启飞汽车

　　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。

 

　　2 逆向工程和三维激光扫描

 

　　2.1 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。

 

　　逆向工程被广泛地应用到开发新产品和改型设计产品、仿制产品、分析检测质量等领域，它的作用是：

 

　　（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技術制造目标产品原型，再与制模的传统工艺相结合，最终制造出所需模具。

 

　　2.2 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

 

　　图2 Geomagic处理图像

 

　　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 2 500 000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。

 

　　3 汽车的逆向设计

 

　　3.1

 

　　点云数据的采集及处理

 

　　3.1.1

 

　　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。