逆向工程技術（ReverseEngineering）作為工程師重要的研發工具，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，或者技術還不足以滿足工業化生產。

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

      德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會（Fraunhofer）是歐洲最大的應用科研機構，是公益、非盈利的科研機構，為企業（特別是中、小企業）開發新技術、新產品、新工藝，協助他們解決自身創新發展中面臨的各種問題。其研發人員所開展的工作極富創造性和創新性，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多名企業客戶的委托，并完成近萬項研發項目，其中2/3來自企業和公助科研委托項目，另外1/3來自聯邦和各州政府，前瞻性的研發工作，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會（Fraunhofer）

      可以說，也正是因為弗勞恩霍夫協會這樣的產學研機構的持續活躍，讓德國工業在國際市場上一直保持著較高的創新能力。

“未來生產環境ProMo”項目

      而此次弗勞恩霍夫協會旗下的IPK（Institutefor Production Systems and DesignTechnology生產和設計技術研究院）、Fokus（Fraunhoferfor open communicationsystems開放性通信系統研究院）、HHI（Heinrich-Hertz-Institut信息技術研究院）和IZM（Institutefor Reliability andMicrointegration可靠性與微整合技術研究院）四個研究所協同，在LZDV數據聯網研究中心的合作項目“未來生產環境ProMo”中，決定用自動化逆向工程實例展示一套覆蓋了物聯交互、可視化和智能制造技術的解決方案。

      在這個項目中，3D掃描被用于檢測實際模型與產品數據模型的偏差。

      在數據時代的商業模式下，個性化和差異化的產品設計成為大勢所趨。而產品設計的第一步是數據化，就需要用到3D掃描技術。

      3D掃描為創建產品的虛擬模型提供了具有完整產品特征的3D數據。不僅如此，3D掃描還是循環經濟中不可或缺的一環。在產品修復、再利用和再循環的環節中，出于調整和維修的目的，都需要用到實際產品的數據備份，即3d數字檔案。

      在數字孿生領域，創建虛擬生產設備來模擬數據映射系統和服務已經得到了廣泛應用。基于此的智能生產有以下三個特征：實時狀態監測，控制和模擬。

      因此，3D掃描技術實現了生產流程中的產品設計數字化、數據聯網、數據共享和產品的個性化建模，這些必將推動未來工廠的發展。

      然而，很長時間以來，許多生產零件模型的過程都強烈依賴于具有豐富專業知識的技術工程師手工作業，對掃描數據的處理通常也是手動進行的。掃描數據構建出被掃描物體表面的網格信息，如果要繼續使用這些數據，就必須將其轉化為數學模型。而這個轉化過程，以往基本都是人工基于網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量參差不齊。

      “未來生產環境ProMo”項目（以下簡稱ProMo項目），基于3D掃描技術的逆向工程系統，致力于將3D掃描、CAD建模和為下游環節做的數據準備過程自動化，從而減少人工的參與，確保數據準備的可靠性和一致性。

一臺合適的3D掃描儀對 “未來生產環境ProMo”項目至關重要

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

      例如，在2019年，柏林的中小企業投資興趣低靡，在所有投資行為中，擴大生產的投資僅占57.8%，比去年下降了6.4%之多。特別是小企業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濟代價投資這樣一套系統。

      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多功能手持式三維掃描儀。

      項目研究員Stephan M?nchinger經過一段時間的仔細甄選使用對比后，對EinScanPro 2X多功能手持式三維掃描儀非常滿意。

他總結了該款三維掃描儀的四個優勢：

      1. EinScan Pro 2X這款三維掃描儀作為非接觸型掃描系統，擁有高速的數據采集效率，不高的價格和極高的精度這幾個特點。相比其他工業掃描系統超過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點云數據最小點距為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品的3D數據化以及數據模型的后續應用，重建出來的數據模型足以滿足接下來的加工制造要求。

      3. 這款三維掃描儀是基于結構光的手持掃描系統，相比于激光掃描系統，機構光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三維掃描儀，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）。首先需要掃描產品的幾何數據，掃描完成之后，這些數據需要被處理和分區。處理好的數據就可以導入電腦，用于構建CAD模型了。

      機械臂操作使得三維掃描儀的掃描路徑可以自定義和自動化。選擇一個已經損壞的零部件，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個性化配置。

      若機械臂處于停泊位置，使用者可以操作系統，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的Python腳本，從而連接ZeroQM消息庫，選擇合適的掃描儀內置軟件。由于生產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。

      掃描過程結束后，掃描數據將上傳到生產商提供的軟件中產生點云數據網格，并輸出stl格式的文件準備進行下一個處理步驟。

      數據傳輸可以通過5G技術上傳到云端，海量的模型數據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有數據集和應得數據集進行疊加，這個過程叫做全局定位。為了完成這個步驟，FraunhoferIPK運用了自行開發的算法，這樣可以確定點云網格數據中相同的幾何特征并在它們的基礎上自動輸出零件數據集。這個算法基于為應用目的改良的點云數據庫（PCL）功能。

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

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

“未來生產環境ProMo”項目的總結

      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，維修的經濟效益也將大于重新采購。這樣可以幫助企業節約資源，減少浪費。基于5G網絡的生產數據聯網也將幫助企業搭建完美的生產流程。

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

      其次，這套掃描系統的自動化程度相對于傳統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。

      同時，考慮到專業技術人員資源緊缺的大環境，這項技術也可以減輕專業人員和專家做重復性勞動的負擔。

      模塊化、可調整的生產步驟使得生產流程可以靈活適應不同的應用環境。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的共生系統構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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