基于三維光學(xué)掃描的汽車底盤設(shè)計

摘 要：應(yīng)用三維光學(xué)掃描技術(shù)，結(jié)合 Geomagic Studio逆向軟件和三維設(shè)計軟件對汽車底盤進(jìn)行設(shè)計研究。介紹三維掃描汽車底盤、采集底盤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程，其次進(jìn)行汽車底盤曲面的重構(gòu)和數(shù)字化建模，獲取汽車底盤的三維和二維圖像，最后探討 3D打印技術(shù)在汽車底盤快速成型上的應(yīng)用，證實(shí)光學(xué)三

維掃描技術(shù)和 3D打印技術(shù)在汽車底盤逆向設(shè)計及制造中的可行性。關(guān)鍵詞：三維光學(xué)掃描；汽車設(shè)計；逆向

1 引言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展下，人們認(rèn)識事物的角度已經(jīng)由二維逐漸向三維空間過度，與此同時，在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用三維光學(xué)掃描測量技術(shù)，三維光學(xué)掃描儀的測量又稱實(shí)景復(fù)制，在保護(hù)文物、研究醫(yī)藥、軍事訓(xùn)練、勘測工程等很多領(lǐng)域中都具有深遠(yuǎn)的意義，它具有的優(yōu)勢包括掃描快速、信息量巨大、實(shí)時性好、精確度高、自動化等。本設(shè)計研究采用的方式是非接觸式高速激光測量，這種方式能快速在復(fù)雜的環(huán)境下對被測物進(jìn)行掃描及測量，直接可以獲得被測物體表面的色彩以及三維坐標(biāo)等點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過計算機(jī)處理這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，并且結(jié)合逆向設(shè)計軟件Geomagic和相關(guān)三維設(shè)計軟件快速可以重構(gòu)出被測物的三維模型及各種圖形圖像數(shù)據(jù)。工程及地形測量、變形監(jiān)測、斷面和體積測量等很多個領(lǐng)域都可以應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，具有密度高、效率高、精度高、全數(shù)字特征等很多優(yōu)點(diǎn)。

以汽車底盤為研究對象，采用ATOS三維光學(xué)掃描儀（德國GOM公司生產(chǎn)），掃描汽車底盤形成底盤點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接下來便利用自動化逆向軟件Geomagic對底盤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和拼接，再利用CATIA等三維設(shè)計軟件對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修改優(yōu)化以及數(shù)字化建模，然后再導(dǎo)出與3D打印機(jī)兼容格式，實(shí)體建模。

2 逆向工程和三維激光掃描

2.1 逆向工程

逆向工程是一種產(chǎn)品設(shè)計重現(xiàn)的技術(shù)過程，也就是對目標(biāo)物體進(jìn)行的逆向分析及設(shè)計研究，從而得出該目標(biāo)物體的組織結(jié)構(gòu)、技術(shù)規(guī)格、特性功能及處理流程等重要要素，最后的產(chǎn)品功能相似，但是不完全雷同。它來源商業(yè)和軍事領(lǐng)域中的相關(guān)硬件分析。主要目的在于不能輕松獲得相關(guān)重要的詳細(xì)生產(chǎn)信息狀況下，可以直接通過成品進(jìn)行分析，得出目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計原理。

逆向工程被廣泛地應(yīng)用到開發(fā)新產(chǎn)品和改型設(shè)計產(chǎn)品、仿制產(chǎn)品、分析檢測質(zhì)量等領(lǐng)域，它的作用是：

（1）產(chǎn)品設(shè)計周期以及開發(fā)周期大大減少，更新速度也大大加快。

（2）企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的成本與風(fēng)險降低。

（3）新產(chǎn)品的外型以及系列化的設(shè)計加快。

（4）單個以及小批量的零件制造方便簡單快捷，特別是對于模具的制造設(shè)計，可分成直接制模法、間接制模法。直接制模法：直接制模法是快速將模具三維結(jié)果直接由 RP系統(tǒng)制造成型（基于RP技術(shù)）。該方法既不需要RP系統(tǒng)去制作樣品，也不需要依據(jù)傳統(tǒng)的制造工藝，特別對金屬模具制造更是快捷，這種制造模具方法是非常具有開發(fā)前景；間接制模法：它是把現(xiàn)有模型作為模芯（母?；蛑颇９ぞ撸├?Rp技術(shù)制造目標(biāo)產(chǎn)品原型，再與制模的傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，最終制造出所需模具。

