淺析3D掃描在Notebook產(chǎn)品中的應(yīng)用

胡傳根 閆拴平 黃寧燕 魏 坤

（合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

受益于全球移動(dòng)辦公的需求，筆記本電腦出貨量的巨大基數(shù)。疊加全球疫情的影響，居家辦公提升對(duì)筆記本電腦的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球筆記本出貨量為2.062億臺(tái)，同比增長28.71%。2021年全球筆記本出貨量達(dá)2.461億臺(tái)，同比增長19.35%。

圖1 2016-2021年中國筆記本電腦出口數(shù)量及增速

在這樣的趨勢(shì)下，如何提高NB開發(fā)、制造水平是個(gè)大問題。要想在國際市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟，必須迅速提高NB開發(fā)和制造的效率和精度。 但在這過程中，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸有很強(qiáng)的要求，如果偏差太大，就可能達(dá)不到設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。3D掃描儀開始進(jìn)入這一行業(yè)，有效地解決這一難題。依賴計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和光學(xué)技術(shù)，更能立體、完善地展現(xiàn)客觀零件的機(jī)構(gòu)尺寸信息，同時(shí)也成為研發(fā)、制造的重要開發(fā)量測(cè)工具。

一、3D掃描簡(jiǎn)介

3D掃描是集光學(xué)、機(jī)電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新無損檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)?shí)物的空間外形、結(jié)構(gòu)乃至色彩進(jìn)行掃描，將立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，獲得物體表面的準(zhǔn)確空間坐標(biāo)，為實(shí)物數(shù)字化提供了快捷、精確及方便的手段，提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化工藝流程，促進(jìn)生產(chǎn)效率。

3D掃描儀的光源一般為激光。激光以其單色性、亮度高、發(fā)散小等優(yōu)點(diǎn)成為早期三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的首選光源。最新掃描儀的光源為藍(lán)色激光，藍(lán)光的波長更短，并且光源為LED冷光源，光源能耗更低，抗干擾能力強(qiáng)，以及對(duì)環(huán)境要求低等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

3D掃描儀可以實(shí)現(xiàn)最高效的全尺寸檢測(cè)，可自由掃描工件的任意位置，精確分析任意位置的偏差。 基于掃描數(shù)據(jù)，與3D數(shù)模比較，生成顏色誤差色譜、偏差注釋、尺寸測(cè)量、幾何公差檢測(cè)和直觀檢測(cè)報(bào)告。

二、3D掃描技術(shù)分類

3D 掃描是一種能夠以多種方式掃描物件后，將其實(shí)物三維信息轉(zhuǎn)換為3D數(shù)字化模型的一種技術(shù)，其主要分為兩大類型："接觸式 "和 "非接觸式"3D掃描。這兩大類型的區(qū)別，顧名思義即有無碰觸到物件，碰到的為接觸式，沒碰到為非接觸式。

在我們NB行業(yè)，選用的是非接觸式3D掃描系統(tǒng)。

三、被動(dòng)式3D掃描的測(cè)量原理

非接觸式3D掃描：采用最先進(jìn)的三重掃描和藍(lán)光技術(shù)（見圖2），投影設(shè)備將藍(lán)光光柵投影到工件上，再由左右兩個(gè)CCD鏡頭攝取影像，最后經(jīng)由軟件的高度解析方法，運(yùn)算出NB工件的三次元點(diǎn)群。其測(cè)量面積為80 x 60mm，測(cè)量精度可達(dá)8um，結(jié)合GOM Professional Inspect測(cè)量軟件以及全自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)可以將點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，利用參數(shù)化測(cè)量，完成各種元素?cái)M合以及測(cè)量，輕松完成重復(fù)性測(cè)量任務(wù)。

圖2 藍(lán)光技術(shù)加三重掃描技術(shù)

