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(dòng)化的逆向工程流程中族扰，工程師需要耗費(fèi)大量人工重復(fù)勞動(dòng)，并且需要具有相當(dāng)多的專業(yè)知識定欧。而已有的一些自動(dòng)化的流程則通常價(jià)格高昂渔呵，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(dòng)化逆向工程解決方案的研究中砍鸠，將不同技術(shù)整合到一系列MRO（維護(hù)扩氢，維修，操作）的生產(chǎn)流程中京佃，來向工業(yè)界展示椎裕，如何通過多技術(shù)的靈活組合使用來降低成本，提高自動(dòng)化水平崔狂，并創(chuàng)造更大的附加值皿进。

德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會（Fraunhofer）是歐洲最大的應(yīng)用科研機(jī)構(gòu)，是公益茶链、非盈利的科研機(jī)構(gòu)臊瞬，為企業(yè)（特別是中、小企業(yè)）開發(fā)新技術(shù)颓之、新產(chǎn)品银景、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鹤梳。其研發(fā)人員所開展的工作極富創(chuàng)造性和創(chuàng)新性诽粪，近24000科研人員（包含德國合作院校的教授與參與實(shí)習(xí)的學(xué)生與研究生）一年能夠服務(wù)3000多名企業(yè)客戶的委托，并完成近萬項(xiàng)研發(fā)項(xiàng)目岁九，其中2/3來自企業(yè)和公助科研委托項(xiàng)目君铁，另外1/3來自聯(lián)邦和各州政府，前瞻性的研發(fā)工作攻柠，確保其科研水平處于領(lǐng)先地位球订。

德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會（Fraunhofer

可以說，也正是因?yàn)楦诙骰舴騾f(xié)會這樣的產(chǎn)學(xué)研機(jī)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)新能力冒滩。

“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項(xiàng)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(shè)計(jì)技術(shù)研究院）微驶、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(gè)研究所協(xié)同开睡，在LZDV數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)研究中心的合作項(xiàng)目“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”中因苹，決定用自動(dòng)化逆向工程實(shí)例展示一套覆蓋了物聯(lián)交互、可視化和智能制造技術(shù)的解決方案篇恒。在這個(gè)項(xiàng)目中扶檐，3D掃描被用于檢測實(shí)際模型與產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的偏差。

在數(shù)據(jù)時(shí)代的商業(yè)模式下胁艰，個(gè)性化和差異化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成為大勢所趨款筑。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步是數(shù)據(jù)化，就需要用到3D掃描技術(shù)腾么。

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)浩出。不僅如此，3D掃描還是循環(huán)經(jīng)濟(jì)中不可或缺的一環(huán)靡隔。在產(chǎn)品修復(fù)扶蜻、再利用和再循環(huán)的環(huán)節(jié)中，出于調(diào)整和維修的目的谆纸，都需要用到實(shí)際產(chǎn)品的數(shù)據(jù)備份搔绿，即3d數(shù)字檔案。

在數(shù)字孿生領(lǐng)域耻炕，創(chuàng)建虛擬生產(chǎn)設(shè)備來模擬數(shù)據(jù)映射系統(tǒng)和服務(wù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用法顺。基于此的智能生產(chǎn)有以下三個(gè)特征：實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測煞肠，控制和模擬瓤鬓。

因此版幕，3D掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化乏束、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)共享和產(chǎn)品的個(gè)性化建模衔甲，這些必將推動(dòng)未來工廠的發(fā)展糖埋。

然而，很長時(shí)間以來窃这，許多生產(chǎn)零件模型的過程都強(qiáng)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)瞳别，對掃描數(shù)據(jù)的處理通常也是手動(dòng)進(jìn)行的。掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建出被掃描物體表面的網(wǎng)格信息杭攻，如果要繼續(xù)使用這些數(shù)據(jù)祟敛，就必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型。而這個(gè)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馆铁。建模師的知識儲備和水平的差異導(dǎo)致了工作時(shí)間和導(dǎo)出模型的質(zhì)量參差不齊跑揉。

