【《三维激光扫描仪的点云处理和曲面构件逆向建模分析》3900字】

三维激光扫描仪的点云处理和曲面构件逆向建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u13330三维激光扫描仪的点云处理和曲面构件逆向建模分析 1244641.1点云预处理 180391.1.1软件平台 1147511.1.2点云处理 1152751.2曲面构件逆向建模 5270371.2.1软件平台 543441.2.2曲面构件逆向建模 5243211.2.3实体模型文件传递和转换 71.1点云预处理1.1.1软件平台GeomagicWrap是由美国公司3DSystems研发的点云处理软件，其内部集成了多种点云处理算法，可根据扫描所得的点云数据创建出多边形模型和网格，并转换为多种文件格式。是最广泛的一款逆向处理软件之一。1.1.2点云处理扫描得到的点云文件通常以.xyz的文件形式储存。该文件格式中的每一行即为一个点的三个坐标，但不包含颜色、法向向量方向等信息，是当点云数量庞大时最为常用的点云格式，同时也是被最多的点云处理软件所支持的，兼容性最好点云数据文件格式。直接导出的点云中，一方面因扫描时温度、光线等条件的变化，以及振动的影响，会含有噪声点、离群点、杂点、错点等缺陷；另一方面直接导出的点云中点的数量非常庞大，常常多达数百上千万个点，其中往往含有许多重复的信息，会给下一步的工作带来额外且不必要的计算量。因此在利用点云数据进行曲面的逆向构建之前，我们需要对点云做如图1.1所示的处理。图1.1点云处理流程在导入点云文件后，首先需要进行的是手动选择删除尺度较大、分界较为清晰的错误点。在这一步中需要处理的点应当区分为下列两种：a)空间尺度较大的错误点。这些点多为扫描仪捕捉到了测量空间中的墙壁、背景、空气中的尘埃等，其特点为数量较少且分布稀疏b)临近测量表面但和测量表面有明显界限的点。这些点多为为了方便测量使用的夹具，待测工件所拜访的工作台面等。对于a类点，可以使用包围盒法去除。即通过一个六面体或圆柱体定义待测表面所在的工作空间，删除空间外的所有点。在设置应当尽量使“盒子”的表面紧贴需要保留的点云。对于b类点，距离被测表面较远的点可以通过手动选择进行删除，而对于贴近被测表面的点，可以使用软件计算点之间的曲率并按照曲率着色，对曲率明显发生变化的边界外的点，进行选择和删除。如图1.2所示，蓝色部分即为在曲率着色模式下属于地面部分的点云，应当选择并予以删除。图1.2曲率着色模式下的点云手动选择删除有明显界限的点后，剩下的点仅凭人眼已不能区分其测量正确与否，需要通过一定的算法予以判别。该环节中按点的错误的程度大小将点区分为非连接项或体外孤点和噪声。非连接项或体外孤点为距离点云的主体部分相对较远的点，或悬浮于孔洞、凹槽等表面内部或之间的点，其测量偏差较大，应当认为是测量错误的点，在处理时进行删除处理。而噪声则是因为测量时的系统或仪器误差，相对于点的实际位置发生较小的偏移的点，其坐标仍含有相当大的正确的信息。广义下可以认为所有的测量结果都含有一定的噪声，且对于每个独立的点而言，噪声的大小不是一个固定的值。在忽略系统误差的情况下，可以认为就整个点云的尺度而言，噪声仅由随机误差产生，因此噪声的平均值为0。在处理时，应当取相邻的数点进行插值、最小二乘运算或其他算法，计算出实际测得的点和按照相邻的点估计的位置的偏差，对于偏差超出给定的临界值的点，进行补偿计算。该临界值和工件表面的粗糙程度以及测量的精度有关，在软件中以平滑程度的形式给出了参考值。对点云多次进行插值估计和补偿计算后，则可以获得去除噪声的点云。图1.3体外孤点图1.4降噪和插补在去除错点并进行降噪处理后，点云文件中点的数量有所下降，但仍然非常庞大。被测表面上某一个点或者是非常接近的数个点，被反复采集，造成了数据的冗余，造成点云文件庞大、处理时内存占用过多，曲面构建时计算速度缓慢等问题。因此，在将点云输出保存或进行下一步计算前，对点云进行采样处理，选择有代表性的点，降低点云密度非常必要。采样的方法主要有以下两种：a)等距采样，或者叫栅格采样，即以设定的距离间隔等距进行采样b)曲率采样，在曲率变化较大的地方会增加采样的密度为保留较多的边界信息和螺栓孔处的信息，本实验中选择对点云进行按曲率采样的方法处理，设定参数使点云数量下降至原来的一半。图1.5按照曲率采样前后的点云图像如图1.6所示，经过按曲率采样之后，点云文件中点的数量下降了一半，且在边角、棱等特征处保留了较多的点，而在平面区域，点的密度发生了明显的下降。在完成点云的处理后，将点云文件输出保存。1.2曲面构件逆向建模1.2.1软件平台GeomagicDesignX是一款逆向工程软件，其突出优点在于:(a)处理大型点云的速度比其他逆向软件更快。(b)该软件可以像其他正向设计软件一样进行建模，并在此过程中自动根据面片形状进行拟合。