德國弗勞恩霍夫協(xié)會：一款合適的3D掃描儀是實現(xiàn)自動化逆向工程解決方案的秘密武器

逆向工程技術(shù)（ReverseEngineering）作為工程師重要的研發(fā)工具，在近幾年來變得越來越舉足輕重。

在非自動化的逆向工程流程中，工程師需要耗費大量人工重復勞動，并且需要具有相當多的專業(yè)知識。而已有的一些自動化的流程則通常價格高昂，或者技術(shù)還不足以滿足工業(yè)化生產(chǎn)。

德國柏林的弗勞恩霍夫協(xié)會（Fraunhofer）在自動化逆向工程解決方案的研究中，將不同技術(shù)整合到一系列MRO（維護，維修，操作）的生產(chǎn)流程中，來向工業(yè)界展示，如何通過多技術(shù)的靈活組合使用來降低成本，提高自動化水平，并創(chuàng)造更大的附加值。

德國弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會（Fraunhofer）是歐洲最大的應用科研機構(gòu)，是公益、非盈利的科研機構(gòu)，為企業(yè)（特別是中、小企業(yè)）開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝，協(xié)助他們解決自身創(chuàng)新發(fā)展中面臨的各種問題。其研發(fā)人員所開展的工作極富創(chuàng)造性和創(chuàng)新性，近24000科研人員（包含德國合作院校的教授與參與實習的學生與研究生）一年能夠服務3000多名企業(yè)客戶的委托，并完成近萬項研發(fā)項目，其中2/3來自企業(yè)和公助科研委托項目，另外1/3來自聯(lián)邦和各州政府，前瞻性的研發(fā)工作，確保其科研水平處于領先地位。

德國弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會（Fraunhofer）

可以說，也正是因為弗勞恩霍夫協(xié)會這樣的產(chǎn)學研機構(gòu)的持續(xù)活躍，讓德國工業(yè)在國際市場上一直保持著較高的創(chuàng)新能力。

“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項目

而此次弗勞恩霍夫協(xié)會旗下的IPK（Institutefor Production Systems and DesignTechnology生產(chǎn)和設計技術(shù)研究院）、Fokus（Fraunhoferfor open communicationsystems開放性通信系統(tǒng)研究院）、HHI（Heinrich-Hertz-Institut信息技術(shù)研究院）和IZM（Institutefor Reliability andMicrointegration可靠性與微整合技術(shù)研究院）四個研究所協(xié)同，在LZDV數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)研究中心的合作項目“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”中，決定用自動化逆向工程實例展示一套覆蓋了物聯(lián)交互、可視化和智能制造技術(shù)的解決方案。

在這個項目中，3D掃描被用于檢測實際模型與產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的偏差。

在數(shù)據(jù)時代的商業(yè)模式下，個性化和差異化的產(chǎn)品設計成為大勢所趨。而產(chǎn)品設計的第一步是數(shù)據(jù)化，就需要用到3D掃描技術(shù)。

3D掃描為創(chuàng)建產(chǎn)品的虛擬模型提供了具有完整產(chǎn)品特征的3D數(shù)據(jù)。不僅如此，3D掃描還是循環(huán)經(jīng)濟中不可或缺的一環(huán)。在產(chǎn)品修復、再利用和再循環(huán)的環(huán)節(jié)中，出于調(diào)整和維修的目的，都需要用到實際產(chǎn)品的數(shù)據(jù)備份，即3d數(shù)字檔案。

在數(shù)字孿生領域，創(chuàng)建虛擬生產(chǎn)設備來模擬數(shù)據(jù)映射系統(tǒng)和服務已經(jīng)得到了廣泛應用。基于此的智能生產(chǎn)有以下三個特征：實時狀態(tài)監(jiān)測，控制和模擬。

因此，3D掃描技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)流程中的產(chǎn)品設計數(shù)字化、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)共享和產(chǎn)品的個性化建模，這些必將推動未來工廠的發(fā)展。

