楊　航,徐松戰(zhàn)

(1. 北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081; 2. 河南礦山搶險救災(zāi)中心, 河南 鄭州 450016))

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基于三維激光掃描的汽車零部件逆向設(shè)計研究

楊航1,徐松戰(zhàn)2

(1. 北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081; 2. 河南礦山搶險救災(zāi)中心, 河南 鄭州 450016))

摘要：采用三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合逆向軟件Geomagic Studio和三維設(shè)計軟件CATIA對汽車座椅進(jìn)行逆向設(shè)計.首先介紹了汽車座椅的三維掃描、數(shù)據(jù)采集和點云處理過程，然后進(jìn)行曲面設(shè)計和數(shù)字化建模，獲取汽車座椅的三維和二維圖形，最后探討了兩種3D打印模式在汽車座椅快速成型上的應(yīng)用,證實了三維掃描和3D打印在汽車座椅逆向設(shè)計及制造中的可行性.

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計；三維激光掃描；汽車零部件

先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)航空航天和汽車制造等領(lǐng)域，其主要特點是二維向三維轉(zhuǎn)變，核心技術(shù)是建模與仿真，趨勢是采用全三維、基于模型的設(shè)計制造[1-2].基于三維掃描的逆向工程是一種先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計技術(shù).早期汽車零部件產(chǎn)品的逆向設(shè)計多使用卡尺、皮尺等直接測量部分關(guān)鍵尺寸，效率低且誤差較大.目前,多采用三維激光掃描儀和三坐標(biāo)測量儀結(jié)合進(jìn)行測量.利用激光掃描儀獲得產(chǎn)品表面的點云，再通過三維點云數(shù)據(jù)拼接軟件與三維曲面的擬合軟件對產(chǎn)品進(jìn)行三維數(shù)字化建模,最后利用三坐標(biāo)測量儀得到零件主要特征的高精度尺寸，進(jìn)一步修正模型[3-4].

以汽車座椅為研究對象，采用加拿大Creaform公司生產(chǎn)的MetraSCAN 3D激光掃描儀，掃描產(chǎn)品形成點云,接下來利用自動化逆向軟件Geomagic Studio對點云快速處理和拼接,再利用三維設(shè)計軟件CATIA對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改并進(jìn)行數(shù)字化建模,最后導(dǎo)出3D打印機所需格式，實體建模.

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物，通過一定的測量方法獲取三維數(shù)字模型，進(jìn)一步利用相關(guān)的三維設(shè)計軟件進(jìn)行修改的二次設(shè)計開發(fā)過程.逆向工程的主要步驟為樣品數(shù)字化、數(shù)據(jù)修改和實體建模，如圖1所示.

圖1　逆向工程示意圖Fig.1　The sketch map of reverse engineering

(1)樣品數(shù)字化.通過三維激光掃描儀等數(shù)字化儀器對樣品進(jìn)行測量，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)三維軟件對獲取的數(shù)字模型進(jìn)行修改，設(shè)計出比原有樣品更加先進(jìn)的產(chǎn)品.

(3)實體建模.通過快速成型設(shè)備，直接生產(chǎn)出樣品進(jìn)行驗證和檢測并根據(jù)需要進(jìn)行完善,利用真空鑄型設(shè)備進(jìn)行模具開發(fā)，進(jìn)行小批量生產(chǎn).

1.2三維激光掃描

圖2　三維激光掃描儀Fig.2　3D laser scanner

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為實景復(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36 000個測量點/s(約720 000點/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)自動解算得出被測點的相對三維坐標(biāo)(云點)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對坐標(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.

2汽車座椅的逆向設(shè)計

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

為了保證汽車座椅掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn).在座椅上貼3個以上的特征點，標(biāo)志點貼放時以盡量不影響座椅特征點掃描為原則，相互之間的距離大于或等于5 mm，盡量貼在沒有特征點的平面，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實可靠.掃描座椅時,有3.8 m3和7.8 m3兩個空間可選擇,如選擇3.8 m3空間，座椅距離動作捕捉儀以2 m左右為最佳；如選擇7.8 m3，以3 m為最佳距離.根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境適當(dāng)調(diào)整光照，光線越暗越好，若亮度太高，會干擾激光的反射，此時應(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，掃描儀距離被測物體300 mm左右.

