启飞汽车

摘要

    应用三维光学扫描技术，结合 Geomagic Studio 逆向软件和三维设计软件对汽车底盘进行设计研究。介绍三维扫描汽车底盘、采集底盘的点云数据和处理点云数据过程，其次进行汽车底盘曲面的重构和数字化建模，获取汽车底盘的三维和二维图像，最后探讨 3D 打印技术在汽车底盘快速成型上的应用，证实光学三维扫描技术和 3D 打印技术在汽车底盘逆向设计及制造中的可行性。

一、引言

    在科学技术飞速发展下，人们认识事物的角度已经由二维逐渐向三维空间过度，与此同时，在各个领域广泛应用三维光学扫描测量技术，三维光学扫描仪的测量又称实景复制，在保护文物、研究医药、军事训练、勘测工程等很多领域中都具有深远的意义，它具有的优势包括扫描快速、信息量巨大、实时性好、精确度高、自动化等。本设计研究采用的方式是非接触式高速激光测量，这种方式能快速在复杂的环境下对被测物进行扫描及测量，直接可以获得被测物体表面的色彩以及三维坐标等点云数据。经过计算机处理这些点云数据后，并且结合逆向设计软件Geomagic和相关三维设计软件快速可以重构出被测物的三维模型及各种图形图像数据。工程及地形测量、变形监测、断面和体积测量等很多个领域都可以应用这项技术，具有密度高、效率高、精度高、全数字特征等很多优点。
    以汽车底盘为研究对象，采用ATOS三维光学扫描仪（德国GOM公司生产），扫描汽车底盘形成底盘点云数据，接下来便利用自动化逆向软件Geomagic对底盘的点云数据进行快速处理和拼接，再利用CATIA等三维设计软件对三维点云数据进行修改优化以及数字化建模，然后再导出与3D打印机兼容格式，实体建模。
 

二、逆向工程和三维激光扫描

1. 逆向工程

    逆向工程是一种产品设计重现的技术过程，也就是对目标物体进行的逆向分析及设计研究，从而得出该目标物体的组织结构、技术规格、特性功能及处理流程等重要要素，最后的产品功能相似，但是不完全雷同。它来源商业和军事领域中的相关硬件分析。主要目的在于不能轻松获得相关重要的详细生产信息状况下，可以直接通过成品进行分析，得出目标产品的设计原理。
    逆向工程是一种产品设计重现的技术过程，也就是对目标物体进行的逆向分析及设计研究，从而得出该目标物体的组织结构、技术规格、特性功能及处理流程等重要要素，最后的产品功能相似，但是不完全雷同。它来源商业和军事领域中的相关硬件分析。主要目的在于不能轻松获得相关重要的详细生产信息状况下，可以直接通过成品进行分析，得出目标产品的设计原理。
   （1）产品设计周期以及开发周期大大减少，更新速度也大大加快。
   （2）企业开发新产品的成本与风险降低。
   （3）新产品的外型以及系列化的设计加快。
   （4）单个以及小批量的零件制造方便简单快捷，特别是对于模具的制造设计，可分成直接制模法、间接制模法。直接制模法：直接制模法是快速将模具三维结果直接由RP系统制造成型（基于RP技术）。该方法既不需要RP系统去制作样品，也不需要依据传统的制造工艺，特别对金属模具制造更是快捷，这种制造模具方法是非常具有开发前景；间接制模法：它是把现有模型作为模芯（母模或制模工具）利用Rp技术制造目标产品原型，再与制模的传统工艺相结合，最终制造出所需模具。

2. 三维光学扫描

    三维光学扫描技术是近年来快速发展兴起的新技术，越来越引起相关研究领域的关注重视。它的原理是利用激光测量距离，然后通过记录被测目标表面巨大数量的点的三维坐标等各种信息，可以快速的重新建出被测物体的三维模型及线面体等各种图形图像数据。因为三维光学扫描可以大量密集地取得目标产品的点云数据，因此它相对于传统的单点测量技术来说，三维光学扫描技术也被称作是从单点测量优化到面测量的里程碑式的技术突破。三维光学扫描技术在保护文物古迹、规划建筑、改建工厂、室内设计、监测建筑、处理交通事故、收集法律证据、评估灾害、设计船舶、数字城市、分析军事等很多领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维光学扫描系统包含点云数据采集的硬件部分以及点云数据处理的软件部分。按照其载体的不同，三维光学扫描系统可分为机载式、车载式、地面和手持型。本研究采用的ATOS光学三维扫描仪由扫描头、三角架、控制器及电脑组成，扫描速度可达到2500 000个测量点/s（约5 000 000点/秒），测量精度可达到0.03毫米，扫描仪如图1所示。
 

