基于三维激光扫描的汽车零部件逆向设计研究

杨　航,徐松战

(1. 北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081; 2. 河南矿山抢险救灾中心, 河南 郑州 450016))



基于三维激光扫描的汽车零部件逆向设计研究

杨航1,徐松战2

(1. 北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081; 2. 河南矿山抢险救灾中心, 河南 郑州 450016))

摘要：采用三维激光扫描技术，结合逆向软件Geomagic Studio和三维设计软件CATIA对汽车座椅进行逆向设计.首先介绍了汽车座椅的三维扫描、数据采集和点云处理过程，然后进行曲面设计和数字化建模，获取汽车座椅的三维和二维图形，最后探讨了两种3D打印模式在汽车座椅快速成型上的应用,证实了三维扫描和3D打印在汽车座椅逆向设计及制造中的可行性.

关键词：逆向设计；三维激光扫描；汽车零部件

先进数字化制造技术已被广泛应用于国内航空航天和汽车制造等领域，其主要特点是二维向三维转变，核心技术是建模与仿真，趋势是采用全三维、基于模型的设计制造[1-2].基于三维扫描的逆向工程是一种先进的数字化设计技术.早期汽车零部件产品的逆向设计多使用卡尺、皮尺等直接测量部分关键尺寸，效率低且误差较大.目前,多采用三维激光扫描仪和三坐标测量仪结合进行测量.利用激光扫描仪获得产品表面的点云，再通过三维点云数据拼接软件与三维曲面的拟合软件对产品进行三维数字化建模,最后利用三坐标测量仪得到零件主要特征的高精度尺寸，进一步修正模型[3-4].

以汽车座椅为研究对象，采用加拿大Creaform公司生产的MetraSCAN 3D激光扫描仪，扫描产品形成点云,接下来利用自动化逆向软件Geomagic Studio对点云快速处理和拼接,再利用三维设计软件CATIA对数据进行修改并进行数字化建模,最后导出3D打印机所需格式，实体建模.

1逆向工程和三维激光扫描

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实物，通过一定的测量方法获取三维数字模型，进一步利用相关的三维设计软件进行修改的二次设计开发过程.逆向工程的主要步骤为样品数字化、数据修改和实体建模，如图1所示.

图1　逆向工程示意图Fig.1　The sketch map of reverse engineering

(1)样品数字化.通过三维激光扫描仪等数字化仪器对样品进行测量，获取样品的三维数字模型.

(2)数据修改.利用数据三维软件对获取的数字模型进行修改，设计出比原有样品更加先进的产品.

(3)实体建模.通过快速成型设备，直接生产出样品进行验证和检测并根据需要进行完善,利用真空铸型设备进行模具开发，进行小批量生产.

1.2三维激光扫描

图2　三维激光扫描仪Fig.2　3D laser scanner

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为实景复制技术，是基于面的数据采集方式.本研究采用的三维激光扫描仪由动作捕捉仪、手持激光头和数据处理系统组成，扫描速度为36 000个测量点/s(约720 000点/s)，精度可达0.05 mm,扫描仪如图2所示.

手持激光头发射出激光束投射到物体表面，经反射后由激光接收器获取物体表面反射的光线，数据处理系统自动解算得出被测点的相对三维坐标(云点)，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标，再将三维模型反映在自带的数据处理软件中.扫描后生成stl格式的文件，导入逆向软件Geomagic Studio并进行快速处理.

2汽车座椅的逆向设计

2.1数据采集和预处理

2.1.1三维扫描

(1)前期准备

为了保证汽车座椅扫描数据的准确性，需要对扫描仪进行校准.在座椅上贴3个以上的特征点，标志点贴放时以尽量不影响座椅特征点扫描为原则，相互之间的距离大于或等于5 mm，尽量贴在没有特征点的平面，以保证扫描数据的真实可靠.扫描座椅时,有3.8 m3和7.8 m3两个空间可选择,如选择3.8 m3空间，座椅距离动作捕捉仪以2 m左右为最佳；如选择7.8 m3，以3 m为最佳距离.根据现场环境适当调整光照，光线越暗越好，若亮度太高，会干扰激光的反射，此时应采取措施减少光亮，如采用篷布遮挡光源、将物体置于阴凉处等,尽量减少其他光线的干扰.根据座椅颜色调整扫描仪功率,一般设置扫描仪激光发射功率为其额定功率的80%.根据座椅形状选取最佳的扫描角度和距离，扫描仪距离被测物体300 mm左右.

(2)扫描过程

本扫描仪可以一次性扫描座椅，将手持激光头置于动态捕捉仪视野范围内匀速移动，发射激光到汽车座椅表面直至扫描结束,尽量不留死角，座椅的三维数据会完全呈现在数据处理软件中.

(3)点云数据采集

扫描仪采集的比较密集的数据点称为点云，反映在数据处理软件中如图3所示.

2.1.2点云处理

将以上点云数据以stl格式导出，再导入Geomagic Studio软件进行降噪和修补处理.

