3D掃描技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的探索應(yīng)用

趙煜 高嵩

【摘? 要】論文對3D掃描技術(shù)及數(shù)字化思維在傳統(tǒng)制造業(yè)的設(shè)計、制造、服務(wù)中的典型應(yīng)用進(jìn)行了列舉，并對快速建模、創(chuàng)新設(shè)計和生產(chǎn)制造過程的數(shù)據(jù)采集及后續(xù)的三維檢測進(jìn)行了優(yōu)勢分析，在對比其在智能制造領(lǐng)域尤其是推動傳統(tǒng)工業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級中不可替代的現(xiàn)實需求的基礎(chǔ)上，提出了3D掃描技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)和應(yīng)用方向。

【Abstract】This paper enumerates the typical applications of 3D scanning technology and digital thinking in the design， manufacturing and service of traditional manufacturing industry， and analyzes the advantages of data acquisition for rapid modeling， innovative design and production and manufacturing processes and subsequent three-dimensional detection. On the basis of comparing its irreplaceable reality demands in the field of intelligent manufacturing， especially in promoting the integration， innovation， transformation and upgrading of traditional industries and the internet， this paper puts forward the development evolution and application directions of 3D scanning technology.

【關(guān)鍵詞】3D掃描;三維數(shù)據(jù);智能制造技術(shù)

【Keywords】3D scanning; three-dimensional data; intelligent manufacturing technology

【中圖分類號】TP391;F424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0179-02

1 引言

隨著《中國制造2025》的提出，將“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化”作為發(fā)展方針的戰(zhàn)略對策和行動計劃，堅持“市場主導(dǎo)、政府引導(dǎo)，立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)，整體推進(jìn)、重點突破，自主發(fā)展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。3D掃描技術(shù)在各領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用場景，可以加快智能制造的發(fā)展步伐，更好地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的銜接和融合發(fā)展。

2 3D掃描技術(shù)概述

2.1 3D掃描技術(shù)的應(yīng)用前景

3D掃描技術(shù)是集光、機(jī)、電、網(wǎng)絡(luò)信息和計算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間的確定位置。它是將真實物體表面的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可直接處理的數(shù)字信號，為實物的數(shù)字化建模提供了更方便快捷的技術(shù)手段。

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展，3D掃描技術(shù)獲得大量的應(yīng)用場景和技術(shù)提供，其中三維掃描矢量在數(shù)據(jù)獲取、三維點云數(shù)據(jù)的設(shè)計、檢測及展示、三維可視化及虛擬仿真設(shè)計中的應(yīng)用，以其精密化、智能化、通用化以及便捷化等都將被推向更高的應(yīng)用層面，成為我國由傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)向智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 3D掃描技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3D掃描技術(shù)正處于迅速發(fā)展階段，高端需求都由國外產(chǎn)品壟斷。目前，國內(nèi)應(yīng)用需求正日益增加，尤其是國內(nèi)在近景工業(yè)測量的研究、開發(fā)方面具有很大的潛力，在汽車、電子、機(jī)械、航空、軍工、醫(yī)療和模具等設(shè)計和制造領(lǐng)域中有很高的應(yīng)用價值。

《中國制造2025》是把制造業(yè)變革與升級作為塑造中國經(jīng)濟(jì)核心競爭力的重大戰(zhàn)略，3D數(shù)字化技術(shù)是這次產(chǎn)業(yè)升級的主要推動力之一，是Digital Twin、CPS（Cyber Physical System）與數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是在工業(yè)界與文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的共性工具技術(shù)，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、管理、市場、服務(wù)、消費等各個環(huán)節(jié)，是開啟“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”變革的競爭基點，是實現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)、“以信息化培育新動能，用新動能推動新發(fā)展，做大做強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的基礎(chǔ)支撐和保障。

3 3D掃描技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 3D掃描技術(shù)在智能制造發(fā)展中的地位與作用

國家對智能制造高度重視，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程為3D掃描技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計和產(chǎn)品檢測環(huán)節(jié)提供了巨大的市場機(jī)遇。

通過高精度的檢測檢驗手段，滿足工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計和檢測要求，中國制造由低端向高端躍升，離不開高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計。而高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計，可以通過高精度的檢驗檢測手段輔助進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和完善，3D掃描技術(shù)能夠迅速高效地完成產(chǎn)品的設(shè)計、檢測和優(yōu)化流程的螺旋迭代，以低成本、短時間、高質(zhì)量的優(yōu)勢滿足市場對產(chǎn)品多層次的細(xì)分需求。

3D掃描技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用，不僅可以快速、高效地實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)高精度獲取、創(chuàng)新設(shè)計、實時三維檢測和新產(chǎn)品物理原型的快速制造，為產(chǎn)品研發(fā)、方案論證、快速全尺寸檢測提供有效的解決方案。3D掃描技術(shù)的應(yīng)用，相應(yīng)降低了對設(shè)計人員的技術(shù)要求，降低了工作強(qiáng)度，有助于社會制造服務(wù)業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，拓展了就業(yè)渠道，加速企業(yè)的升級與發(fā)展。

3.2 3D掃描技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用場景

3D掃描技術(shù)采用工業(yè)用高精度3D結(jié)構(gòu)光掃描儀，該設(shè)備具有精度高、非接觸測量和便攜性好的特點。此外，這種測量方法在測量現(xiàn)場工作量小、快速、高效，并不受溫度和振動等外界因素的影響，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

