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基于多次激光扫描的复杂汽车零件的三维测量

VOICU Adrian-Catalin，GHEORGHE I. Gheorghe，

BADITA Liliana-Laura，CIRSTOIU Adriana

摘要

三维激光扫描已经出现了至少15年，但是很少人知道这项技术以及它的应用。3D扫描也被称为3D数字化，他之所以取这个名字是因为它是一个使用接触或非接触数字化探头捕捉对象，在虚拟工作空间中重新建立网格点（x，y，z）并用三维图表示的过程。大部分汽车制造商使用基于光学或激光系统的三维测量来验证产品的质量。首先用三维激光扫描仪进行测量，然后将其与设计的CAD模型进行比较。通过这种比较，生产者可以在生产过程中快速消除制造误差，这项技术被称为逆向工程（RE）。三维激光扫描系统的整体精度取决于所有传感器的精度以及对扫描仪扫描的物体的结构。这个精度可以达到微米到毫米并且探测物体的速度从每秒几点到数千点。在理想的环境下，三维激光扫描仪可以简单无误差地测量所有的必要参数，并且在计算机中以相同的模型展示出来，有利于机械控制和过程管理。

引言

三维激光扫描（3D）在过去至少20年中向世界展示了虚拟设计，仿真和逆向工程的可能性。三维扫描是复制物体物理形状的数字信息的过程，因此，它又被称为数字化。“数字化”或“3D数字化”是一个使用接触或非接触数字化探头捕捉对象，在虚拟工作空间中重新建立网格点（x，y，z）并用三维图表示的过程。以点的形式收集的数据被称为“点云”（图1(a)）。点云信息通常是出现在被称为3D网格的网格小多边形（图1(b)）这些信息可以以各种CAD格式保存（图1(c)），最常见的是STL格式。简单定义来说就是通过传感器非接触物体表面并用软件算法建模。

(a)3D点云

(b)3D网格

(c)成果表面

图1 数字化或三维数字化阶段

基于这些信息，三维激光扫描在许多不同领域的应用，如计算机游戏产业，文物修复，医学，文化艺术得到了很大的发展。但是使用扫描系统最多的通常是汽车工业，飞机和快速消费品。

3D扫描技术

目前来说，数字化受限于摄像头的扫描速度，扫描系统的正确选择，扫描物体的类型和购买发展扫描系统的预算。许多新的技术，往往在提高基础技术的演变过程中产生新的技术革命。即使在复制，几何控制或者是虚拟的几何建模或产品实现方面，有两个不同的方案:接触或者不接触实物（图2）。

3D数字化

接触

非接触

持续接触

表面接触

点点接触

光学

图像

激光扫描：

点

线

面

构造光束

拍照式扫描

摄像扫描

响应时间

电波

超声波

摄影测量

核磁共振

断层

图2 3D数字化技术

接触是指接触或重抄机械的表面，而不接触技术是指用光学或激光扫描物体的表面。

非接触3D扫描技术：光学扫描，激光扫描或者组合扫描是最经济和可行的非接触3D扫描技术。其他非接触的扫描方法是摄影测量，X射线，断层和核磁共振成像扫描。在用特定的技术得到最佳的结果之前，它对于确保传感器采集数据的可行性是至关重要的。必须考虑扫描精度，分辨率，采集速度，测量速度，自由度或适当的配置和工艺重复性的标准。非接触激光传感器和视觉开发可以代替接触传感器完成不能接触表面的零件，如超精加工或高耐用性和锋利的边缘的零件检测。拍照式系统被使用在其他传感器不能用的时候，如测量微观大小，如直径小于1mm的孔，拍照式系统可以很容易的测量变形表面。

3D激光扫描: 这是一种采用准时或平面激光束高精度扫描区域的形状的技术。激光束可以穿透被扫描表面的最小裂纹。三维激光扫描最重要的好处之一是速度与原型可以再现（表1）。传统方法需要被测量物体重新设计成一个计算机辅助设计程序，这耗时并且不能达到预期的结果。首先用三维激光扫描测量的零件，然后使用专门的软件与设计模型（CAD文件）进行比较。通过这种比较，生产商可以快速在制造过程中进行干预，以消除任何制造缺陷的可能。

表1不同探头的技术方案分析

三维激光扫描可以提供一个可测量的差异比较，提高质量，从而新产品的成本显著降低。三维激光扫描数据采集的最常用方法是光学三角法。数据的产生是通过放置一个拥有可靠值的网络在物体表面。然后通过连接三角元素与最近的邻角（三角）生成图像。在一般情况下，一维或二维传感器沿物体移动或者围绕其移动。如何不提供足够的信息来重建整个物体，我们需要在不同的方向上进行多次的传递，需要对多幅图像用特殊的算法来进行描述。三维激光捕获系统的整体精度首先取决于传感器和采集设备的精度和采集的结构。这样的精度可能会有所不同从微米到毫米大小和采集速度从每秒几点到每秒几千个点。可以进行激光扫描的材料包括：石材、陶瓷、玻璃、金属、木材、塑料、橡胶和粘土。三维激光扫描技术是基于以下步骤：（1）对对象进行激光束投射；（2）数字传感器通过代数方程计算表面上的点的三维空间坐标（x，y，z）；（3）在坐标点的位置用点云的形式存储；（4）采集数百万个点直到该物体或物体的整个表面被数字化采集；（5）数字数据转换成三维网格表面；（6）然后用于逆向工程（RE）、快速原型或产品检验。

