激光掃描儀將大幅削減汽車(chē)車(chē)身數據采集時(shí)間

計算機常常限制設計工程師，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(chē)制造商把從這種模型采集復雜表面幾何尺寸的時(shí)間縮短了75%。

混合技術(shù)、知覺(jué)和藝術(shù)

在開(kāi)發(fā)汽車(chē)車(chē)身部件中產(chǎn)生的問(wèn)題源于這樣的事實(shí)：大多數困難的設計挑戰幾乎總是采用泥塑模型而不是在計算機上解決。然后，設計工程師就面對更新計算機輔助設計(CAD)模型的障礙，以反映泥塑模型中所做的變化。利用坐標測量機器(CMM)采集泥塑模型表面上的點(diǎn)有困難，因為它要花后裝市場(chǎng)制造商的工程師的太多時(shí)間；他們在CAD文件和模型之間反復多次，以采集到足夠的點(diǎn)來(lái)完全定義該表面，從而使計算機模型與泥塑模型完全匹配。

最近，那些開(kāi)發(fā)商已經(jīng)轉向采用NVision提供的激光掃描儀，該設備能夠從泥塑模型的表面快速采集幾百萬(wàn)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。除了節省大量時(shí)間之外，工程師比過(guò)去更有信心，因為他們完美地實(shí)現了泥塑模型和CAD模型之間的匹配。

提取泥塑模型特征的困難

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

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

過(guò)去，設計工程師通常利用CMM上的接觸探頭來(lái)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(wèn)題是定義一個(gè)復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(kāi)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(lái)定義表面，并與實(shí)際模型比較。通常其外觀(guān)就不對，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域采集附加的點(diǎn)。

在確認CAD模型與實(shí)際模型外表相象之前，這個(gè)過(guò)程常常需要重復多次。即使當設計工程師完成建模時(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和所有其它接觸設備存在的另外一個(gè)問(wèn)題是：不得不接觸物體以在柔軟的泥塑模型中作出標記。因為技術(shù)人員不可能以同樣準確的力度壓每一個(gè)點(diǎn)，所以，對柔軟物體的測量就不可能精確。

這些局限性導致Meade及其同僚評估采用非接觸方法進(jìn)行數據采集。在評估了市場(chǎng)上的產(chǎn)品之后，他們確定滿(mǎn)足他們需要的系統就是來(lái)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(shuō)，“我們考察了白光系統，但是，發(fā)現掃描儀要距離物體1.5米才能獲得正確的聚焦長(cháng)度，這就使它幾乎不能完全掃描車(chē)輛的內部。我們選擇NVision掃描儀的原因在于，它的精度高；當需要掃描內部表面—如膝蓋墊枕—時(shí)，它便于安裝到緊湊地方內部。”

為了記錄車(chē)身的形狀或其他車(chē)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(chē)身上。

該掃描系統由一個(gè)3D激光掃描儀、一臺配備傳感器的機械數字化儀、一臺個(gè)人電腦以及一套用于提取、顯示、處理和輸出數據的專(zhuān)用軟件構成。為了記錄車(chē)身或其它車(chē)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(chē)身上。掃描儀具有一個(gè)140mm的激光條紋長(cháng)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系統在車(chē)身上自由移動(dòng)，讓技術(shù)人員就像噴繪那樣采集數據。

每小時(shí)幾百萬(wàn)數據點(diǎn)

當技術(shù)人員把傳感器在物體表面移動(dòng)時(shí)，專(zhuān)用接口卡把(掃描)線(xiàn)的視頻圖像轉換為3D坐標。數據的實(shí)時(shí)透視圖給出即時(shí)反饋。這一點(diǎn)很重要，因為它讓技術(shù)人員看到被遺漏的區域并在下一次經(jīng)過(guò)時(shí)對它們進(jìn)行填充。該系統把坐標數據與笛卡爾(坐標)及在機械臂的每一個(gè)位置上產(chǎn)生的角坐標想結合，結果得到描繪物體表面的密集3D數據云。

當掃描完成時(shí)，點(diǎn)云數據被轉換為STL(立體版圖)格式，然后，從運行掃描儀的個(gè)人電腦輸出并輸入到ICEM Surf之中。在ICEM Surf內的工具容許設計工程師把輸入的數據轉換為表面(模型)。

激光掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)是在較短的時(shí)間內生成大量的數據點(diǎn)。根據零件的大小和所要求的精度級別，典型情況下，技術(shù)人員為每一個(gè)泥塑模型采集幾千萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。工程師然后在計算機屏幕上觀(guān)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換。最后，表面模型被輸入并與CAD模型合并。

這種設備的另外一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是精度高。測量受操作者影響的程度不大，因為他們只要把光束投射在物體上。從系統提供的反饋能防止遺漏(未掃描的)區域；并且激光掃描儀由于沒(méi)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(wèn)題，也不需要在粘土上做標記。

空氣動(dòng)力學(xué)及其它應用

Meade表示，雖然公司購買(mǎi)激光掃描儀主要是在設計過(guò)程中提取泥塑模型的特征，但是，人們已經(jīng)發(fā)現了這種設備的其它有價(jià)值的應用。例如，在風(fēng)洞測試過(guò)程中開(kāi)發(fā)的逆向工程模型就可以解決空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

再如，設計工程師掃描車(chē)輛的前端，因為他們已經(jīng)簽定了設計新車(chē)身的合同；當他們設計車(chē)身的時(shí)候，前端表面模型便于確保新設計清除所有現存的組件參數。

最后，以項目為基礎向其客戶(hù)提供逆向工程服務(wù)的公司要采用激光掃描儀。“我們的設計工程師對新型激光掃描儀系統極為滿(mǎn)意，這些激光掃描儀讓我們在最少的時(shí)間內提取復雜三維表面幾何的參數，”Meade總結說(shuō)。“他們在采集數據上花費較少時(shí)間，把更多時(shí)間留給了設計過(guò)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據而信心倍增。”