3D掃描技術(shù)在工業(yè)智能制造數(shù)字化工廠方面的應(yīng)用，可對工廠進(jìn)行全生命周期的測量、工廠流水線的改造、虛擬裝配、動態(tài)模擬的添加、更換設(shè)備、碰撞檢查、生產(chǎn)三維動畫、表現(xiàn)生產(chǎn)工藝等，同時，監(jiān)控設(shè)備工作過程、狀態(tài)、報警等。

數(shù)據(jù)驗證前，對物品進(jìn)行掃描，將得到的三維數(shù)據(jù)與原三維圖紙進(jìn)行比較，快速準(zhǔn)確地獲得偏差，基于對比結(jié)果給出修正方案。產(chǎn)品的逆向技術(shù)，是對一項目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。逆向技術(shù)其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計原理。3D掃描技術(shù)對工業(yè)零部件進(jìn)行掃描后，可以直接生成三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行手工測量，通過第三方軟件進(jìn)行殘損檢測，出具二/三維分析報告，也可以逆向建模、參數(shù)化、生成CAD圖紙、指導(dǎo)設(shè)計、開模、制造為實體產(chǎn)品。

3.3 3D數(shù)字化設(shè)計是智能制造主流設(shè)計的必然趨勢

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計是以長期經(jīng)驗積累為基礎(chǔ)，通過力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及試驗等形成的經(jīng)驗公式，運用條件性計算或類比方法設(shè)計，采用手工計算、繪圖、設(shè)計，準(zhǔn)確性差、工作周期長、效率低。

利用3D數(shù)字化設(shè)計，可以充分發(fā)揮設(shè)計者的能力，運用3D軟件進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，通過創(chuàng)造性思維設(shè)計出具有新穎性、創(chuàng)造性和實用的工業(yè)產(chǎn)品。3D數(shù)字化設(shè)計的過程大都是先構(gòu)思后表達(dá)。從三維開始，經(jīng)過邏輯推斷、分析與決策而產(chǎn)生設(shè)計方案。隨著UG、Mastercam、CimatronE、SolidWorks、CAITA等CAD/CAM軟件的應(yīng)用，利用計算機(jī)三維設(shè)計已成為我國大中小制造企業(yè)的主流模式，從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬、加工制造多方面集成，充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)新構(gòu)思能力，實現(xiàn)“所想即所得”，大大提高生產(chǎn)效率。

3.4 3D掃描技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線的優(yōu)勢

近年來，三維掃描技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它貫穿了企業(yè)的整個生命周期。在生產(chǎn)初期的概念階段，可以進(jìn)行用逆向工程作競品分析、對競品及其零部件進(jìn)行分析研究作研發(fā)設(shè)計，作虛擬模型、模型改造等;在設(shè)計階段，可以進(jìn)行逆向設(shè)計、形狀分析等，在軟件中進(jìn)行虛擬設(shè)計，避免了消耗原材料;在制作階段，可以對生產(chǎn)中的產(chǎn)品進(jìn)行尺寸檢測，通過三維掃描儀掃描產(chǎn)品后與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，更加直觀地查看誤差，最大限度地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量;在維修階段，可以出具零部件磨損分析報告、復(fù)雜裝配拆卸視頻資料。

3.5 3D掃描技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展方向

智能制造是在傳統(tǒng)自動化基礎(chǔ)上興起的先進(jìn)制造技術(shù)，包括產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測、包裝及物流等環(huán)節(jié)上智能技術(shù)的應(yīng)用。3D掃描是高精度、非接觸式三維測量的主要應(yīng)用技術(shù)，從產(chǎn)品定制設(shè)計開始，到3D增材制造、產(chǎn)線在線全尺寸檢測及配合機(jī)器人完成視覺上下料、高精度裝配及物流的拆碼垛等應(yīng)用，均需要3D掃描技術(shù)的深度參與?；谥悄苤圃鞈?yīng)用場景，3D掃描技術(shù)的提升有兩大方向：高精度、高速度、高動態(tài)的采集能力;后續(xù)算法的專業(yè)化發(fā)展和通用平臺技術(shù)升級的兼容能力。只有這些能力得到快速提升后，才能更好地完成人工智能的數(shù)據(jù)采集和算法計算任務(wù)，3D掃描技術(shù)作為數(shù)據(jù)獲取和處理的中心，充分發(fā)揮智能制造過程中的眼睛和大腦功能，更好地推進(jìn)人工智能和智能制造行業(yè)的發(fā)展，3D掃描技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域也將得到更廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

目前，全球已進(jìn)入數(shù)字化新階段，圍繞智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)主導(dǎo)權(quán)的競爭將愈演愈烈。3D掃描技術(shù)將與5G、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、自動化控制技術(shù)愈加融合發(fā)展，成為智能制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)依托。圍繞三維數(shù)字化的開放化、平臺化將成為制造產(chǎn)業(yè)演進(jìn)升級的新趨勢，產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新體系將加速構(gòu)建，而這些均依賴三維數(shù)字化技術(shù)的推廣、普及和應(yīng)用，作為三維數(shù)字化核心的采集技術(shù)和后續(xù)算法在智能制造領(lǐng)域?qū)缪菰絹碓街匾慕巧?/p>

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