2.2 三維光學(xué)掃描

三維光學(xué)掃描技術(shù)是近年來快速發(fā)展興起的新技術(shù)，越來越引起相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注重視。它的原理是利用激光測量距離，然后通過記錄被測目標(biāo)表面巨大數(shù)量的點(diǎn)的三維坐標(biāo)等各種信息，可以快速的重新建出被測物體的三維模型及線面體等各種圖形圖像數(shù)據(jù)。因?yàn)槿S光學(xué)掃描可以大量密集地取得目標(biāo)產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此它相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)來說，三維光學(xué)掃描技術(shù)也被稱作是從單點(diǎn)測量優(yōu)化到面測量的里程碑式的技術(shù)突破。三維光學(xué)掃描技術(shù)在保護(hù)文物古跡、規(guī)劃建筑、改建工廠、室內(nèi)設(shè)計、監(jiān)測建筑、處理交通事故、收集法律證據(jù)、評估災(zāi)害、設(shè)計船舶、數(shù)字城市、分析軍事

圖2 Geomagic處理圖像

等很多領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索。三維光學(xué)掃描系統(tǒng)包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的硬件部分以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照其載體的不同，三維光學(xué)掃描系統(tǒng)可分為機(jī)載式、車載式、地面和手持型。本研究采用的ATOS光學(xué)三維掃描儀由掃描頭、三角架、控制器及電腦組成，掃描速度可達(dá)到 2 500 000個測量點(diǎn)/s（約5 000 000點(diǎn)/秒），測量精度可達(dá)到0.03毫米，掃描儀如圖1所示。

應(yīng)用三維光學(xué)掃描技術(shù)來測量工件的具體尺寸及形狀。主要應(yīng)用在逆向工程領(lǐng)域，用于測量產(chǎn)品零件三維，曲面造型，在沒有技術(shù)支持的情況下對于現(xiàn)有三維實(shí)物、樣品或模型，可快速獲得目標(biāo)產(chǎn)品的輪廓數(shù)據(jù)，并且加以改動、建構(gòu)、編輯，最終輸出生成常用格式的曲面數(shù)字化模型。

3 汽車的逆向設(shè)計

3.1

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集及處理

3.1.1

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

為了獲得質(zhì)量較好的汽車底盤點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行一些前期處理操作，例如目標(biāo)產(chǎn)品參考位置的確定、噴涂顯像溶劑在物體表面及軟件的校核等。ATOS流動式三維光學(xué)掃描儀（德國GOM公司研制）是目前世界上較先進(jìn)的非接觸式光學(xué)掃描設(shè)施。該掃描儀采用的是可見光，將特定的光紋投影到目標(biāo)產(chǎn)品表面，再利用光柵測量原理和光學(xué)拍照定位技術(shù)，借助兩個較高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對光柵條紋進(jìn)行拍照，便可在很短的時間取得復(fù)雜物體表面的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。ATOS三維光學(xué)掃描儀特殊的流動式設(shè)計及不同角度點(diǎn)云的自動拼合技術(shù)，不需要再借助機(jī)床的驅(qū)動進(jìn)行掃描，掃描的范圍可達(dá)到18m，并且大型工件的掃描也變得高效便捷。其完美掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高質(zhì)量便可用于研發(fā)產(chǎn)品、快速成型、質(zhì)量監(jiān)控、逆向工程、模擬裝配，甚至還可以實(shí)現(xiàn)直接加工。

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在測量點(diǎn)云的時候，總會出現(xiàn)一些影響點(diǎn)云質(zhì)量的外界因素，例如震動的設(shè)備、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等，而且不能一次性測量點(diǎn)云，需要分步完成，把最終幾部分拼合在一起，在進(jìn)行模型建立之前就需要就對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理。大體可分為以下步驟：體外孤點(diǎn)、去除噪聲點(diǎn)云、拼合點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用軟件Geomagic進(jìn)行再處理，如圖2所示。

