基于三維激光掃描的汽車(chē)零部件逆向設(shè)計(jì)研究

    以汽車(chē)座椅為研究對(duì)象，采用加拿大Creaform公司生產(chǎn)的MetraSCAN 3D激光掃描儀，掃描產(chǎn)品形成點(diǎn)云，接下來(lái)利用自動(dòng)化逆向軟件Geomagic Studio 對(duì)點(diǎn)云快速處理和拼接，再利用三維設(shè)計(jì)軟件 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改并進(jìn)行數(shù)字化建模，最后導(dǎo)出3D打印機(jī)所需格式，實(shí)體建模。

1 逆向工程和三維激光掃描

    1.1 逆向工程

    逆向工程也叫反求工程，是指利用已有的模型和實(shí)物，通過(guò)一定的測(cè)量方法獲取三維數(shù)字模型，進(jìn)一步利用相關(guān)的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行修改的二次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。逆向工程的主要步驟為樣品數(shù)字化、數(shù)據(jù)修改和實(shí)體建模，如圖1所示。

圖1 逆向工程示意圖

    (1) 樣品數(shù)字化。通過(guò)三維激光掃描儀等數(shù)字化儀器對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，獲取樣品的三維數(shù)字模型。

    (2) 數(shù)據(jù)修改。利用數(shù)據(jù)三維軟件對(duì)獲取的數(shù)字模型進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出比原有樣品更加先進(jìn)的產(chǎn)品。

    (3) 實(shí)體建模。通過(guò)快速成型設(shè)備，直接生產(chǎn)出樣品進(jìn)行驗(yàn)證和檢測(cè)并根據(jù)需要進(jìn)行完善，利用真空鑄型設(shè)備進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)，進(jìn)行小批量生產(chǎn)．

    1.2 三維激光掃描

    三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是基于面的數(shù)據(jù)采集方式． 本研究采用的三維激光掃描儀由動(dòng)作捕捉儀、手持激光頭和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，掃描速度為36000個(gè)測(cè)量點(diǎn)/s( 約720000點(diǎn)/s) ，精度可達(dá)0.05 mm，掃描儀如圖2所示。手持激光頭發(fā)射出激光束投射到物體表面，經(jīng)反射后由激光接收器獲取物體表面反射的光線，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)( 云點(diǎn))，圖2三維激光掃描儀進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)，再將三維模型反映在自帶的數(shù)據(jù)處理軟件中。掃描后生成 stl 格式的文件，導(dǎo)入逆向軟件 Geomagic Studio 并進(jìn)行快速處理。

圖2 三維激光掃描儀

2 汽車(chē)座椅的逆向設(shè)計(jì)

    2.1 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

    2.1.1 三維掃描

    (1) 前期準(zhǔn)備

    為了保證汽車(chē)座椅掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)。在座椅上貼 3個(gè)以上的特征點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)貼放時(shí)以盡量不影響座椅特征點(diǎn)掃描為原則，相互之間的距離大于或等于 5mm，盡量貼在沒(méi)有特征點(diǎn)的平面，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。掃描座椅時(shí)，有3.8m^3和7.8m^3 兩個(gè)空間可選擇，如選擇3.8m^3空間，座椅距離動(dòng)作捕捉儀以2m 左右為最佳; 如選擇 7.8m^3 ，以3m為最佳距離。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適當(dāng)調(diào)整光照，光線越暗越好，若亮度太高，會(huì)干擾激光的反射，此時(shí)應(yīng)采取措施減少光亮，如采用篷布遮擋光源、將物體置于陰涼處等，盡量減少其他光線的干擾． 根據(jù)座椅顏色調(diào)整掃描儀功率，一般設(shè)置掃描儀激光發(fā)射功率為其額定功率的 80%。根據(jù)座椅形狀選取最佳的掃描角度和距離，掃描儀距離被測(cè)物體 300mm 左右。

    (2) 掃描過(guò)程

    本掃描儀可以一次性掃描座椅，將手持激光頭置于動(dòng)態(tài)捕捉儀視野范圍內(nèi)勻速移動(dòng)，發(fā)射激光到汽車(chē)座椅表面直至掃描結(jié)束，盡量不留死角，座椅的三維數(shù)據(jù)會(huì)完全呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理軟件中。

    (3) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

    掃描儀采集的比較密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云，反映在數(shù)據(jù)處理軟件中如圖3所示。

圖3 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

  2.1.2 點(diǎn)云處理

    將以上點(diǎn)云數(shù)據(jù)以stl 格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入 Geomagic Studio 軟件進(jìn)行降噪和修補(bǔ)處理。

     (1) 數(shù)據(jù)降噪

    在掃描過(guò)程中，由于環(huán)境變化、軟件計(jì)算失誤和其他人為因素，數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)異常誤差點(diǎn)，對(duì)于偏離較大的點(diǎn)和孤立的點(diǎn)可以根據(jù)直接觀察法手動(dòng)刪除，對(duì)于無(wú)法直接刪除的可以采用軟件中的去除特征、松弛表面和刪除釘狀物等方法進(jìn)行光滑處理。

    (2) 數(shù)據(jù)修補(bǔ)

