激光掃描儀將大幅削減汽車車身數(shù)據(jù)采集時(shí)間

計(jì)算機(jī)常常限制設(shè)計(jì)工程師，所以，泥塑模型才賦予他們所需要的自由；激光掃描幫助(主要性能)汽車制造商把從這種模型采集復(fù)雜表面幾何尺寸的時(shí)間縮短了75%。

混合技術(shù)、知覺和藝術(shù)

在開發(fā)汽車車身部件中產(chǎn)生的問題源于這樣的事實(shí)：大多數(shù)困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)幾乎總是采用泥塑模型而不是在計(jì)算機(jī)上解決。然后，設(shè)計(jì)工程師就面對(duì)更新計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型的障礙，以反映泥塑模型中所做的變化。利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器(CMM)采集泥塑模型表面上的點(diǎn)有困難，因?yàn)樗ê笱b市場(chǎng)制造商的工程師的太多時(shí)間；他們?cè)贑AD文件和模型之間反復(fù)多次，以采集到足夠的點(diǎn)來完全定義該表面，從而使計(jì)算機(jī)模型與泥塑模型完全匹配。

最近，那些開發(fā)商已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用NVision提供的激光掃描儀，該設(shè)備能夠從泥塑模型的表面快速采集幾百萬點(diǎn)，足以完全提取模型的特征。所獲得的點(diǎn)云然后可以被輸入到CAD模型之中，并被用于完全提取新的表面。除了節(jié)省大量時(shí)間之外，工程師比過去更有信心，因?yàn)樗麄兺昝赖貙?shí)現(xiàn)了泥塑模型和CAD模型之間的匹配。

提取泥塑模型特征的困難

“與過去制做泥塑模型的整個(gè)過程相比，基于計(jì)算機(jī)的物體設(shè)計(jì)工具提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，”曾任Porsche工程服務(wù)公司攝影工程師的Martin Meade說，“但是，當(dāng)事情真的很難時(shí)，通常在任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目的生命期中都要遇到幾次(很困難的時(shí)刻)，計(jì)算機(jī)工具變得愛莫能助了，設(shè)計(jì)工程師(不得不)用泥塑模型以便獲得他們需要的自由。與在計(jì)算機(jī)屏幕上相比，需要突出且外觀合適的精細(xì)變化可以在實(shí)際模型上更為簡(jiǎn)便、精確且形象化地制做出來。

舉一個(gè)典型的例子，當(dāng)你把一個(gè)輪展(wheel flare)嵌入后保險(xiǎn)杠之中時(shí)，很難把表面混合在一起，并讓它們看起來相象。通常最好的辦法是抹掉一些泥，并開始刮擦，直到外表看起來相象。但是，然后你就要面對(duì)非常困難的挑戰(zhàn)：利用算術(shù)方法提取實(shí)際模型的特征。

過去，設(shè)計(jì)工程師通常利用CMM上的接觸探頭來算術(shù)地定義泥塑模型的幾何尺寸。他們圍繞泥塑模型手工移動(dòng)探頭，一次采集一個(gè)點(diǎn)。采用這種方法的最大問題是定義一個(gè)復(fù)雜表面常常需要非常大量的點(diǎn)。工程師幾乎不可能確定哪些點(diǎn)是必需的，所以，他們通常以采集若干點(diǎn)開始，然后，把由此得到的點(diǎn)云移動(dòng)到CAD程序之中。他們利用這些點(diǎn)來定義表面，并與實(shí)際模型比較。通常其外觀就不對(duì)，所以，那時(shí)他們必須回到泥塑模型，并在那些需要完善的區(qū)域采集附加的點(diǎn)。

在確認(rèn)CAD模型與實(shí)際模型外表相象之前，這個(gè)過程常常需要重復(fù)多次。即使當(dāng)設(shè)計(jì)工程師完成建模時(shí)，他們有時(shí)不確定是否已經(jīng)真的采集了實(shí)際幾何尺寸。

CMM和所有其它接觸設(shè)備存在的另外一個(gè)問題是：不得不接觸物體以在柔軟的泥塑模型中作出標(biāo)記。因?yàn)榧夹g(shù)人員不可能以同樣準(zhǔn)確的力度壓每一個(gè)點(diǎn)，所以，對(duì)柔軟物體的測(cè)量就不可能精確。

這些局限性導(dǎo)致Meade及其同僚評(píng)估采用非接觸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在評(píng)估了市場(chǎng)上的產(chǎn)品之后，他們確定滿足他們需要的系統(tǒng)就是來自NVision公司的激光掃描儀。