一个网格的分辨率取决于点的熟练或点或点之间的距离。点之间的距离通常是0.01mm- 0.1mm。这种价值不应该与精确测量系统混淆。许多三维扫描设备制造商当被问及测量精度都无法准确说明。三维扫描数据的分辨率可以通过后期处理来修改，增加或减少点的数目。增加点的数目是通过插值。这个操作不会“提高测量精度”，但会增加存储在您的计算机上的数据量。

有很多影响激光扫描质量的原因，比如：反射表面，物体的色彩、凹槽、狭窄的开口和锋利的边缘这些都很难扫描。还需要考虑将对象放置在扫描仪和操作者的经验。操作员必须遵循一定的步骤来预测激光的反应。

工业应用

目前，激光扫描主要有五个主要的应用：

（1）逆向工程：减少建立CAD模型的时间。在这种情况下，必须通过一些特殊的软件处理所获得的点云，通过一些特殊的软件重建表面。

（2）精确测量复杂零件的质量：在生产线中，通过选择或统计来掌握相关的生产链的某些参数。如图3：

产品

设计

程序规范

测量

控制系统

信号

表面情况

材料

形状

校正

估计

接受或拒绝

图3 测量误差控制：相互关系

（3）生物医学：用于适应假体之前的干预措施，或用于物理治疗，也应用于特征体积基础上的超声检查，扫描等。

（4）数控机床加工:应用在快速成型系统的数字化过程中；

（5）运动图像和视频动画（虚拟图像）。

三维扫描的重要性和准确性是由应用的用途来决定的。因此，在医疗领域或在文化领域（考古）的应用，这通常不需要很高的精度（plusmn;0.3mm），可以使用各种各样的三维成像技术（接触式或非接触式）以达到所需结果。但在汽车行业，我们可以只使用某些类型的三维扫描，因为它是需要相当高精度，在大部分情况下，只允许存在plusmn;0.001mm-plusmn;0.01mm之间的公差。大多数汽车零部件制造商通常使用基于光学或激光系统的三维测量来验证产品质量。即使该程序并不意味着可以重现原始物理模型，三维扫描技术和快速成型技术在汽车行业中仍然起着重要的作用，。

三维扫描技术对产品开发的影响

公司采用新技术，并尝试新的方法，以满足目前全球生产的要求。我们对激光扫描很有兴趣，它是最新的技术突破，扫描速度快，可行性高。当我们处理不能被常规方法扫描的物体时，激光扫描是最好的选择。通常，销售产品所需的时间决定了新产品的开发，很容易预测未来几个星期，直到几个月或几年。因此，公司有时间与他们的客户在设计上进行讨论。很好的研究细节和客户需要了解生产前的阶段。扫描和后期编辑过程中可以做的只有4-5小时。这个时间的节省意味着企业要快速响应市场变化。而且由于激光扫描技术相对快速，它通常比其他类型的扫描要便宜。对于制造商来说，它的另一个优点是，在许多情况下，G代码数控设备可以直接从扫描数据或STL文件得到模型表面。这意味着一个原型可以快速，简单地被制造和批准，扫描，然后制造模具。扫描的数据可以转换成任何格式的文件：DXF，obj，3D Studio Max，IGES，STL ASCII，同时还可以被大量的设备访问。

产品验证是三维扫描的另一个好处。一旦产生了一个产品，它就可以被扫描，并可以精确地确定与设计CAD模型的偏差。扫描的另一个用途是定期检查零件，以便分析它与原产品的偏差。进行改进的质量控制，这有助于检测在制造过程中产生的错误。

另一个优点不是那么明显，但能对一个公司产生很大的影响，它可以简单快速的确定在计算机上的模型。因此，如果在全球各地的子公司同时生产，一旦原型已经被扫描，工程，分析，质量控制，它可以同步进行，然后再发送产品信息进行制造。

结论

在一理想的环境下或在一个集成的生产环境中，三维测量系统应该能够测量所有必要的参数，简单无误，并将结果以同样的方式向通过计算机进行机械生产运行管理。

三维激光扫描提供了很多优点，如：快速、易于使用，结果一致，准确，不用破坏原型。当无法用常规测量手段测量的部分三维激光扫描结合常规手段是非常有用的。

在不久的将来，我们要开发一个复杂的汽车零件的测量和控制设备，结合三维扫描的优点，可以成功地用于生产和控制。

参考文献

[1] Gh. I. Gheorghe, S. Istriteanu, V. Despa, Al. Constantinescu, A. Voicu, Mechatronics,

Integronics and Adaptronics, Cefin Publishing House, Bucharest, 2012.

[2] ***, What is 3D scanning? (in Romanian), http://www.scanare3d.com/index.php/ro/ce-estescanarea-

3d, accessed: 15.01.2013.

[3] D. Bradley, D. Seward, D. Dawson, S. Bruge, Mechatronics and the design of intelligent

machines and systems, CRC Press Taylor amp; Francis, 2000.

[4] C. Cosma, Studies regarding the optimization of reverse engineering techniques to realization of

injected plastic products, PhD thesis, Politehnica Publishing House, Bucharest, 2008.

[5] W. Geoff, CNC Robotics – Build your own workshop bot, McGraw-Hill Companies, 2003.

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