基于三維光學掃描的汽車底盤設計

摘 要：應用三維光學掃描技術，結合 Geomagic Studio逆向軟件和三維設計軟件對汽車底盤進行設計研究。介紹三維掃描汽車底盤、采集底盤的點云數據和處理點云數據過程，其次進行汽車底盤曲面的重構和數字化建模，獲取汽車底盤的三維和二維圖像，最后探討 3D打印技術在汽車底盤快速成型上的應用，證實光學三

維掃描技術和 3D打印技術在汽車底盤逆向設計及制造中的可行性。關鍵詞：三維光學掃描；汽車設計；逆向

1 引言

在科學技術飛速發展下，人們認識事物的角度已經由二維逐漸向三維空間過度，與此同時，在各個領域廣泛應用三維光學掃描測量技術，三維光學掃描儀的測量又稱實景復制，在保護文物、研究醫藥、軍事訓練、勘測工程等很多領域中都具有深遠的意義，它具有的優勢包括掃描快速、信息量巨大、實時性好、精確度高、自動化等。本設計研究采用的方式是非接觸式高速激光測量，這種方式能快速在復雜的環境下對被測物進行掃描及測量，直接可以獲得被測物體表面的色彩以及三維坐標等點云數據。經過計算機處理這些點云數據后，并且結合逆向設計軟件Geomagic和相關三維設計軟件快速可以重構出被測物的三維模型及各種圖形圖像數據。工程及地形測量、變形監測、斷面和體積測量等很多個領域都可以應用這項技術，具有密度高、效率高、精度高、全數字特征等很多優點。

以汽車底盤為研究對象，采用ATOS三維光學掃描儀（德國GOM公司生產），掃描汽車底盤形成底盤點云數據，接下來便利用自動化逆向軟件Geomagic對底盤的點云數據進行快速處理和拼接，再利用CATIA等三維設計軟件對三維點云數據進行修改優化以及數字化建模，然后再導出與3D打印機兼容格式，實體建模。

2 逆向工程和三維激光掃描

2.1 逆向工程

逆向工程是一種產品設計重現的技術過程，也就是對目標物體進行的逆向分析及設計研究，從而得出該目標物體的組織結構、技術規格、特性功能及處理流程等重要要素，最后的產品功能相似，但是不完全雷同。它來源商業和軍事領域中的相關硬件分析。主要目的在于不能輕松獲得相關重要的詳細生產信息狀況下，可以直接通過成品進行分析，得出目標產品的設計原理。

逆向工程被廣泛地應用到開發新產品和改型設計產品、仿制產品、分析檢測質量等領域，它的作用是：

（1）產品設計周期以及開發周期大大減少，更新速度也大大加快。

（2）企業開發新產品的成本與風險降低。

（3）新產品的外型以及系列化的設計加快。

（4）單個以及小批量的零件制造方便簡單快捷，特別是對于模具的制造設計，可分成直接制模法、間接制模法。直接制模法：直接制模法是快速將模具三維結果直接由 RP系統制造成型（基于RP技術）。該方法既不需要RP系統去制作樣品，也不需要依據傳統的制造工藝，特別對金屬模具制造更是快捷，這種制造模具方法是非常具有開發前景；間接制模法：它是把現有模型作為模芯（母模或制模工具）利用 Rp技術制造目標產品原型，再與制模的傳統工藝相結合，最終制造出所需模具。

2.2 三維光學掃描

三維光學掃描技術是近年來快速發展興起的新技術，越來越引起相關研究領域的關注重視。它的原理是利用激光測量距離，然后通過記錄被測目標表面巨大數量的點的三維坐標等各種信息，可以快速的重新建出被測物體的三維模型及線面體等各種圖形圖像數據。因為三維光學掃描可以大量密集地取得目標產品的點云數據，因此它相對于傳統的單點測量技術來說，三維光學掃描技術也被稱作是從單點測量優化到面測量的里程碑式的技術突破。三維光學掃描技術在保護文物古跡、規劃建筑、改建工廠、室內設計、監測建筑、處理交通事故、收集法律證據、評估災害、設計船舶、數字城市、分析軍事

圖2 Geomagic處理圖像

等很多領域也有了很多的嘗試、應用和探索。三維光學掃描系統包含點云數據采集的硬件部分以及點云數據處理的軟件部分。按照其載體的不同，三維光學掃描系統可分為機載式、車載式、地面和手持型。本研究采用的ATOS光學三維掃描儀由掃描頭、三角架、控制器及電腦組成，掃描速度可達到 2 500 000個測量點/s（約5 000 000點/秒），測量精度可達到0.03毫米，掃描儀如圖1所示。

應用三維光學掃描技術來測量工件的具體尺寸及形狀。主要應用在逆向工程領域，用于測量產品零件三維，曲面造型，在沒有技術支持的情況下對于現有三維實物、樣品或模型，可快速獲得目標產品的輪廓數據，并且加以改動、建構、編輯，最終輸出生成常用格式的曲面數字化模型。

