方的背景板，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；
④ 扫描导管另一侧轮廓，完成扫描数据的补充，保存扫描数据。
图1 非对称细导管扫描示意图
部分情况下，在第二侧的扫描时，会产生较多的空间噪点，导致生成的点云数据中有较多孔洞，不足以支撑模型的建立，在这种情况下，可以将前后两次的扫描数据分别保存为两个网格stl文件，设计模型时同时导入到CATPart内，形成整体网格。如果需要采用这种方法，则要在步骤②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④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。
4结束语
点云数据的精度直接决定了后续逆向建模的质量。手持式激光扫描仪作为点云获取的关键设备，在外部环境、零件状态一定的条件下，其扫描方式直接决定了点云的质量——既要保证点云信息与零件信息的一致性，又要保证点云尽可能全面的覆盖零件表面，这就意味着不同种类零件相应的最优扫描方式不同。
本文总结归纳了基于Creaform Handyscan 3D型手持式逆向扫描仪对不同口径导管类零件进行逆向数据采集的高效、优质的数据采集方法，在对管类零件扫描时，对扫描方式进行合理的选择及综合性的应用，对后期导管数模的易建性、准确性有着极其重要的作用。
论文作者:王帅骁
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/9
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