然而，很長時間以來，許多生產(chǎn)零件模型的過程都強烈依賴于具有豐富專業(yè)知識的技術(shù)工程師手工作業(yè)，對掃描數(shù)據(jù)的處理通常也是手動進行的。掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建出被掃描物體表面的網(wǎng)格信息，如果要繼續(xù)使用這些數(shù)據(jù)，就必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型。而這個轉(zhuǎn)化過程，以往基本都是人工基于網(wǎng)格表面模型重新建模。建模師的知識儲備和水平的差異導致了工作時間和導出模型的質(zhì)量參差不齊。

“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項目（以下簡稱ProMo項目），基于3D掃描技術(shù)的逆向工程系統(tǒng)，致力于將3D掃描、CAD建模和為下游環(huán)節(jié)做的數(shù)據(jù)準備過程自動化，從而減少人工的參與，確保數(shù)據(jù)準備的可靠性和一致性。

一臺合適的3D掃描儀對 “未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項目至關重要

ProMo項目的研究者發(fā)現(xiàn)，一套符合工業(yè)標準的掃描系統(tǒng)價格通常超過10萬歐元，這對于許多中小型企業(yè)來說是很難接受的。

例如，在2019年，柏林的中小企業(yè)投資興趣低靡，在所有投資行為中，擴大生產(chǎn)的投資僅占57.8%，比去年下降了6.4%之多。特別是小企業(yè)總是傾向于使用風險最小的解決方案，在沒有看到可行先例的條件下，他們很少愿意付出高昂的經(jīng)濟代價投資這樣一套系統(tǒng)。

基于方案最終能夠落地實施的目標，ProMo項目團隊選擇了先臨三維公司的EinScan Pro 2X掃描儀。

項目研究員Stephan M?nchinger經(jīng)過一段時間的仔細甄選使用對比后，對EinScanPro 2X掃描儀非常滿意。

他總結(jié)了該款3D掃描儀的四個優(yōu)勢：

1. EinScan Pro 2X這款掃描儀作為非接觸型掃描系統(tǒng)，擁有高速的數(shù)據(jù)采集效率，不高的價格和極高的精度這幾個特點。相比其他工業(yè)掃描系統(tǒng)超過10萬歐元的報價，這款掃描儀一萬歐元的價格具有明顯的價格優(yōu)勢。

2. EinScan Pro 2X的掃描精度高達0.04毫米，這個精度還可以通過合適的校準方法提高到0.02毫米。3D點云數(shù)據(jù)最小點距為0.2毫米，到被掃描物體的最近掃描距離為360毫米。這些特性使得這款掃描儀非常適合用于產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)化以及數(shù)據(jù)模型的后續(xù)應用，重建出來的數(shù)據(jù)模型足以滿足接下來的加工制造要求。

3. 這款掃描儀是基于結(jié)構(gòu)光的手持掃描系統(tǒng)，相比于激光掃描系統(tǒng)，機構(gòu)光3D掃描擁有更高的分辨率（測量點點距）和絕對精度。

4. EinScan Pro 2X是一款輕便小巧的手持掃描儀，可以靈活應對各種工作空間。在此次項目中，我們使用了一個快速成型加工的連接頭把這款掃描儀連接在一個機械臂上，由于其比較輕巧，連接頭能夠安全完成工作。

自動化逆向工程流程

通常，基于3D掃描的自動化逆向工程流程有六個步驟（如下圖所示）。首先需要掃描產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)，掃描完成之后，這些數(shù)據(jù)需要被處理和分區(qū)。處理好的數(shù)據(jù)就可以導入電腦，用于構(gòu)建CAD模型了。

機械臂操作使得3D掃描儀的掃描路徑可以自定義和自動化。選擇一個已經(jīng)損壞的零部件，對損壞的部位進行定位確認后，掃描儀可以開始以合適的路徑掃描零件。

掃描過程通過UPSUA信號觸發(fā)和停止。機械臂和掃描儀實時交換這些信號，機器人的運動路徑可以通過重新編程實現(xiàn)個性化配置。

若機械臂處于停泊位置，使用者可以操作系統(tǒng)，讓機械臂回到初始位置準備掃描。

掃描開始時，會啟動一個自主研發(fā)的Python腳本，從而連接ZeroQM消息庫，選擇合適的掃描儀內(nèi)置軟件。由于生產(chǎn)商不提供配套的可視化軟件，掃描過程將通過一個本項目自主研發(fā)的軟件實時展示。