四、3D掃描在notebook產(chǎn)品上的應(yīng)用

隨著3D掃描測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在NB產(chǎn)品上的應(yīng)用的范圍越來越廣泛，其中比較典型的主要包括：材料厚度分析、工件變形度分析、尺寸管控、卡鉤分析、BOSS柱分析等方面。

下面以NB A cover為例，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)分析。在沒有3D掃描介入前， A cover各項(xiàng)檢測(cè)多依賴檢具和手動(dòng)量測(cè)工具。3D掃描對(duì)A Cover的整個(gè)操作流程如下：

步驟1：A cover噴粉。ATOS測(cè)量頭發(fā)出的藍(lán)光沒辦法直接照射到這三種件：a、透明件；b、高反光件；c、黑色吸光件。所以在掃描之前，需要對(duì)被測(cè)物體的表面噴涂二氧化鈦粉來處理，如下圖3所示：

圖3 噴粉

步驟2：通過ATOS高精度藍(lán)光掃描檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描，將A cover放置在轉(zhuǎn)臺(tái)的治具，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)行三維掃描（見圖4）。（該工件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在掃描時(shí)每次轉(zhuǎn)動(dòng)幅度可以相對(duì)較小，獲取完整數(shù)據(jù)）

圖4

ATOS采用藍(lán)光技術(shù)和最先進(jìn)的三重掃描，有效改善鏡頭畸變帶來的數(shù)據(jù)誤差，準(zhǔn)確獲取工件邊緣高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

ATOS最高精度可達(dá)0.008mm，且重復(fù)性精度穩(wěn)定，同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)完整豐富，為后續(xù)的三維檢測(cè)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

步驟3：再利用GOM Professional Inspect測(cè)量軟件可以將STL點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，與原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相擬合，快速得到可視化偏差報(bào)告

1.材料厚度分析

曲面材料厚度分析色彩圖（見圖5），識(shí)別凹陷和縮痕的位置，直觀反應(yīng)材料厚度偏差。

圖5 材料厚度分析

2.變形度分析

與CAD對(duì)比的曲面誤差色彩圖（見圖6），完整的顯示A cover樣品與CAD的誤差分布，翹曲變形。更直觀顯示變形位置，精準(zhǔn)分析周邊曲線曲率的變化等，為工藝參數(shù)的調(diào)整提供明確的方向與數(shù)值。使得模具修改，調(diào)試，CNC機(jī)加工這幾個(gè)重要環(huán)節(jié)能夠順利開展，減少各環(huán)節(jié)測(cè)試的時(shí)間與頻次，加快NB整體生產(chǎn)進(jìn)度，大大提高生產(chǎn)效率。

圖6 變形度分析

3.關(guān)鍵尺寸管控

尺寸在notebook設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中是最基本也是最重要的控制要素之一。我們傳統(tǒng)測(cè)量工件尺寸用的是游標(biāo)卡尺，二次元等方法。在測(cè)量的過程中，精度有限，人為誤差，耗費(fèi)時(shí)間長等，滿足不了現(xiàn)在notebook行業(yè)快速發(fā)展的需求。

現(xiàn)在通過Atos 3D掃描，將掃描得到的STL點(diǎn)云網(wǎng)格導(dǎo)入GOM Professional Inspect測(cè)量軟件，五分鐘能快速得到關(guān)鍵尺寸的數(shù)值，與理論3D尺寸做比較（見圖7）。

圖7 關(guān)鍵尺寸分析

4.結(jié)構(gòu)卡勾分析

傳統(tǒng)測(cè)卡勾，需要把卡勾剪下來，通過二次元來測(cè)，整個(gè)過程耗時(shí)長。同時(shí)NB 結(jié)構(gòu)卡勾數(shù)量多，就會(huì)造成工作量大，繁瑣。

現(xiàn)在用ATOS 3D掃描，只需要把掃好的STL點(diǎn)云網(wǎng)格導(dǎo)入GOM Professional Inspect測(cè)量軟件，10分鐘能得到卡勾與理論3D對(duì)比的誤差色彩圖（見圖8），直觀顯示卡勾的品質(zhì)，符不符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 卡勾分析