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

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

ProMo項(xiàng)目的研究者發(fā)現(xiàn)，一套符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的掃描系統(tǒng)價(jià)格通常超過10萬歐元勋桶，這對于許多中小型企業(yè)來說是很難接受的猛疗。例如，在2019年牛跷，柏林的中小企業(yè)投資興趣低靡盲狈，在所有投資行為中，擴(kuò)大生產(chǎn)的投資僅占57.8%肌蛮，比去年下降了6.4%之多螺矮。特別是小企業(yè)總是傾向于使用風(fēng)險(xiǎn)最小的解決方案，在沒有看到可行先例的條件下忍猛，他們很少愿意付出高昂的經(jīng)濟(jì)代價(jià)投資這樣一套系統(tǒng)畅型。

基于方案最終能夠落地實(shí)施的目標(biāo)，ProMo項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇了先臨三維公司的EinScanPro 2X掃描儀掐股。

項(xiàng)目研究員Stephan M?nchinger經(jīng)過一段時(shí)間的仔細(xì)甄選使用對比后乘澈，對EinScanPro 2X掃描儀非常滿意。他總結(jié)了該款3D掃描儀的四個(gè)優(yōu)勢：

1. EinScan Pro 2X這款掃描儀作為非接觸型掃描系統(tǒng)扳九，擁有高速的數(shù)據(jù)采集效率尝鬓，不高的價(jià)格和極高的精度這幾個(gè)特點(diǎn)。相比其他工業(yè)掃描系統(tǒng)超過10萬歐元的報(bào)價(jià)玖瘸，這款掃描儀一萬歐元的價(jià)格具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢秸讹。

2. EinScan Pro 2X的掃描精度高達(dá)0.04毫米，這個(gè)精度還可以通過合適的校準(zhǔn)方法提高到0.02毫米雅倒。3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)最小點(diǎn)距為0.2毫米璃诀，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(yīng)用蔑匣，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劣欢。

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)裁良，機(jī)構(gòu)光3D掃描擁有更高的分辨率（測量點(diǎn)點(diǎn)距）和絕對精度凿将。

4. EinScan Pro 2X是一款輕便小巧的手持掃描儀校套，可以靈活應(yīng)對各種工作空間。在此次項(xiàng)目中牧抵，我們使用了一個(gè)快速成型加工的連接頭把這款掃描儀連接在一個(gè)機(jī)械臂上搔确，由于其比較輕巧，連接頭能夠安全完成工作灭忠。

自動(dòng)化逆向工程流程

通常膳算，基于3D掃描的自動(dòng)化逆向工程流程有六個(gè)步驟（如下圖所示）。首先需要掃描產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)攘体，掃描完成之后好浆，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(dǎo)入電腦办轮，用于構(gòu)建CAD模型了浓朋。

機(jī)械臂操作使得3D掃描儀的掃描路徑可以自定義和自動(dòng)化。選擇一個(gè)已經(jīng)損壞的零部件枫欢，對損壞的部位進(jìn)行定位確認(rèn)后磨搭，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)和停止返引。機(jī)械臂和掃描儀實(shí)時(shí)交換這些信號缭亦，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑可以通過重新編程實(shí)現(xiàn)個(gè)性化配置。

