3D掃描技術在智能制造領域的探索應用

趙煜 高嵩

【摘? 要】論文對3D掃描技術及數字化思維在傳統制造業的設計、制造、服務中的典型應用進行了列舉，并對快速建模、創新設計和生產制造過程的數據采集及后續的三維檢測進行了優勢分析，在對比其在智能制造領域尤其是推動傳統工業與互聯網融合創新、轉型升級中不可替代的現實需求的基礎上，提出了3D掃描技術的發展演進和應用方向。

【Abstract】This paper enumerates the typical applications of 3D scanning technology and digital thinking in the design， manufacturing and service of traditional manufacturing industry， and analyzes the advantages of data acquisition for rapid modeling， innovative design and production and manufacturing processes and subsequent three-dimensional detection. On the basis of comparing its irreplaceable reality demands in the field of intelligent manufacturing， especially in promoting the integration， innovation， transformation and upgrading of traditional industries and the internet， this paper puts forward the development evolution and application directions of 3D scanning technology.

【關鍵詞】3D掃描;三維數據;智能制造技術

【Keywords】3D scanning; three-dimensional data; intelligent manufacturing technology

【中圖分類號】TP391;F424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0179-02

1 引言

隨著《中國制造2025》的提出，將“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化”作為發展方針的戰略對策和行動計劃，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標。3D掃描技術在各領域有著諸多應用場景，可以加快智能制造的發展步伐，更好地促進產業鏈上下游的銜接和融合發展。

2 3D掃描技術概述

2.1 3D掃描技術的應用前景

3D掃描技術是集光、機、電、網絡信息和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間的確定位置。它是將真實物體表面的立體信息轉換為計算機可直接處理的數字信號，為實物的數字化建模提供了更方便快捷的技術手段。

隨著智能制造的進一步發展，3D掃描技術獲得大量的應用場景和技術提供，其中三維掃描矢量在數據獲取、三維點云數據的設計、檢測及展示、三維可視化及虛擬仿真設計中的應用，以其精密化、智能化、通用化以及便捷化等都將被推向更高的應用層面，成為我國由傳統制造轉向智能制造轉型的關鍵環節。

2.2 3D掃描技術的國內外發展現狀

3D掃描技術正處于迅速發展階段，高端需求都由國外產品壟斷。目前，國內應用需求正日益增加，尤其是國內在近景工業測量的研究、開發方面具有很大的潛力，在汽車、電子、機械、航空、軍工、醫療和模具等設計和制造領域中有很高的應用價值。

《中國制造2025》是把制造業變革與升級作為塑造中國經濟核心競爭力的重大戰略，3D數字化技術是這次產業升級的主要推動力之一，是Digital Twin、CPS（Cyber Physical System）與數字經濟的基礎設施，是在工業界與文化創意產業廣泛應用的共性工具技術，貫穿于產品設計、制造、管理、市場、服務、消費等各個環節，是開啟“工業互聯網”和“互聯網+”變革的競爭基點，是實現制造強國戰略目標、“以信息化培育新動能，用新動能推動新發展，做大做強數字經濟”的基礎支撐和保障。

3 3D掃描技術在智能制造領域的應用

3.1 3D掃描技術在智能制造發展中的地位與作用

國家對智能制造高度重視，制造業轉型升級的過程為3D掃描技術應用于工業設計和產品檢測環節提供了巨大的市場機遇。

通過高精度的檢測檢驗手段，滿足工業級產品設計和檢測要求，中國制造由低端向高端躍升，離不開高標準的工業級產品設計。而高標準的工業級產品設計，可以通過高精度的檢驗檢測手段輔助進行設計優化和完善，3D掃描技術能夠迅速高效地完成產品的設計、檢測和優化流程的螺旋迭代，以低成本、短時間、高質量的優勢滿足市場對產品多層次的細分需求。

3D掃描技術的產業化及應用，不僅可以快速、高效地實現三維數據高精度獲取、創新設計、實時三維檢測和新產品物理原型的快速制造，為產品研發、方案論證、快速全尺寸檢測提供有效的解決方案。3D掃描技術的應用，相應降低了對設計人員的技術要求，降低了工作強度，有助于社會制造服務業的發展，適應企業的結構調整，拓展了就業渠道，加速企業的升級與發展。

3.2 3D掃描技術在工業中的應用場景

3D掃描技術采用工業用高精度3D結構光掃描儀，該設備具有精度高、非接觸測量和便攜性好的特點。此外，這種測量方法在測量現場工作量小、快速、高效，并不受溫度和振動等外界因素的影響，市場發展潛力巨大。