一旦軟件開始運行，機械臂就帶動掃描儀沿著自動計算出的掃描路徑進行掃描。運動結(jié)束后掃描儀會給機械臂一個信號，機械臂收到信號后回到停泊位置。

掃描過程結(jié)束后，掃描數(shù)據(jù)將上傳到生產(chǎn)商提供的軟件中產(chǎn)生點云數(shù)據(jù)網(wǎng)格，并輸出stl格式的文件準備進行下一個處理步驟。

數(shù)據(jù)傳輸可以通過5G技術(shù)上傳到云端，海量的模型數(shù)據(jù)可以在中央計算機中心處理完畢并提供給下游步驟，這樣就不需要在終端擁有運算能力了。

為了建模需要先將現(xiàn)有數(shù)據(jù)集和應得數(shù)據(jù)集進行疊加，這個過程叫做全局定位。為了完成這個步驟，F(xiàn)raunhoferIPK運用了自行開發(fā)的算法，這樣可以確定點云網(wǎng)格數(shù)據(jù)中相同的幾何特征并在它們的基礎上自動輸出零件數(shù)據(jù)集。這個算法基于為應用目的改良的點云數(shù)據(jù)庫（PCL）功能。

數(shù)據(jù)集自動生成之后，下一步就是將數(shù)據(jù)集導入Siemens NX軟件中建立一個差異模型。這一步中，數(shù)據(jù)集將通過布爾運算相減，得到的值就是現(xiàn)有和應得模型之間的體積差。這些數(shù)據(jù)值隨后會被構(gòu)建成體積模型并通過文件轉(zhuǎn)換平臺交換到CAM分析系統(tǒng)上。

在CAM系統(tǒng)里將生成控制設備的機器語言，并用于操作設備維修零件。

“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項目的總結(jié)

ProMo項目展示了如何通過對需要維修的零件位置定點使用材料來降低維修材料消耗。除此之外，還減少了后續(xù)加工中需要去除的多余材料量，從而減少機床工作時間。

再者，通過降低維修成本，使得一些至今為止費用高昂的維修工作比重新購買更加便宜，維修的經(jīng)濟效益也將大于重新采購。這樣可以幫助企業(yè)節(jié)約資源，減少浪費?；?G網(wǎng)絡的生產(chǎn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)也將幫助企業(yè)搭建完美的生產(chǎn)流程。

該項目選擇的3D掃描也展現(xiàn)出了足夠的經(jīng)濟性，相對于投資昂貴的工業(yè)掃描設施，投資EinScan Pro 2X手持3D掃描儀投入小，性價比高，足以滿足中小企業(yè)需求。

其次，這套掃描系統(tǒng)的自動化程度相對于傳統(tǒng)手動建模有顯著提高。這樣不僅減少了工作時間，也減小了因為零件損壞等待維修過程中造成的設備停工時間，因此也能獲得更好的OEE（設備效率評價）指數(shù)。

同時，考慮到專業(yè)技術(shù)人員資源緊缺的大環(huán)境，這項技術(shù)也可以減輕專業(yè)人員和專家做重復性勞動的負擔。

模塊化、可調(diào)整的生產(chǎn)步驟使得生產(chǎn)流程可以靈活適應不同的應用環(huán)境。通過直覺性、用戶友好的操作設計可以極大緩解操作者的使用壓力，使用者始終充當著決策者的角色。

通過這樣一個多種技術(shù)的共生系統(tǒng)構(gòu)建的自動化逆向工程解決方案，使MRO（維護，維修，操作）流程的效率得到了極大的提高，并且促進了人對生產(chǎn)流程的理解和掌控。

注：此文信息來源于2020年3月ZWF（Zeitschriftfuer Wirtschaftlichen Fabrikbetrieb）上發(fā)表的文章。

DOI碼：10.3139/104.112252

原文鏈接
https://www.researchgate.net/publication/340235639_Digital_vernetztes_automatisiertes_3D-Scanning_mit_CAD-Ruckfuhrung

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