3D扫描:重现独一无二的原型

查理徒步旅行赛和迈克霍尔奇在速度的业务中。他们专注于制造快速的汽车甚至更快。这些企业家在他们的领域中的先驱，也适用于他们的业务速度。它们使用3D激光扫描仪在CNC加工中心迅速再现手工制作原型。激光扫描已成为其工作流程的关键部分，提高了他们的效率，并帮助他们采取更多的工作，更快的周转时间。模具商店，模具制造商和其他制造商可以在必须快速准确地复制3D形状时使用相同的技术。

这两位工程师都是资深的赛车手，2007年他们在威斯康星州的西摩共同创建了“赛车商店”(The Race Shop)，这是一家高性能引擎机械商店。他们为全国各地的其他商店制造完整的引擎和高性能的引擎部件。

那么是什么让引擎跑得快呢?这些专家有一个简单的答案:气流。汽油和空气在发动机气缸内燃烧以提供动力。吸入的空气越快，发动机的效率就越高。

根据日常经验，大多数人认为空气是光明，容易移动。甚至俗话说“薄为空气”。然而，在性能发动机的高速和压力下，空气表现得像一个非常不同的物质。它的特性类似于厚厚的粘糊糊的凝胶。一种能够更有效地泵送这种加厚空气的发动机将更好地表现更好并赢得更多种族。

气缸盖控制空气的流动，因为它进入钢瓶，与气体混合，并离开钢瓶作为废气。由于设计和制造的限制，批量生产的气缸盖通常有次最佳气流。在一个被称为“移植”的过程中，赛克斯等专家修改了气缸头的形状，以增加气流和性能。移植被认为是决定现代赛车引擎功率输出的主要因素。在实践中，这个过程既需要科学，也需要艺术。

比赛店从供应商如Edelbrock，Profiler，RHS和TA性能等供应商开始。这些批量生产的铸件是徒步旅行者的工作的“帆布”。他使用带有碳化物钻的模具磨床来切割一个燃烧室的进气口和排气口的形状。然后用砂光辊完成切割。在每次修改之后，SIKES通过超流600流动挡，一台通过气缸泵送空气以模拟发动机条件的机器测量气流。在V8发动机中，有两个气缸盖，每个气缸盖具有四个燃烧室。Sikes先生而不是奉献时间手工搬运的时间，而不是手动“雕刻”一个燃烧室和一对进气口和排气口的努力，以便他可以实现完美。

赛克先生达到了他的气流目标，他拥有一个唯一的高性能燃烧室和一套港口。他现在需要多次重复这个设计来完成改进的气缸盖。此外，大多数客户都希望足够的气缸盖来装备几辆赛车 - 通常是十几个或更多。

重复这个手动切割过程将非常耗时。用手工精确地复制每个气缸盖的最佳轮廓几乎是不可能的。机械师和模具制造商也面临着类似的挑战，他们必须手工创造一个大师，然后复制它。他们经常求助于数控加工来满足这一需求。在这种情况下，赛车车间使用的质心A532，一个同时，五轴数控加工中心，专为加工缸盖。有了这台机器，车间可以在其他地方复制赛克斯先生的手工切割设计，在修改后的缸盖上，这样就有足够的缸盖来按时完成客户的订单。

捕获数据

在这个描述中，一个关键的部分仍然缺失。为了用数控机床复制零件，必须先用数字方式获取手工制作的原型的形状。数字化三维形状的一种常用方法是在数控机床的主轴上安装一个触摸探头。

当触摸探头接触表面时，轻微的冲击触发探头主体内的电子开关，该电子开关向CNC单元发送信号。该信号使CNC阻止机器的移动并在该瞬间记录其轴位置。这些轴位置的数值表示单个3D点的坐标。

由于机器可能需要一些时间来停止一旦CNC单元接收到探测器的信号，所以记录的点可能不够准确。通常通过在每个点拍摄另一个探针来解决该条件，使得CNC头移动较小的距离进行第二触点。继续探测例程，CNC头部将缩回到脱扣距离，然后向前移动以寻找目标表面上的新点。对于像汽缸燃烧室这样的复杂形状，进行这些探测例程来呼叫操作员的一些判断和手动干预。

2007年Race Shop开业时，它使用这种方法制作数字3D模型，这些模型可以导入到Shop的Mastercam数控编程软件中。虽然彻底和准确是足够的，时间是一个问题。赛克斯说，用触控探头数字化气缸盖通常需要三到四个小时。这个过程也占用了程序员的时间，因为需要经验丰富的判断，以确保获得足够的点，以可用的3D表示的部分。另一个问题是，这种方法占用了数控机床，从而减少了其产生收入的产出。幸运的是，车间的形心机有专门的功能，便于数字化气缸盖。对于缺乏这些功能的通用数控机床，气缸盖的触摸探头数字化可能需要更长时间——长达18个小时或更长时间。

2008年5月，SIKES先生和他的伴侣开始寻找其他技术，可以帮助他们更快地将原型数字化并处理更多业务。经过一些研究，他们开始尝试使用3D激光扫描。最终，他们采用了来自Nextengine（Santa Monica，California）的系统。

激光扫描

虽然激光扫描不是一种新技术，但最近的发展已经为许多机器商店提供了一种有效的工具。其中一个开发是使用多个激光条带来交叉验证扫描数据，这使用户能够更容易地创建可接受的扫描数据。（参见下面的侧边栏）这种能力使3D扫描在紧缩时间框架下工作的机械师的实用技术。光学和激光技术的其他开发减少了这些系统的成本，同时提高了扫描数据的质量。