若機(jī)械臂處于停泊位置隔每，使用者可以操作系統(tǒng)培穆，讓機(jī)械臂回到初始位置準(zhǔn)備掃描。掃描開始時(shí)贼酵，會啟動(dòng)一個(gè)自主研發(fā)的Python腳本糙笛，從而連接ZeroQM消息庫，選擇合適的掃描儀內(nèi)置軟件烛愧。由于生產(chǎn)商不提供配套的可視化軟件油宜，掃描過程將通過一個(gè)本項(xiàng)目自主研發(fā)的軟件實(shí)時(shí)展示。一旦軟件開始運(yùn)行怜姿，機(jī)械臂就帶動(dòng)掃描儀沿著自動(dòng)計(jì)算出的掃描路徑進(jìn)行掃描慎冤。運(yùn)動(dòng)結(jié)束后掃描儀會給機(jī)械臂一個(gè)信號，機(jī)械臂收到信號后回到停泊位置社牲。掃描過程結(jié)束后粪薛，掃描數(shù)據(jù)將上傳到生產(chǎn)商提供的軟件中產(chǎn)生點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格，并輸出stl格式的文件準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)處理步驟搏恤。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(jì)算機(jī)中心處理完畢并提供給下游步驟湃交，這樣就不需要在終端擁有運(yùn)算能力了熟空。

為了建模需要先將現(xiàn)有數(shù)據(jù)集和應(yīng)得數(shù)據(jù)集進(jìn)行疊加，這個(gè)過程叫做全局定位。為了完成這個(gè)步驟FraunhoferIPK運(yùn)用了自行開發(fā)的算法息罗，這樣可以確定點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)據(jù)中相同的幾何特征并在它們的基礎(chǔ)上自動(dòng)輸出零件數(shù)據(jù)集掂咒。這個(gè)算法基于為應(yīng)用目的改良的點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫（PCL）功能。數(shù)據(jù)集自動(dòng)生成之后轴艇，下一步就是將數(shù)據(jù)集導(dǎo)入Siemens NX軟件中建立一個(gè)差異模型谊阐。這一步中，數(shù)據(jù)集將通過布爾運(yùn)算相減婆掐，得到的值就是現(xiàn)有和應(yīng)得模型之間的體積差它蛔。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(shè)備的機(jī)器語言呜紊，并用于操作設(shè)備維修零件首袍。

“未來生產(chǎn)環(huán)境ProMo”項(xiàng)目的總結(jié)

ProMo項(xiàng)目展示了如何通過對需要維修的零件位置定點(diǎn)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碧碉，從而減少機(jī)床工作時(shí)間衰呢。再者，通過降低維修成本炒肚，使得一些至今為止費(fèi)用高昂的維修工作比重新購買更加便宜猪出，維修的經(jīng)濟(jì)效益也將大于重新采購。這樣可以幫助企業(yè)節(jié)約資源酱赘，減少浪費(fèi)坤学。基于5G網(wǎng)絡(luò)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)流程报慕。

該項(xiàng)目選擇的3D掃描也展現(xiàn)出了足夠的經(jīng)濟(jì)性深浮，相對于投資昂貴的工業(yè)掃描設(shè)施，投資EinScan Pro 2X手持3D掃描儀投入小眠冈，性價(jià)比高飞苇，足以滿足中小企業(yè)需求。其次蜗顽，這套掃描系統(tǒng)的自動(dòng)化程度相對于傳統(tǒng)手動(dòng)建模有顯著提高布卡。這樣不僅減少了工作時(shí)間，也減小了因?yàn)榱慵p壞等待維修過程中造成的設(shè)備停工時(shí)間雇盖，因此也能獲得更好的OEE（設(shè)備效率評價(jià)）指數(shù)忿等。同時(shí)，考慮到專業(yè)技術(shù)人員資源緊缺的大環(huán)境崔挖，這項(xiàng)技術(shù)也可以減輕專業(yè)人員和專家做重復(fù)性勞動(dòng)的負(fù)擔(dān)贸街。

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(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境狸相。通過直覺性薛匪、用戶友好的操作設(shè)計(jì)可以極大緩解操作者的使用壓力朗溶，使用者始終充當(dāng)著決策者的角色。

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

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

(暫不可見)/publication/340235639_Digital_vernetztes_automatisiertes_3D-Scanning_mit_CAD-Ruckfuhrung

3D掃描預(yù)約演示

（先臨三維）

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