3 汽車的逆向設計

3.1

點云數據的采集及處理

3.1.1

點云數據的采集

為了獲得質量較好的汽車底盤點云數據，首先要進行一些前期處理操作，例如目標產品參考位置的確定、噴涂顯像溶劑在物體表面及軟件的校核等。ATOS流動式三維光學掃描儀（德國GOM公司研制）是目前世界上較先進的非接觸式光學掃描設施。該掃描儀采用的是可見光，將特定的光紋投影到目標產品表面，再利用光柵測量原理和光學拍照定位技術，借助兩個較高分辨率的數碼相機對光柵條紋進行拍照，便可在很短的時間取得復雜物體表面的完整點云數據。ATOS三維光學掃描儀特殊的流動式設計及不同角度點云的自動拼合技術，不需要再借助機床的驅動進行掃描，掃描的范圍可達到18m，并且大型工件的掃描也變得高效便捷。其完美掃描點云數據的高質量便可用于研發產品、快速成型、質量監控、逆向工程、模擬裝配，甚至還可以實現直接加工。

3.1.2 點云數據處理

在測量點云的時候，總會出現一些影響點云質量的外界因素，例如震動的設備、環境溫度、環境濕度等，而且不能一次性測量點云，需要分步完成，把最終幾部分拼合在一起，在進行模型建立之前就需要就對點云數據進行預先處理。大體可分為以下步驟：體外孤點、去除噪聲點云、拼合點云數據。利用軟件Geomagic進行再處理，如圖2所示。

3.2 曲面重構和數字化建模

在進行逆向的過程中，重新對目標產品進行三維曲面重構是最重要的一步。這是因為產品的再設計、模擬仿真、分析模型、加工制造的過程等方面都需要根據模型三維數據來繼續。三維數據模型越精確最終得到的結果也會越精確。想要獲得精確的三維數據模型，不僅需要良好的硬件設施和操作軟件設施，也和操作工人的熟練程度有很大的關聯。這個過程技術性強并且復雜、繁瑣，世界上的很多學者都對如何高效、準確實現模型的重新構造進行了大量的實驗和總結，最終得到了眾多重新構造的算法，根據曲面的類型、點云數據的來源、造型的方式，現在常見的曲面重構算法可分成：

（1）規則排列的點和不規則排列的點（按照點云數據類型）。

（2）光學數據測量、三維坐標測量、軟件造型等方法（按照點云數據來源）。

（3）由曲線到曲面，或者由曲面生成實體模型（按照生成造型的方式）。

（4）由曲面四邊B-樣條、曲面邊界、三角網格和三角面片表示的模型重構。一般采取有理B-樣條、NURBS、Bezier曲面表示矩形區域面自由曲面重構，但是采取NURBS、三角形的拓撲結構來表示離散點的自由曲面重構（按照曲面表現形式）。

把數據點云通過插值逼近擬合成樣條曲線（參數曲線），然后把曲面面片的造型完成，再通過伸長、裁剪等編輯方法，將曲面獲得三維曲面模型，這是根據曲線創建三維曲面模型。

4 實物模型打印

快速成型技術，20世紀80年代成型，被普遍認為是近20年在制造領域的一個非常重大成就，是一種基于材料堆積法的新型技術。通過逆向工程技術、機械工程、數碼控制技術、激光技術以及分層制造技術，可以高效、便捷、準確地將設計思想轉化為擁有一定功能的產品，因此為制作零件原型、校驗新設計思想等多個方面提供了低花費高效率的實現途徑。目前國內傳媒界普遍習慣把快速成型技術叫做“3D打印”或者“三維打印”，顯得比較生動形象。

本篇設計研究探討的兩種打印實物模型途徑，一種是將最終模型生成3D打印格式，然后再導入3D 打印機，利用相關材料（ABS塑料等）直接打印出3D的底盤，之后再繼續進行加工。

5 結語

利用光學三維掃描技術獲取汽車底盤的點云數據，然后再利用逆向設計進行曲面重構和數字化建模獲得三維模型，這是逆向工程的目前發展趨勢。在得到三維數據模型后，便可以直接通過3D打印機打印出實體模型，也可以作為外型檢驗，或者導入數控加工機床進行再加工，還可導入其他相關三維軟件輸出工程圖。

本研究以汽車底盤為研究對象，檢驗證明了以上相關逆向工程的可行性。設計研究結果表明，在汽車底盤設計與制作方面，與傳統的設計方法相比，三維光學掃描技術和3D打印技術結合的逆向工程可以使新產品的研發周期大大縮短，并且新產品的技術水平可以顯著提高，但目前還不能實現大批量的生產，這也將是今后重點研究及改進的方向。

參考文獻：

[1]楊航，徐松站 .基于三維激光掃描的汽車零部件逆向設計研究 [J].河南工程學院學報：自然科學版， 2015（1）：44-47.

[2]寧汝新.數字化技術是先進制造的核心技術 [J].中國制造業信息化，2011（6）： 18-19.

[3]孟曉平，王作文，邱亞玲，等.基于三維激光掃描的逆向工程創新性實驗教學研究 [J].實驗科學與技術，2014，12（3）：65-67.

[4]張德海，梁晉，郭成，等 .逆向工程的流程研究和基于 Geomagic的實例應用[J].機械研究與應用，2008，21（3）：106-108.

[5]劉紅普，王笛 .三維曲面重構方法分析 [J].企業技術開發月刊，2012（12）：5-6.