    對(duì)于掃描過(guò)程中數(shù)據(jù)采集不完全和局部數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題，軟件會(huì)根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模擬并自動(dòng)修補(bǔ)孔洞，圖4為汽車(chē)座椅處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

    2.2 曲面重構(gòu)和數(shù)字化建模

    曲面重構(gòu)是根據(jù)已有曲面數(shù)據(jù)去構(gòu)造反映其形狀的數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。曲面重構(gòu)是逆向工程的重點(diǎn)，目的是確定一個(gè)曲面逼近未知曲面。它包括兩方面的含義，一是已有的曲面數(shù)據(jù)是曲面重構(gòu)的根據(jù); 二是已有的曲面是決定和衡量重構(gòu)所得曲面模型質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

    目前，曲面重構(gòu)的方法有以下 3 種:

    ①B樣條和 NURBS 曲面為基礎(chǔ)的四邊域曲面構(gòu)造方法;

    ②以三角Bezier 曲面為基礎(chǔ)的三邊域曲面構(gòu)造方法;

    ③以多面體方式來(lái)描述曲面物體。

    重構(gòu)曲面的品質(zhì)和精度直接影響最終產(chǎn)品CAD模型的優(yōu)劣，在目前的CAD/CAM 系統(tǒng)中，大多采用B樣條和 NURBS 曲面作為其內(nèi)部統(tǒng)一的幾何表達(dá)形式。用該方法進(jìn)行曲面重構(gòu)與一般的 CAD 系統(tǒng)兼容性較好，可以直接利用現(xiàn)有 CAD 系統(tǒng)的許多功能，便于和其他 CAD 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具體包括以下兩個(gè)方面。

    2.2.1 曲面設(shè)計(jì)

    本次汽車(chē)座椅的逆向設(shè)計(jì)采用 Geomagic Studio 和 CATIA 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)。前者可根據(jù)任何實(shí)物零部件通過(guò)掃描點(diǎn)點(diǎn)云自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型，后者作為 PLM 協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，支持從項(xiàng)目具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程，擁有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)模塊。

    汽車(chē)座椅根據(jù)人體設(shè)計(jì)，曲面非常復(fù)雜，在構(gòu)造汽車(chē)座椅曲面時(shí)，對(duì)修補(bǔ)后的點(diǎn)云文件進(jìn)行曲面分塊，保證面和面之間能夠相切連續(xù)或曲率連續(xù)，對(duì)劃分好的曲面構(gòu)造出特征點(diǎn)和特征線，按相應(yīng)的曲面擬合算法對(duì)各曲面進(jìn)行拼接． 運(yùn)用數(shù)字曲面編輯模塊 DSE( Digitized Shape Editor) 、快速曲面重構(gòu)模塊 QSR( Quick Sur-face Reconstruction) 和自由曲面造型模塊 FSS( Free Style Shape) 等方法，結(jié)合座椅的實(shí)際樣式，構(gòu)造出三維圖形，如圖5所示。

圖5 曲面重構(gòu)圖

    2.2.2 生成三維和二維模型

    對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行延展、過(guò)渡、相交、裁剪、縫合和倒角處理，實(shí)體轉(zhuǎn)換得到三維實(shí)體模型。重構(gòu)好的三維實(shí)體模型可根據(jù)設(shè)計(jì)需要生成二維工程圖，或者進(jìn)行數(shù)控制造，或者對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和仿真分析。圖6為汽車(chē)座椅的三維實(shí)體模型。

圖6 汽車(chē)座椅三維實(shí)體模型

    2.3 實(shí)物模型打印

    實(shí)物模型打印就是快速成型技術(shù)，本研究探討兩種打印實(shí)物模型的途徑，一是生成3D 打印格式，導(dǎo)入3D打印機(jī)，利用所需材料( 一般為金屬或 ABS 塑料) 直接打印出3D座椅，之后再進(jìn)行加工; 二是無(wú)模具鑄造，3D打印出座椅模型( 一般為PS粉)，再翻模制造出汽車(chē)座椅模具，利用傳統(tǒng)工藝大批量生產(chǎn)。圖7是用ABS 塑料打印出的汽車(chē)座椅模型。

圖7 3D 打印局部汽車(chē)座椅模型

3 結(jié)語(yǔ)

    利用三維掃描技術(shù)獲取待測(cè)模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用逆向和正向設(shè)計(jì)造型，這是逆向工程的發(fā)展趨勢(shì)。獲得三維模型后，可以直接輸入3D打印機(jī)，打印出實(shí)物模型，作為外觀或裝配驗(yàn)證，也可以導(dǎo)入數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行加工，還可以導(dǎo)入其他 CAD 軟件( 如 SolidWorks 軟件) 中輸出工程圖。

    本研究以汽車(chē)座椅為研究對(duì)象，驗(yàn)證了以上逆向工程的可行性。結(jié)果表明，在汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)與制作方面，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，三維掃描和 3D 打印集合的逆向工程可以縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，還可以顯著提高新產(chǎn)品的技術(shù)水平，但還不能大批量生產(chǎn)，這也是今后重點(diǎn)研究和改進(jìn)的方向。