(1)数据降噪

在扫描过程中，由于环境变化、软件计算失误和其他人为因素，数据中会出现异常误差点，对于偏离较大的点和孤立的点可以根据直接观察法手动删除，对于无法直接删除的可以采用软件中的去除特征、松弛表面和删除钉状物等方法进行光滑处理.

(2)数据修补

对于扫描过程中数据采集不完全和局部数据缺失的问题，软件会根据已有数据进行计算模拟并自动修补孔洞，图4为汽车座椅处理后的点云数据.

图3　原始点云数据Fig.3　The original point cloud data

图4　处理后点云数据Fig.4　The processed data

2.2曲面重构和数字化建模

曲面重构是根据已有曲面数据去构造反映其形状的数学模型的过程.曲面重构是逆向工程的重点，目的是确定一个曲面逼近未知曲面.它包括两方面的含义,一是已有的曲面数据是曲面重构的根据；二是已有的曲面是决定和衡量重构所得曲面模型质量的标准.

目前,曲面重构的方法有以下3种：

①B样条和NURBS曲面为基础的四边域曲面构造方法；

②以三角Bezier曲面为基础的三边域曲面构造方法；

③以多面体方式来描述曲面物体.

重构曲面的品质和精度直接影响最终产品CAD模型的优劣，在目前的CAD/CAM系统中，大多采用B样条和NURBS曲面作为其内部统一的几何表达形式.用该方法进行曲面重构与一般的CAD系统兼容性较好，可以直接利用现有CAD系统的许多功能，便于和其他CAD系统进行数据交换,具体包括以下两个方面.

2.2.1曲面设计

本次汽车座椅的逆向设计采用Geomagic Studio和CATIA软件进行数据处理和曲面重构.前者可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型,后者作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，支持从项目具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程，拥有强大的曲面设计模块.

汽车座椅根据人体设计，曲面非常复杂，在构造汽车座椅曲面时，对修补后的点云文件进行曲面分块，保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，对划分好的曲面构造出特征点和特征线，按相应的曲面拟合算法对各曲面进行拼接.运用数字曲面编辑模块DSE(Digitized Shape Editor)、快速曲面重构模块QSR(Quick Surface Reconstruction)和自由曲面造型模块FSS(Free Style Shape)等方法，结合座椅的实际样式，构造出三维图形,如图5所示.

2.2.2生成三维和二维模型

对重构的曲面进行延展、过渡、相交、裁剪、缝合和倒角处理，实体转换得到三维实体模型.重构好的三维实体模型可根据设计需要生成二维工程图,或者进行数控制造,或者对模型的结构进行有限元分析和仿真分析.图6为汽车座椅的三维实体模型.

图5　曲面重构图Fig.5　Surface reconstruction diagram

图6　汽车座椅三维实体模型Fig.6　The 3D solid model of auto seat

2.3实物模型打印

实物模型打印就是快速成型技术，本研究探讨两种打印实物模型的途径,一是生成3D打印格式，导入3D打印机，利用所需材料(一般为金属或ABS塑料)直接打印出3D座椅，之后再进行加工；二是无模具铸造，3D打印出座椅模型(一般为PS粉)，再翻模制造出汽车座椅模具，利用传统工艺大批量生产.图7是用ABS塑料打印出的汽车座椅模型.

图7　3D打印局部汽车座椅模型Fig.7　The model of local car sea by 3D printing

3结语

利用三维扫描技术获取待测模型的点云数据，再利用逆向和正向设计造型，这是逆向工程的发展趋势.获得三维模型后，可以直接输入3D打印机，打印出实物模型，作为外观或装配验证,也可以导入数控加工机床进行加工,还可以导入其他 CAD 软件(如SolidWorks 软件)中输出工程图.

本研究以汽车座椅为研究对象，验证了以上逆向工程的可行性.结果表明，在汽车座椅设计与制作方面，与传统的设计方法相比，三维扫描和3D打印集合的逆向工程可以缩短新产品的研发周期,还可以显著提高新产品的技术水平,但还不能大批量生产,这也是今后重点研究和改进的方向.

参考文献：

[1]张伯鹏.数字化制造是先进制造技术的核心技术[J].制造业自动化,2000,22(2):1-5.

[2]宁汝新.数字化技术是先进制造的核心技术[J].中国制造业信息化,2011(6):18-19.

[3]孟晓平,王作文,邱亚玲,等.基于三维激光扫描的逆向工程创新性实验教学研究[J].实验科学与技术,2014,12(3):65-67.

[4]张德海,梁晋,郭成,等.逆向工程的流程研究和基于Geomagic的实例应用[J].机械研究与应用,2008,21(3):106-108.

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

作者简介：杨航(1993-)，男，河南新密人，本科生，主要从事机械工程及自动化方面的研究.

收稿日期：2014-10-12

中图分类号：U463;TP391.72;TB237

文献标志码：A

文章编号：1674-330X(2015)01-0044-04