    应用三维光学扫描技术来测量工件的具体尺寸及形状。主要应用在逆向工程领域，用于测量产品零件三维，曲面造型，在没有技术支持的情况下对于现有三维实物、样品或模型，可快速获得目标产品的轮廓数据，并且加以改动、建构、编辑，最终输出生成常用格式的曲面数字化模型。

三、汽车的逆向设计

1. 点云数据的采集及处理

1.1点云数据的采集

    为了获得质量较好的汽车底盘点云数据，首先要进行一些前期处理操作，例如目标产品参考位置的确定、喷涂显像溶剂在物体表面及软件的校核等。ATOS流动式三维光学扫描仪（德国GOM公司研制）是目前世界上较先进的非接触式光学扫描设施。该扫描仪采用的是可见光，将特定的光纹投影到目标产品表面，再利用光栅测量原理和光学拍照定位技术，借助两个较高分辨率的数码相机对光栅条纹进行拍照，便可在很短的时间取得复杂物体表面的完整点云数据。ATOS三维光学扫描仪特殊的流动式设计及不同角度点云的自动拼合技术，不需要再借助机床的驱动进行扫描，扫描的范围可达到18m，并且大型工件的扫描也变得高效便捷。其完美扫描点云数据的高质量便可用于研发产品、快速成型、质量监控、逆向工程、模拟装配，甚至还可以实现直接加工。

1.2点云数据处理

    在测量点云的时候，总会出现一些影响点云质量的外界因素，例如震动的设备、环境温度、环境湿度等，而且不能一次性测量点云，需要分步完成，把最终几部分拼合在一起，在进行模型建立之前就需要就对点云数据进行预先处理。大体可分为以下步骤：体外孤点、去除噪声点云、拼合点云数据。利用软件Geomagic进行再处理，如图2所示。
 

2. 曲面重构和数字化建模

    在进行逆向的过程中，重新对目标产品进行三维曲面重构是最重要的一步。这是因为产品的再设计、模拟仿真、分析模型、加工制造的过程等方面都需要根据模型三维数据来继续。三维数据模型越精确最终得到的结果也会越精确。想要获得精确的三维数据模型，不仅需要良好的硬件设施和操作软件设施，也和操作工人的熟练程度有很大的关联。这个过程技术性强并且复杂、繁琐，世界上的很多学者都对如何高效、准确实现模型的重新构造进行了大量的实验和总结，最终得到了众多重新构造的算法，根据曲面的类型、点云数据的来源、造型的方式，现在常见的曲面重构算法可分成：
   （1）规则排列的点和不规则排列的点（按照点云数据类型）。
   （2）光学数据测量、三维坐标测量、软件造型等方法（按照点云数据来源）。
   （3）由曲线到曲面，或者由曲面生成实体模型（按照生成造型的方式）。
   （4）由曲面四边B-样条、曲面边界、三角网格和三角面片表示的模型重构。一般采取有理B-样条、NURBS、Bezier曲面表示矩形区域面自由曲面重构，但是采取NURBS、三角形的拓扑结构来表示离散点的自由曲面重构（按照曲面表现形式）。
   把数据点云通过插值逼近拟合成样条曲线（参数曲线），然后把曲面面片的造型完成，再通过伸长、裁剪等编辑方法，将曲面获得三维曲面模型，这是根据曲线创建三维曲面模型。

四、实物模型打印

    快速成型技术，20世纪80年代成型，被普遍认为是近20年在制造领域的一个非常重大成就，是一种基于材料堆积法的新型技术。通过逆向工程技术、机械工程、数码控制技术、激光技术以及分层制造技术，可以高效、便捷、准确地将设计思想转化为拥有一定功能的产品，因此为制作零件原型、校验新设计思想等多个方面提供了低花费高效率的实现途径。目前国内传媒界普遍习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”，显得比较生动形象。
本篇设计研究探讨的两种打印实物模型途径，一种是将最终模型生成3D打印格式，然后再导入3D 打印机，利用相关材料（ABS塑料等）直接打印出3D的底盘，之后再继续进行加工。

五、结语

    利用光学三维扫描技术获取汽车底盘的点云数据，然后再利用逆向设计进行曲面重构和数字化建模获得三维模型，这是逆向工程的目前发展趋势。在得到三维数据模型后，便可以直接通过3D 打印机打印出实体模型，也可以作为外型检验，或者导入数控加工机床进行再加工，还可导入其他相关三维软件输出工程图。
    本研究以汽车底盘为研究对象，检验证明了以上相关逆向工程的可行性。设计研究结果表明，在汽车底盘设计与制作方面，与传统的设计方法相比，三维光学扫描技术和3D打印技术结合的逆向工程可以使新产品的研发周期大大缩短，并且新产品的技术水平可以显著提高，但目前还不能实现大批量的生产，这也将是今后重点研究及改进的方向。

作者：王振 凌秀军   来源：时代汽车
 

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