激光扫描仪将大幅削减汽车车身数据采集时间

为车狂

计算机常常限制设计工程师，所以，泥塑模型才赋予他们所需要的自由；激光扫描帮助（主要性能）汽车制造商把从这种模型采集复杂表面几何尺寸的时间缩短了75％。

一、混合技术、知觉和艺术

在开发汽车车身部件中产生的问题源于这样的事实：大多数困难的设计挑战几乎总是采用泥塑模型而不是在计算机上解决。然后，设计工程师就面对更新计算机辅助设计（CAD）模型的障碍，以反映泥塑模型中所做的变化。利用坐标测量机器（CMM）采集泥塑模型表面上的点有困难，因为它要花后装市场制造商的工程师的太多时间；他们在CAD文件和模型之间反复多次，以采集到足够的点来完全定义该表面，从而使计算机模型与泥塑模型完全匹配。

最近，那些开发商已经转向采用NVision提供的激光扫描仪，该设备能够从泥塑模型的表面快速采集几百万点，足以完全提取模型的特征。所获得的点云然后可以被输入到CAD模型之中，并被用于完全提取新的表面。除了节省大量时间之外，工程师比过去更有信心，因为他们完美地实现了泥塑模型和CAD模型之间的匹配。

二、提取泥塑模型特征的困难

“与过去制做泥塑模型的整个过程相比，基于计算机的物体设计工具提供了巨大的优势，”曾任Porsche工程服务公司摄影工程师的MartinMeade说，“但是，当事情真的很难时，通常在任何设计项目的生命期中都要遇到几次（很困难的时刻），计算机工具变得爱莫能助了，设计工程师（不得不）用泥塑模型以便获得他们需要的自由。与在计算机屏幕上相比，需要突出且外观合适的精细变化可以在实际模型上更为简便、精确且形象化地制做出来。

举一个典型的例子，当你把一个轮展（wheelflare）嵌入后保险杠之中时，很难把表面混合在一起，并让它们看起来相象。通常最好的办法是抹掉一些泥，并开始刮擦，直到外表看起来相象。但是，然后你就要面对非常困难的挑战：利用算术方法提取实际模型的特征。

过去，设计工程师通常利用CMM上的接触探头来算术地定义泥塑模型的几何尺寸。他们围绕泥塑模型手工移动探头，一次采集一个点。采用这种方法的最大问题是定义一个复杂表面常常需要非常大量的点。工程师几乎不可能确定哪些点是必需的，所以，他们通常以采集若干点开始，然后，把由此得到的点云移动到CAD程序之中。他们利用这些点来定义表面，并与实际模型比较。通常其外观就不对，所以，那时他们必须回到泥塑模型，并在那些需要完善的区域采集附加的点。

在确认CAD模型与实际模型外表相象之前，这个过程常常需要重复多次。即使当设计工程师完成建模时，他们有时不确定是否已经真的采集了实际几何尺寸。

CMM和所有其它接触设备存在的另外一个问题是：不得不接触物体以在柔软的泥塑模型中作出标记。因为技术人员不可能以同样准确的力度压每一个点，所以，对柔软物体的测量就不可能精确。

这些局限性导致Meade及其同僚评估采用非接触方法进行数据采集。在评估了市场上的产品之后，他们确定满足他们需要的系统就是来自NVision公司的激光扫描仪。

“我们用6到10个月的时间研究了不同的技术，”Meade说，“我们考察了白光系统，但是，发现扫描仪要距离物体1.5米才能获得正确的聚焦长度，这就使它几乎不能完全扫描车辆的内部。我们选择NVision扫描仪的原因在于，它的精度高；当需要扫描内部表面—如膝盖垫枕—时，它便于安装到紧凑地方内部。”

为了记录车身的形状或其他车辆组件（也配备泥塑模型），技术人员手持激光传感器，以便激光束投射到车身上。

该扫描系统由一个3D激光扫描仪、一台配备传感器的机械数字化仪、一台个人电脑以及一套用于提取、显示、处理和输出数据的专用软件构成。为了记录车身或其它车辆组件的形状，技术人员简单地手持激光传感器，让激光束投射到车身上。扫描仪具有一个140mm的激光条纹长度。激光条纹传感器比简单的激光点传感器要快得多。NVision系统在车身上自由移动，让技术人员就像喷绘那样采集数据。

当技术人员把传感器在物体表面移动时，专用接口卡把（扫描）线的视频图像转换为3D坐标。数据的实时透视图给出即时反馈。这一点很重要，因为它让技术人员看到被遗漏的区域并在下一次经过时对它们进行填充。该系统把坐标数据与笛卡尔（坐标）及在机械臂的每一个位置上产生的角坐标想结合，结果得到描绘物体表面的密集3D数据云。

当扫描完成时，点云数据被转换为STL（立体版图）格式，然后，从运行扫描仪的个人电脑输出并输入到ICEMSurf之中。在ICEMSurf内的工具容许设计工程师把输入的数据转换为表面（模型）。

激光扫描仪的主要优点是在较短的时间内生成大量的数据点。根据零件的大小和所要求的精度级别，典型情况下，技术人员为每一个泥塑模型采集几千万个点。工程师然后在计算机屏幕上观察整个集合形状，以确信他们已经完全覆盖了整个零件。下一步就是把点云输入到软件之中完成向表面模型的转换。最后，表面模型被输入并与CAD模型合并。

这种设备的另外一个重要优点是精度高。测量受操作者影响的程度不大，因为他们只要把光束投射在物体上。从系统提供的反馈能防止遗漏（未扫描的）区域；并且激光扫描仪由于没有必须实际接触物体的探头，所以，不存在压在柔软的物体（所产生的用力不均匀）的问题，也不需要在粘土上做标记。

三、空气动力学及其它应用

Meade表示，虽然公司购买激光扫描仪主要是在设计过程中提取泥塑模型的特征，但是，人们已经发现了这种设备的其它有价值的应用。例如，在风洞测试过程中开发的逆向工程模型就可以解决空气动力学问题。

再如，设计工程师扫描车辆的前端，因为他们已经签定了设计新车身的合同；当他们设计车身的时候，前端表面模型便于确保新设计清除所有现存的组件参数。

最后，以项目为基础向其客户提供逆向工程服务的公司要采用激光扫描仪。“我们的设计工程师对新型激光扫描仪系统极为满意，这些激光扫描仪让我们在最少的时间内提取复杂三维表面几何的参数，”Meade总结说。“他们在采集数据上花费较少时间，把更多时间留给了设计过程创新方面。他们因采集了完全提取泥塑模型所需要的足够的数据而信心倍增。”