激光扫描允许比赛店比先前的触摸探测技术更快地捕获3D点的密集采样。当扫描燃烧室时，这种能力尤其有价值，这是先前占据最大捕获时间的“有机”形状的区域。

然而，触摸探针在这家商店仍有一席之地。在气缸盖的情况下，触摸探头的触控笔是足够小的，以适应进气口和排气口，并提供内部表面的测量。虽然
这个过程比激光扫描方法花费更多的时间，它是唯一可行的方法来捕捉这种难以到达的表面。

为了捕捉其他表面，赛克斯将气缸盖放在自动转盘上，然后点击按钮开始扫描。扫描仪需要大约2分钟的时间自动扫过目标的激光条纹阵列。当激光手术完成，扫描完成后，赛克斯先生的电脑屏幕上出现了一个3D模型。

该系统包括ScanStudio HD，这是一个帮助用户可视化扫描结果的软件应用程序，并将多次扫描组合成3D模型。扫描完成后，赛克斯旋转并检查3D模型。为了使数据文件易于管理，他使用软件的修整工具删除了燃烧室周围的非关键区域。

创建可加工表面

激光扫描仪可以捕获数百万点。要在屏幕上显示模型或准备加工的刀具路径，必须将这些点连接在一起以形成表面。有两个不同的方法来代表3D模型的表面。一个是创建一个点数。另一个是生成适合点的数学上定义的曲线。这些曲线称为NURBS（非均匀Rational B样条）。

网格表面使用微饼将扫描点连接在一起。每个顶点代表来自扫描捕获的原始点集的离散点。网格通常用于图形和有限元分析。啮合的表面正在获得接受，因为越来越多的CAM程序可以使用此网格来为CNC加工创建工具路径文件。在CAM软件中使用，网格曲面通常导入为STL文件。

相反，用NURBS生成的曲面不包含来自原始扫描的点。这些曲面由大的、弯曲的补丁组成，这些补丁近似于理想公差内的曲面。使用NURBS定义的曲面是表示自由流动的有机形状的一种很好的方法。NURBS文件通常比其他格式的文件要小。

Race Shop使用的建模软件能够从扫描数据自动生成基于nurbs的曲面。从网格到NURBS的转换是一个自动化的过程。结果可以保存为IGES或STEP文件。大多数CAD和CAM软件包接受这些格式的文件。

另一种选择是将扫描转换为参数稳定。代替将模型代表其表面，参数实体表示模型，该模型是由一组基本形状，尺寸和描述该部件的基本形状，尺寸和逻辑操作构成的模型。这种类型的表示允许在CAD软件（如SolidWorks）中轻松修改模型。这是设计人员经常为其应用选择参数固体的原因。参数固体被认为是具有明确定义特征的零件的理想选择。来自激光扫描仪制造商的软件可用于帮助用户将3D扫描转换为固体CAD模型。与数据的转换与网格和NURBS表面不同，将扫描数据转换为参数实体不是完全自动化的。然而，它产生了一种高度准确的CAD模型，对原始物理样本高度准确。

虽然CAD模型非常适合某些应用，但赛车店发现网格和NURBS表面更合适。根据帆克斯先生的说法，他的手工制作燃烧室的自由流动表面难以与CAD建模中使用的基本几何形状表示。更重要的是，网格和NURBS浮出技术允许扫描数据在几分钟内送到商店的CAM系统。

目前的CAM软件的产生使得能够从网格和NURBS表面以及从参数固体创建工具路径。使用从密切间隔点创建的高分辨率网格时，生成的刀具路径会产生与从NURB或实体模型的刀具路径产生的工件非常相似的工件。然而，从高分辨率网格表面加工增加循环时间，因为机器必须移动到大量离散点坐标。从历史上看，激光扫描数据产生了大型STL文件，但这正在发生变化。扫描软件可以在平面和慢速改变区域中的尺寸变化，以适应用户指定的公差。此自动过程可在不降低质量的情况下减少STL文件尺寸，并有助于降低加工时间。

赛车商店使用网格表面切割其汽缸盖。赛克斯先生以STL格式保存这些网格表面，并将它们导入Mastercam。他多次复制燃烧室以填满缸盖上的所有四个槽，然后生成粗加工和精加工的刀具路径，并下载到加工中心。“以前，我们使用数控机床上的探头来获取腔室数据。这是一个缓慢而乏味的过程。现在，我们可以在不到一个小时的时间内扫描、修剪、抛光和制作表面。

结果是每份工作2至3小时的净节省。此外，CNC机器少花费用作数字化设备。在使用激光扫描和触摸探测的混合的前四个月中，赛车已经完成了八种不同的定制气缸设计。

“我们用激光扫描切割表面;赛克斯先生说:“它们能够精确地反映出我们期望的发动机性能。”

他的公司正在使用同样的技术为其车间车设计和制造定制引擎，1962年的雪佛兰英帕拉(Chevy Impala)配有双涡轮增压的大块雪佛兰发动机。目前，它在牵引带上的速度可以超过200英里每小时。通过重新调整这台发动机的缸盖，车间期望实现更快的性能。

关于作者：Peter Delaurentis是Nextengine，Inc。的应用工程师和产品设计师（Santa Monica，California）。