因此，逆向工程得到的三维模型是一个拥有独立特征树的可以在常用CAD软件中进行编辑的数字模型。同时，这一独特的逆向工程方法也使得其结果更容易在ABAQUS中划分网格。1.2.2曲面构件逆向建模本实验中所使用的点云文件为含有三维空间坐标信息的.xyz文件形式，因此在将点云文件导入三维逆向建模软件后，首先需要连接相邻的点形成数量庞大的三角面片，在某些软件和文献中也被称作三角网格。图1.6曲面构件逆向建模流程图在计算得到三角面片后，需要对数量庞大的三角面片按照法方向的连续程度进行分类，将属于相邻特征表面的面片分类在一起，在本实验所用软件中被成为“领域”。从领域中，或者称为从三角面片块中，可以提取表面的特征，生成标准形体或者自由曲面。对于自动划分不够理想的地方，常见于圆角、棱边、倒角等处，需要后续进行人工手动划分。图1.7三角面片图像分析壁板的形状，该壁板是由两块金属壁板，其中通过超塑成形形成肋和隔框，再通过扩散连接和另一块壁板连接到一起，因此在建模的时候，可以分别对内外表面进行逆向工程，再通过曲面赋厚成为实体，最后通过布尔运算将两个实体相加成为一个整体。首先合并外表面点云，使之成为一个整体的领域。使用平滑的自由曲面对外表面进行曲面拟合。由于两块壁板使用扩散连接的工艺方法连接，对内外表面贴合的要求非常高，而内表面因为肋条和隔框的存在使得曲面非常破碎，难以对内表面进行整体的拟合。因此，在本实验中，我们对外表面进行曲面偏移得到内表面，认为两表面平行度极高，加工制造误差可以忽略。而实际上，通过偏移得到的曲面在偏差检验模式中可以看到，和内表面非常贴合，偏差很小，总体误差小于0.1mm。在两个曲面的基础上，通过截平面法获得减重槽的形状信息，绘制草图。沿曲面的法线方向挤压成形，制成减重槽和肋的结构。之后通过测量壁板的厚度，赋予曲面厚度属性，成为实体(solidpart)。图1.8完成逆向工程后内外表面的偏差色图1.2.3实体模型文件传递和转换目前主流的三维建模软件所支持的三维实体模型文件格式有IGS文件、产品模型数据交互规范STEP(StandardfortheExchangeofProductmodeldata)和STL文件格式等。每一种文件格式对应一种标准接口和国际规范。其中，IGS文件来源于标准IGES，是一种使用广泛的不同系统的三维软件之间相互转换的文件格式，建立之初是基于波音公司CAx信息系统、和其他各种数据格式类型的相互转换。在发展过程中吸收了ESP中的CSG(ConstructiveSolidGeometry，体素构造法)，并在后来进行了针对有限元分析模型的改造和优化，并且在之后的更新中添加了B-rep(边界表示法)模型。但是IGS文件类型存在的问题在于：a)数据文件过大，打开文件所耗费的时间以及不同类型的数据格式之间相互转换的时间耗时太长。b)在数据转换是只保留了图形数据信息，而忽略了其他信息。尽管存在上述不足，IGES各国最常用的不同系统三维模型间相互转换的标准格式。STEP标准既是一种三维模型储存和传递的标准，同时也是一种产品信息的建模技术。因此，与IGS类型的文件不同的是，使用STEP标准格式的文件在不同的三维建模或者有限元分析软件之间传递信息时，不仅仅包含三维几何和图形信息，同时还包含独立于设计该模型的软件但又能完整描述该模型的特征树信息，例如该产品的设计、加工、检测、维护、材料等整个产品生命周期所需要用到的一切信息。STL(STereoLithography,立体光刻)，在3D打印中被广泛应用。和IGS文件相似的一点是，STL文件也仅能描述模型的表面形状，不包含模型的颜色、材质等信息。该文件标准为记录的数据为三角面片的三个顶点坐标和面片的法向向量的三个方向分量。在完成曲面构件的逆向工程需要将实体模型导出至有限元分析软件中进行下一步的装配变形仿真时，STL文件格式处理速度最快，适用性最广，几乎所有软件都能够支持，但同时也是效果最差的文件格式，应当尽量避免。使用STL格式传递模型时，会对表面重新划分三角面片，因此在导入如ABAQUS的模型管理模块进行重建模型时，所生成的特征点和线会发生改变。构建模型所用的线有时会被删除，新的模型中也会有新的线被自动计算得出，对网格划分、材料属性赋予都会带来额外的困难。IGS文件格式作为传递的中介时，模型转换速度比STL文件格式慢很多，但能够保留绝大部分特征，甚至作为参考使用的草图部分也能够得到保留，但是转换之后的模型因缺乏特征树等信息，无法更改，也无法将表面以特征的形式选定。STEP文件格式因为保存的是产品，是单个模型的上级概念，因而可以通过一个STEP文件传递多个独立的模型。转换得到模型在诸如ABAQUS的模型模块中以特征树的形式保存，因此可以对特征进行直接编辑，支持直接更改某一个特征的参数以达到更改模型的操作。然而逆向建模中有些建模方法在3D建模软件中缺乏通用性，不能被所有3D建模软件支持，因此在通过STEP传递转换文件格式的过程中，会丢失某些关键的特征。并且由于ST