3D掃描技術在工業智能制造數字化工廠方面的應用，可對工廠進行全生命周期的測量、工廠流水線的改造、虛擬裝配、動態模擬的添加、更換設備、碰撞檢查、生產三維動畫、表現生產工藝等，同時，監控設備工作過程、狀態、報警等。

數據驗證前，對物品進行掃描，將得到的三維數據與原三維圖紙進行比較，快速準確地獲得偏差，基于對比結果給出修正方案。產品的逆向技術，是對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品的處理流程、組織結構、功能特性及技術規格等設計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產品。逆向技術其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產信息的情況下，直接從成品分析，推導出產品的設計原理。3D掃描技術對工業零部件進行掃描后，可以直接生成三維數據，進行手工測量，通過第三方軟件進行殘損檢測，出具二/三維分析報告，也可以逆向建模、參數化、生成CAD圖紙、指導設計、開模、制造為實體產品。

3.3 3D數字化設計是智能制造主流設計的必然趨勢

傳統工業設計是以長期經驗積累為基礎，通過力學、數學建模及試驗等形成的經驗公式，運用條件性計算或類比方法設計，采用手工計算、繪圖、設計，準確性差、工作周期長、效率低。

利用3D數字化設計，可以充分發揮設計者的能力，運用3D軟件進行創新構思，通過創造性思維設計出具有新穎性、創造性和實用的工業產品。3D數字化設計的過程大都是先構思后表達。從三維開始，經過邏輯推斷、分析與決策而產生設計方案。隨著UG、Mastercam、CimatronE、SolidWorks、CAITA等CAD/CAM軟件的應用，利用計算機三維設計已成為我國大中小制造企業的主流模式，從概念設計、工業造型設計、三維模型設計、分析計算、動態模擬、加工制造多方面集成，充分發揮設計者的創新構思能力，實現“所想即所得”，大大提高生產效率。

3.4 3D掃描技術應用于工業生產線的優勢

近年來，三維掃描技術在工業領域得到了廣泛的應用，它貫穿了企業的整個生命周期。在生產初期的概念階段，可以進行用逆向工程作競品分析、對競品及其零部件進行分析研究作研發設計，作虛擬模型、模型改造等;在設計階段，可以進行逆向設計、形狀分析等，在軟件中進行虛擬設計，避免了消耗原材料;在制作階段，可以對生產中的產品進行尺寸檢測，通過三維掃描儀掃描產品后與原始數據進行比對，更加直觀地查看誤差，最大限度地保證了產品的質量;在維修階段，可以出具零部件磨損分析報告、復雜裝配拆卸視頻資料。

3.5 3D掃描技術在智能制造領域的發展方向

智能制造是在傳統自動化基礎上興起的先進制造技術，包括產品全生命周期的設計、試制、生產、檢測、包裝及物流等環節上智能技術的應用。3D掃描是高精度、非接觸式三維測量的主要應用技術，從產品定制設計開始，到3D增材制造、產線在線全尺寸檢測及配合機器人完成視覺上下料、高精度裝配及物流的拆碼垛等應用，均需要3D掃描技術的深度參與。基于智能制造應用場景，3D掃描技術的提升有兩大方向：高精度、高速度、高動態的采集能力;后續算法的專業化發展和通用平臺技術升級的兼容能力。只有這些能力得到快速提升后，才能更好地完成人工智能的數據采集和算法計算任務，3D掃描技術作為數據獲取和處理的中心，充分發揮智能制造過程中的眼睛和大腦功能，更好地推進人工智能和智能制造行業的發展，3D掃描技術在工業領域也將得到更廣泛的應用。

4 結語

目前，全球已進入數字化新階段，圍繞智能制造產業生態主導權的競爭將愈演愈烈。3D掃描技術將與5G、互聯網、物聯網、自動化控制技術愈加融合發展，成為智能制造產業的技術依托。圍繞三維數字化的開放化、平臺化將成為制造產業演進升級的新趨勢，產業協同創新體系將加速構建，而這些均依賴三維數字化技術的推廣、普及和應用，作為三維數字化核心的采集技術和后續算法在智能制造領域將扮演越來越重要的角色。

【參考文獻】

【1】馬冬雪，孟麗華，李瑩，等.當代數字機床刀具的光學3D掃描數字化模型研究[J].內燃機與配件，2020（5）：81-83.

【2】李文澤，單玉梅.機械產品的數字化設計特點與技術進步[J].民營科技，2010（6）：29.

【3】周濟.智能制造是“中國制造2025”主攻方向[J].企業觀察家，2019（11）：54-55.

【4】路偉光，王幗媛，王海亮，等.淺談工業制造業中幾何量測量技術及應用[J].航空精密制造技術，2019，55（5）：43-46.