(2)掃描過程

本掃描儀可以一次性掃描座椅，將手持激光頭置于動態(tài)捕捉儀視野范圍內(nèi)勻速移動，發(fā)射激光到汽車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)會完全呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理軟件中.

(3)點云數(shù)據(jù)采集

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

2.1.2點云處理

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

(1)數(shù)據(jù)降噪

在掃描過程中，由于環(huán)境變化、軟件計算失誤和其他人為因素，數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)異常誤差點，對于偏離較大的點和孤立的點可以根據(jù)直接觀察法手動刪除，對于無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

對于掃描過程中數(shù)據(jù)采集不完全和局部數(shù)據(jù)缺失的問題，軟件會根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行計算模擬并自動修補孔洞，圖4為汽車座椅處理后的點云數(shù)據(jù).

圖3　原始點云數(shù)據(jù)Fig.3　The original point cloud data

圖4　處理后點云數(shù)據(jù)Fig.4　The processed data

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)模型的過程.曲面重構(gòu)是逆向工程的重點，目的是確定一個曲面逼近未知曲面.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,具體包括以下兩個方面.

2.2.1曲面設(shè)計

本次汽車座椅的逆向設(shè)計采用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)任何實物零部件通過掃描點點云自動生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型,后者作為PLM協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，可以幫助制造廠商設(shè)計他們未來的產(chǎn)品，支持從項目具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程，擁有強大的曲面設(shè)計模塊.

汽車座椅根據(jù)人體設(shè)計，曲面非常復(fù)雜，在構(gòu)造汽車座椅曲面時，對修補后的點云文件進(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)，對劃分好的曲面構(gòu)造出特征點和特征線，按相應(yīng)的曲面擬合算法對各曲面進(jìn)行拼接.運用數(shù)字曲面編輯模塊DSE(Digitized Shape Editor)、快速曲面重構(gòu)模塊QSR(Quick Surface Reconstruction)和自由曲面造型模塊FSS(Free Style Shape)等方法，結(jié)合座椅的實際樣式，構(gòu)造出三維圖形,如圖5所示.

2.2.2生成三維和二維模型

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

圖5　曲面重構(gòu)圖Fig.5　Surface reconstruction diagram

圖6　汽車座椅三維實體模型Fig.6　The 3D solid model of auto seat

2.3實物模型打印

實物模型打印就是快速成型技術(shù)，本研究探討兩種打印實物模型的途徑,一是生成3D打印格式，導(dǎo)入3D打印機，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塑料打印出的汽車座椅模型.

圖7　3D打印局部汽車座椅模型Fig.7　The model of local car sea by 3D printing

3結(jié)語

利用三維掃描技術(shù)獲取待測模型的點云數(shù)據(jù)，再利用逆向和正向設(shè)計造型，這是逆向工程的發(fā)展趨勢.獲得三維模型后，可以直接輸入3D打印機，打印出實物模型，作為外觀或裝配驗證,也可以導(dǎo)入數(shù)控加工機床進(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.

本研究以汽車座椅為研究對象，驗證了以上逆向工程的可行性.結(jié)果表明，在汽車座椅設(shè)計與制作方面，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，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),這也是今后重點研究和改進(jìn)的方向.

參考文獻(xiàn)：

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Research on reverse design of auto parts based on 3D laser scanning

YANG Hang1, XU Songzhan2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;

2.HenanRescuingCenterforMineralDisaster,Zhengzhou450016,China)

Abstract:A way of reverse design was introduced in this paper. It used 3D laser scanning technology combined with the reverse engineering software Geomagic Studio and 3D design software CATIA. Firstly, 3D scanning, data acquisition and the point cloud processing were introduced. Next, the surface design and digital modeling are done to get the 3D peacekeeping and 2D graphics for car seats. Finally, the two 3D printing patterns in the automotive application of rapid prototyping are discussed. The results proved that the 3D scanning and 3D printing are feasible in the reverse design and manufacture of car seat.

Key words:reverse design; 3D laser scanning; auto parts

作者簡介：楊航(1993-)，男，河南新密人，本科生，主要從事機械工程及自動化方面的研究.

收稿日期：2014-10-12

中圖分類號：U463;TP391.72;TB237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-330X(2015)01-0044-04