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基于三维激光扫描的汽车零部件逆向设计研究

2017/1/9    来源:互联网    作者:杨航  徐松战      
关键字:逆向设计  三维激光扫描  汽车零部件  
采用三维激光扫描技术,结合逆向软件Geomagic Studio和三维设计软件CATIA对汽车座椅进行逆向设计。首先介绍了汽车座椅的三维扫描、数据采集和点云处理过程,然后进行曲面设计和数字化建模,获取汽车座椅的三维和二维图形,最后探讨了两种3D打印模式在汽车座椅快速成型上的应用,证实了三维扫描和3D打印在汽车座椅逆向设计及制造中的可行性。

    先进数字化制造技术已被广泛应用于国内航空航天和汽车制造等领域,其主要特点是二维向三维转变,核心技术是建模与仿真,趋势是采用全三维基于模型的设计制造基于三维扫描的逆向工程是一种先进的数字化设计技术早期汽车零部件产品的逆向设计多使用卡尺皮尺等直接测量部分关键尺寸,效率低且误差较大目前,多采用三维激光扫描仪和三坐标测量仪结合进行测量利用激光扫描仪获得产品表面的点云,再通过三维点云数据拼接软件与三维曲面的拟合软件对产品进行三维数字化建模,最后利用三坐标测量仪得到零件主要特征的高精度尺寸,进一步修正模型。

    以汽车座椅为研究对象,采用加拿大Creaform公司生产的MetraSCAN 3D激光扫描仪,扫描产品形成点云,接下来利用自动化逆向软件Geomagic Studio 对点云快速处理和拼接,再利用三维设计软件 对数据进行修改并进行数字化建模,最后导出3D打印机所需格式,实体建模。

1 逆向工程和三维激光扫描

    1.1 逆向工程

    逆向工程也叫反求工程,是指利用已有的模型和实物,通过一定的测量方法获取三维数字模型,进一步利用相关的三维设计软件进行修改的二次设计开发过程。逆向工程的主要步骤为样品数字化、数据修改和实体建模,如图1所示。

图1 逆向工程示意图

图1 逆向工程示意图

    (1) 样品数字化。通过三维激光扫描仪等数字化仪器对样品进行测量,获取样品的三维数字模型。

    (2) 数据修改。利用数据三维软件对获取的数字模型进行修改,设计出比原有样品更加先进的产品。

    (3) 实体建模。通过快速成型设备,直接生产出样品进行验证和检测并根据需要进行完善,利用真空铸型设备进行模具开发,进行小批量生产.

    1.2 三维激光扫描

    三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,又称为实景复制技术,是基于面的数据采集方式. 本研究采用的三维激光扫描仪由动作捕捉仪、手持激光头和数据处理系统组成,扫描速度为36000个测量点/s( 约720000点/s) ,精度可达0.05 mm,扫描仪如图2所示。手持激光头发射出激光束投射到物体表面,经反射后由激光接收器获取物体表面反射的光线,数据处理系统自动解算得出被测点的相对三维坐标( 云点),图2三维激光扫描仪进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标,再将三维模型反映在自带的数据处理软件中。扫描后生成 stl 格式的文件,导入逆向软件 Geomagic Studio 并进行快速处理。

图2 三维激光扫描仪

图2 三维激光扫描仪

2 汽车座椅的逆向设计

    2.1 数据采集和预处理

    2.1.1 三维扫描

    (1) 前期准备

    为了保证汽车座椅扫描数据的准确性,需要对扫描仪进行校准。在座椅上贴 3个以上的特征点,标志点贴放时以尽量不影响座椅特征点扫描为原则,相互之间的距离大于或等于 5mm,尽量贴在没有特征点的平面,以保证扫描数据的真实可靠。扫描座椅时,有3.8m^3和7.8m^3 两个空间可选择,如选择3.8m^3空间,座椅距离动作捕捉仪以2m 左右为最佳; 如选择 7.8m^3 ,以3m为最佳距离。根据现场环境适当调整光照,光线越暗越好,若亮度太高,会干扰激光的反射,此时应采取措施减少光亮,如采用篷布遮挡光源、将物体置于阴凉处等,尽量减少其他光线的干扰. 根据座椅颜色调整扫描仪功率,一般设置扫描仪激光发射功率为其额定功率的 80%。根据座椅形状选取最佳的扫描角度和距离,扫描仪距离被测物体 300mm 左右。

    (2) 扫描过程

    本扫描仪可以一次性扫描座椅,将手持激光头置于动态捕捉仪视野范围内匀速移动,发射激光到汽车座椅表面直至扫描结束,尽量不留死角,座椅的三维数据会完全呈现在数据处理软件中。

    (3) 点云数据采集

    扫描仪采集的比较密集的数据点称为点云,反映在数据处理软件中如图3所示。

图3 原始点云数据

图3 原始点云数据

责任编辑:马倩
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