“我們用6到10個(gè)月的時(shí)間研究了不同的技術(shù)，”Meade說，“我們考察了白光系統(tǒng)，但是，發(fā)現(xiàn)掃描儀要距離物體1.5米才能獲得正確的聚焦長(zhǎng)度，這就使它幾乎不能完全掃描車輛的內(nèi)部。我們選擇NVision掃描儀的原因在于，它的精度高；當(dāng)需要掃描內(nèi)部表面—如膝蓋墊枕—時(shí)，它便于安裝到緊湊地方內(nèi)部。”

為了記錄車身的形狀或其他車輛組件(也配備泥塑模型)，技術(shù)人員手持激光傳感器，以便激光束投射到車身上。

該掃描系統(tǒng)由一個(gè)3D激光掃描儀、一臺(tái)配備傳感器的機(jī)械數(shù)字化儀、一臺(tái)個(gè)人電腦以及一套用于提取、顯示、處理和輸出數(shù)據(jù)的專用軟件構(gòu)成。為了記錄車身或其它車輛組件的形狀，技術(shù)人員簡(jiǎn)單地手持激光傳感器，讓激光束投射到車身上。掃描儀具有一個(gè)140mm的激光條紋長(zhǎng)度。激光條紋傳感器比簡(jiǎn)單的激光點(diǎn)傳感器要快得多。NVision系統(tǒng)在車身上自由移動(dòng)，讓技術(shù)人員就像噴繪那樣采集數(shù)據(jù)。

每小時(shí)幾百萬數(shù)據(jù)點(diǎn)

當(dāng)技術(shù)人員把傳感器在物體表面移動(dòng)時(shí)，專用接口卡把(掃描)線的視頻圖像轉(zhuǎn)換為3D坐標(biāo)。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)透視圖給出即時(shí)反饋。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗尲夹g(shù)人員看到被遺漏的區(qū)域并在下一次經(jīng)過時(shí)對(duì)它們進(jìn)行填充。該系統(tǒng)把坐標(biāo)數(shù)據(jù)與笛卡爾(坐標(biāo))及在機(jī)械臂的每一個(gè)位置上產(chǎn)生的角坐標(biāo)想結(jié)合，結(jié)果得到描繪物體表面的密集3D數(shù)據(jù)云。

當(dāng)掃描完成時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為STL(立體版圖)格式，然后，從運(yùn)行掃描儀的個(gè)人電腦輸出并輸入到ICEM Surf之中。在ICEM Surf內(nèi)的工具容許設(shè)計(jì)工程師把輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表面(模型)。

激光掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)是在較短的時(shí)間內(nèi)生成大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)零件的大小和所要求的精度級(jí)別，典型情況下，技術(shù)人員為每一個(gè)泥塑模型采集幾千萬個(gè)點(diǎn)。工程師然后在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察整個(gè)集合形狀，以確信他們已經(jīng)完全覆蓋了整個(gè)零件。下一步就是把點(diǎn)云輸入到軟件之中完成向表面模型的轉(zhuǎn)換。最后，表面模型被輸入并與CAD模型合并。

這種設(shè)備的另外一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是精度高。測(cè)量受操作者影響的程度不大，因?yàn)樗麄冎灰压馐渡湓谖矬w上。從系統(tǒng)提供的反饋能防止遺漏(未掃描的)區(qū)域；并且激光掃描儀由于沒有必須實(shí)際接觸物體的探頭，所以，不存在壓在柔軟的物體(所產(chǎn)生的用力不均勻)的問題，也不需要在粘土上做標(biāo)記。

空氣動(dòng)力學(xué)及其它應(yīng)用

Meade表示，雖然公司購買激光掃描儀主要是在設(shè)計(jì)過程中提取泥塑模型的特征，但是，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)備的其它有價(jià)值的應(yīng)用。例如，在風(fēng)洞測(cè)試過程中開發(fā)的逆向工程模型就可以解決空氣動(dòng)力學(xué)問題。

再如，設(shè)計(jì)工程師掃描車輛的前端，因?yàn)樗麄円呀?jīng)簽定了設(shè)計(jì)新車身的合同；當(dāng)他們?cè)O(shè)計(jì)車身的時(shí)候，前端表面模型便于確保新設(shè)計(jì)清除所有現(xiàn)存的組件參數(shù)。

最后，以項(xiàng)目為基礎(chǔ)向其客戶提供逆向工程服務(wù)的公司要采用激光掃描儀。“我們的設(shè)計(jì)工程師對(duì)新型激光掃描儀系統(tǒng)極為滿意，這些激光掃描儀讓我們?cè)谧钌俚臅r(shí)間內(nèi)提取復(fù)雜三維表面幾何的參數(shù)，”Meade總結(jié)說。“他們?cè)诓杉瘮?shù)據(jù)上花費(fèi)較少時(shí)間，把更多時(shí)間留給了設(shè)計(jì)過程創(chuàng)新方面。他們因采集了完全提取泥塑模型所需要的足夠的數(shù)據(jù)而信心倍增。”