通過3D掃描檢測(cè)分析，可以快速、準(zhǔn)確完成所有卡勾的測(cè)量，加快NB結(jié)構(gòu)尺寸確認(rèn)時(shí)效，大大提高生產(chǎn)效率。

5.Boss柱分析

Boss柱是NB產(chǎn)品中重要的銜接固定結(jié)構(gòu)，主要起到定位和緊固作用。因此對(duì)boss柱的檢測(cè)是必不可少。

傳統(tǒng)檢測(cè)BOSS柱，是通過高度規(guī)，二，三次元檢測(cè)，過程繁瑣，耗時(shí)長，存在人為誤差，用Atos 3D掃描可以快速得到BOSS柱的分析報(bào)告（見圖9）。通過色譜圖直觀展示B0SS柱的變形趨勢(shì)，助力工藝參數(shù)的快速修正，從而加快研發(fā)階段的結(jié)構(gòu)確認(rèn)時(shí)間。

圖9 BOSS柱分析

五、3D掃描帶來的益處

1.提升試模環(huán)節(jié)效率

眾所周知，NB的設(shè)計(jì)、制造和試模的周期長。特別是試模需要一次次調(diào)試，找到最佳的生產(chǎn)工藝條件。3D掃描可快速實(shí)現(xiàn)樣品的三維檢測(cè)，鎖定工件的變形趨勢(shì)、具體尺寸及工藝參數(shù)，從而加快各個(gè)結(jié)構(gòu)確認(rèn)環(huán)節(jié)的進(jìn)程。

2.高效進(jìn)行成品檢測(cè)

單個(gè)工件檢測(cè)在小批量試產(chǎn)之后，可以實(shí)現(xiàn)高效全檢，在大批量生產(chǎn)時(shí)可進(jìn)行高效抽檢。

六、3D掃描在NB行業(yè)的未來前景

ATOS 3D掃描測(cè)量技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，為NB行業(yè)提供了高效的三維數(shù)字解決方案。而隨著NB精細(xì)化要求越來越高，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的特殊需求也在提升，實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行個(gè)性化定制。

未來應(yīng)用場(chǎng)景：

1.模具公母模仁結(jié)構(gòu)尺寸確認(rèn)

2.NB 機(jī)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)用

3.精密儀器儀表等結(jié)構(gòu)件尺寸的量測(cè)

4.NB機(jī)構(gòu)件生產(chǎn)過程中的抽檢，入料檢驗(yàn)等

結(jié)語

本文從前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等主要步驟出發(fā)，提出了ATOS 3D掃描在NB產(chǎn)品上的應(yīng)用。通過本次應(yīng)用分析，可見ATOS 3D掃描數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）通用性強(qiáng)，無論何種形狀的工件，均可使用同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，解決了傳統(tǒng)輔助檢測(cè)工具繁多的困擾。

（2）速度快，距離在200*140以內(nèi)的工件，掃描時(shí)間在30分鐘以內(nèi)，檢測(cè)時(shí)間在10分鐘以內(nèi)（在完成軟件首次路徑編程后）。

（3）無損檢測(cè)、結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)量過程中不會(huì)觸碰工件，不會(huì)因工件受力形變產(chǎn)生測(cè)量偏差，ATOS精度水平計(jì)量級(jí)達(dá)到最高0.008mm。

本次ATOS 3D掃描檢測(cè)用于A cover，得到了想要的檢測(cè)結(jié)果。縱觀整個(gè)NB行業(yè)，存在著大量的工件檢測(cè)需求，而傳統(tǒng)檢測(cè)方式無法高效解決，而ATOS 3D掃描檢測(cè)可以補(bǔ)充這一空缺，未來更多的應(yīng)用場(chǎng)景等待著去開拓。