3.2 曲面重構(gòu)和數(shù)字化建模

在進(jìn)行逆向的過程中，重新對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行三維曲面重構(gòu)是最重要的一步。這是因?yàn)楫a(chǎn)品的再設(shè)計、模擬仿真、分析模型、加工制造的過程等方面都需要根據(jù)模型三維數(shù)據(jù)來繼續(xù)。三維數(shù)據(jù)模型越精確最終得到的結(jié)果也會越精確。想要獲得精確的三維數(shù)據(jù)模型，不僅需要良好的硬件設(shè)施和操作軟件設(shè)施，也和操作工人的熟練程度有很大的關(guān)聯(lián)。這個過程技術(shù)性強(qiáng)并且復(fù)雜、繁瑣，世界上的很多學(xué)者都對如何高效、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)模型的重新構(gòu)造進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，最終得到了眾多重新構(gòu)造的算法，根據(jù)曲面的類型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的來源、造型的方式，現(xiàn)在常見的曲面重構(gòu)算法可分成：

（1）規(guī)則排列的點(diǎn)和不規(guī)則排列的點(diǎn)（按照點(diǎn)云數(shù)據(jù)類型）。

（2）光學(xué)數(shù)據(jù)測量、三維坐標(biāo)測量、軟件造型等方法（按照點(diǎn)云數(shù)據(jù)來源）。

（3）由曲線到曲面，或者由曲面生成實(shí)體模型（按照生成造型的方式）。

（4）由曲面四邊B-樣條、曲面邊界、三角網(wǎng)格和三角面片表示的模型重構(gòu)。一般采取有理B-樣條、NURBS、Bezier曲面表示矩形區(qū)域面自由曲面重構(gòu)，但是采取NURBS、三角形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來表示離散點(diǎn)的自由曲面重構(gòu)（按照曲面表現(xiàn)形式）。

把數(shù)據(jù)點(diǎn)云通過插值逼近擬合成樣條曲線（參數(shù)曲線），然后把曲面面片的造型完成，再通過伸長、裁剪等編輯方法，將曲面獲得三維曲面模型，這是根據(jù)曲線創(chuàng)建三維曲面模型。

4 實(shí)物模型打印

快速成型技術(shù)，20世紀(jì)80年代成型，被普遍認(rèn)為是近20年在制造領(lǐng)域的一個非常重大成就，是一種基于材料堆積法的新型技術(shù)。通過逆向工程技術(shù)、機(jī)械工程、數(shù)碼控制技術(shù)、激光技術(shù)以及分層制造技術(shù)，可以高效、便捷、準(zhǔn)確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為擁有一定功能的產(chǎn)品，因此為制作零件原型、校驗(yàn)新設(shè)計思想等多個方面提供了低花費(fèi)高效率的實(shí)現(xiàn)途徑。目前國內(nèi)傳媒界普遍習(xí)慣把快速成型技術(shù)叫做“3D打印”或者“三維打印”，顯得比較生動形象。

本篇設(shè)計研究探討的兩種打印實(shí)物模型途徑，一種是將最終模型生成3D打印格式，然后再導(dǎo)入3D 打印機(jī)，利用相關(guān)材料（ABS塑料等）直接打印出3D的底盤，之后再繼續(xù)進(jìn)行加工。

5 結(jié)語

利用光學(xué)三維掃描技術(shù)獲取汽車底盤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再利用逆向設(shè)計進(jìn)行曲面重構(gòu)和數(shù)字化建模獲得三維模型，這是逆向工程的目前發(fā)展趨勢。在得到三維數(shù)據(jù)模型后，便可以直接通過3D打印機(jī)打印出實(shí)體模型，也可以作為外型檢驗(yàn)，或者導(dǎo)入數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行再加工，還可導(dǎo)入其他相關(guān)三維軟件輸出工程圖。

本研究以汽車底盤為研究對象，檢驗(yàn)證明了以上相關(guān)逆向工程的可行性。設(shè)計研究結(jié)果表明，在汽車底盤設(shè)計與制作方面，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，三維光學(xué)掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合的逆向工程可以使新產(chǎn)品的研發(fā)周期大大縮短，并且新產(chǎn)品的技術(shù)水平可以顯著提高，但目前還不能實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，這也將是今后重點(diǎn)研究及改進(jìn)的方向。

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