激光掃描儀將大幅削減汽車車身數(shù)據(jù)采集時間

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)汽車制造商把從這種模型采集復雜表面幾何尺寸的時間縮短了75%。

混合技術、知覺和藝術

在開發(fā)汽車車身部件中產(chǎn)生的問題源于這樣的事實：大多數(shù)困難的設計挑戰(zhàn)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有困難，因為它要花后裝市場制造商的工程師的太多時間；他們在CAD文件和模型之間反復多次，以采集到足夠的點來完全定義該表面，從而使計算機模型與泥塑模型完全匹配。

最近，那些開發(fā)商已經(jīng)轉(zhuǎn)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點，足以完全提取模型的特征。所獲得的點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)省大量時間之外，工程師比過去更有信心，因為他們完美地實現(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過程相比，基于計算機的物體設計工具提供了巨大的優(yōu)勢，”曾任Porsche工程服務公司攝影工程師的Martin Meade說，“但是，當事情真的很難時，通常在任何設計項目的生命期中都要遇到幾次(很困難的時刻)，計算機工具變得愛莫能助了，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，需要突出且外觀合適的精細變化可以在實際模型上更為簡便、精確且形象化地制做出來。

舉一個典型的例子，當你把一個輪展(wheel flare)嵌入后保險杠之中時，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，然后你就要面對非常困難的挑戰(zhàn)：利用算術方法提取實際模型的特征。

過去，設計工程師通常利用CMM上的接觸探頭來算術地定義泥塑模型的幾何尺寸。他們圍繞泥塑模型手工移動探頭，一次采集一個點。采用這種方法的最大問題是定義一個復雜表面常常需要非常大量的點。工程師幾乎不可能確定哪些點是必需的，所以，他們通常以采集若干點開始，然后，把由此得到的點云移動到CAD程序之中。他們利用這些點來定義表面，并與實際模型比較。通常其外觀就不對，所以，那時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。

在確認CAD模型與實際模型外表相象之前，這個過程常常需要重復多次。即使當設計工程師完成建模時，他們有時不確定是否已經(jīng)真的采集了實際幾何尺寸。

CMM和所有其它接觸設備存在的另外一個問題是：不得不接觸物體以在柔軟的泥塑模型中作出標記。因為技術人員不可能以同樣準確的力度壓每一個點，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行數(shù)據(jù)采集。在評估了市場上的產(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個月的時間研究了不同的技術，”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；當需要掃描內(nèi)部表面—如膝蓋墊枕—時，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3D激光掃描儀、一臺配備傳感器的機械數(shù)字化儀、一臺個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，技術人員簡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140mm的激光條紋長度。激光條紋傳感器比簡單的激光點傳感器要快得多。NVision系統(tǒng)在車身上自由移動，讓技術人員就像噴繪那樣采集數(shù)據(jù)。

每小時幾百萬數(shù)據(jù)點

當技術人員把傳感器在物體表面移動時，專用接口卡把(掃描)線的視頻圖像轉(zhuǎn)換為3D坐標。數(shù)據(jù)的實時透視圖給出即時反饋。這一點很重要，因為它讓技術人員看到被遺漏的區(qū)域并在下一次經(jīng)過時對它們進行填充。該系統(tǒng)把坐標數(shù)據(jù)與笛卡爾(坐標)及在機械臂的每一個位置上產(chǎn)生的角坐標想結(jié)合，結(jié)果得到描繪物體表面的密集3D數(shù)據(jù)云。

當掃描完成時，點云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為STL(立體版圖)格式，然后，從運行掃描儀的個人電腦輸出并輸入到ICEM Surf之中。在ICEM Surf內(nèi)的工具容許設計工程師把輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表面(模型)。

激光掃描儀的主要優(yōu)點是在較短的時間內(nèi)生成大量的數(shù)據(jù)點。根據(jù)零件的大小和所要求的精度級別，典型情況下，技術人員為每一個泥塑模型采集幾千萬個點。工程師然后在計算機屏幕上觀察整個集合形狀，以確信他們已經(jīng)完全覆蓋了整個零件。下一步就是把點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。

這種設備的另外一個重要優(yōu)點是精度高。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(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記。

空氣動力學及其它應用

Meade表示，雖然公司購買激光掃描儀主要是在設計過程中提取泥塑模型的特征，但是，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種設備的其它有價值的應用。例如，在風洞測試過程中開發(fā)的逆向工程模型就可以解決空氣動力學問題。

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

最后，以項目為基礎向其客戶提供逆向工程服務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(tǒng)極為滿意，這些激光掃描儀讓我們在最少的時間內(nèi)提取復雜三維表面幾何的參數(shù)，”Meade總結(jié)說。“他們在采集數(shù)據(jù)上花費較少時間，把更多時間留給了設計過程創(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。”