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基于3D扫描、机器人和物联技术的自动化逆向工程解决方案

2020-06-17 16:55 · 稿源: 厂商

逆向工程技术(Reverse Engineering)作为工程师重要的研发工具,在近几年来变得越来越举足轻重。在非自动化的逆向工程流程中,工程师需要耗费大量人工重复劳动,并且需要具有相当多的专业知识。而已有的一些自动化的流程则通常价格高昂,或者技术还不足以满足工业化生产。德国柏林的弗劳恩霍夫协会(Fraunhofer)在自动化逆向工程解决方案的研究中,将不同技术整合到一系列MRO(维护,维修,操作)的生产流程中,来向工业界展示,如何通过多技术的灵活组合使用来降低成本,提高自动化水平,并创造更大的附加值。

德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer)是欧洲最大的应用科研机构,是公益、非盈利的科研机构,为企业、特别是中、小企业开发新技术,新产品,新工艺,协助他们解决自身创新发展中面临的各种问题。其研发人员所开展的工作极富创造性和创新性,近24000科研人员(包含德国合作院校的教授与参与实习的学生与研究生)一年能够服务3000多名企业客户的委托,并完成近万项研发项目,其中2/3来自企业和公助科研委托项目,另外1/3来自联邦和各州政府,前瞻性的研发工作,确保其科研水平处于领先地位。

可以说,也正是因为弗劳恩霍夫协会这样的产学研机构的持续活跃,让德国工业在国际市场上一直保持着较高的创新能力。

“未来生产环境ProMo”项目

而此次弗劳恩霍夫协会旗下的IPK(Institute for Production Systems and Design Technology生产和设计技术研究院)、Fokus(Fraunhofer for open communication systems开放性通信系统研究院)、HHI(Heinrich-Hertz-Institut信息技术研究院)和IZM(Institute for Reliability and Microintegration可靠性与微整合技术研究院)四个研究所协同,在LZDV数据联网研究中心的合作项目“未来生产环境ProMo”中,决定用自动化逆向工程实例展示一套覆盖了物联交互、可视化和智能制造技术的解决方案。在这个项目中,3D扫描被用于检测实际模型与产品数据模型的偏差。

在数据时代的商业模式下,个性化和差异化的产品设计成为大势所趋。而产品设计的第一步是数据化,就需要用到3D扫描技术

3D扫描为创建产品的虚拟模型提供了具有完整产品特征的3D数据。不仅如此,3D扫描还是循环经济中不可或缺的一环。在产品修复、再利用和再循环的环节中,出于调整和维修的目的,都需要用到实际产品的数据备份,即3d数字档案。

在数字孪生领域,创建虚拟生产设备来模拟数据映射系统和服务已经得到了广泛应用。基于此的智能生产有以下三个特征:实时状态监测,控制和模拟。

因此,3D扫描技术实现了生产流程中的产品设计数字化、数据联网、数据共享和产品的个性化建模,这些必将推动未来工厂的发展。

然而,很长时间以来,许多生产零件模型的过程都强烈依赖于具有丰富专业知识的技术工程师手工作业,对扫描数据的处理通常也是手动进行的。扫描数据构建出被扫描物体表面的网格信息,如果要继续使用这些数据,就必需将其转化为数学模型。而这个转化过程,以往基本都是人工基于网格表面模型重新建模。建模师的知识储备和水平的差异导致了工作时间和导出模型的质量参差不齐。

“未来生产环境ProMo”项目(以下简称ProMo项目),基于3D扫描技术的逆向工程系统,致力于将3D扫描、CAD建模和为下游环节做的数据准备过程自动化,从而减少人工的参与,确保数据准备的可靠性和一致性。

一台合适的3D扫描仪对“未来生产环境ProMo”项目至关重要

ProMo项目的研究者发现,一套符合工业标准的扫描系统价格通常超过10万欧元,这对于许多中小型企业来说是很难接受的。例如,在2019年,柏林的中小企业投资兴趣低靡,在所有投资行为中,扩大生产的投资仅占57.8%,比去年下降了6.4%之多。特别是小企业总是倾向于使用风险最小的解决方案,在没有看到可行先例的条件下,他们很少愿意付出高昂的经济代价投资这样一套系统。

ProMo项目基于方案最终能够落地实施的目标,选择了先临三维公司的EinScan Pro 2X扫描仪。

项目研究员Stephan Mönchinger经过一段时间的仔细甄选使用对比后,对EinScan Pro 2X扫描仪也是非常推崇。他总结了该款3D扫描仪的四个优势:

1.先临三维EinScan Pro 2X这款扫描仪作为非接触型扫描系统,拥有高速的数据采集效率,不高的价格和极高的精度这几个特点。相比其他工业扫描系统超过10万欧元的报价,这款扫描仪一万欧元的价格具有明显的价格优势。

2.先临三维EinScan Pro 2X的扫描精度高达0.04毫米,这个精度还可以通过合适的校准方法提高到0.02毫米。3D点云数据最小点距为0.2毫米,到被扫描物体的最近扫描距离为360毫米。这些特性使得这款扫描仪非常适合用于产品的3D数据化以及数据模型的后续应用,重建出来的数据模型足以满足接下来的加工制造要求。

3.先临三维EinScan Pro 2X扫描仪是基于结构光的手持扫描系统,相比于激光扫描系统,结构光3D扫描拥有更高的分辨率(测量点点距)和绝对精度。

4.先临三维EinScan Pro 2X是一款轻便小巧的手持扫描仪,可以灵活应对各种工作空间。在此次项目中,我们使用了一个快速成型加工的连接头把这款扫描仪连接在一个机械臂上,由于其比较轻巧,连接头能够安全完成工作。

自动化逆向工程流程

通常,基于3D扫描的自动化逆向工程流程有六个步骤(如下图所示)。首先需要扫描产品的几何数据,扫描完成之后,这些数据需要被处理和分区。处理好的数据就可以导入电脑,用于构建CAD模型了。

机械臂操作使得3D扫描仪的扫描路径可以自定义和自动化。选择一个已经损坏的零部件,对损坏的部位进行定位确认后,扫描仪可以开始以合适的路径扫描零件。扫描过程通过UPS UA信号触发和停止。机械臂和扫描仪实时交换这些信号,机器人的运动路径可以通过重新编程实现个性化配置。

若机械臂处于停泊位置,使用者可以操作系统,让机械臂回到初始位置准备扫描。扫描开始时,会启动一个自主研发的Python脚本,从而连接ZeroQM消息库,选择合适的扫描仪内置软件。由于生产商不提供配套的可视化软件,扫描过程将通过一个本项目自主研发的软件实时展示。一旦软件开始运行,机械臂就带动扫描仪沿着自动计算出的扫描路径进行扫描。运动结束后扫描仪会给机械臂一个信号,机械臂收到信号后回到停泊位置。扫描过程结束后,扫描数据将上传到生产商提供的软件中产生点云数据网格,并输出stl格式的文件准备进行下一个处理步骤。数据传输可以通过5G技术上传到云端,海量的模型数据可以在中央计算机中心处理完毕并提供给下游步骤,这样就不需要在终端拥有运算能力了。

为了建模需要先将现有数据集和应得数据集进行叠加,这个过程叫做全局定位。为了完成这个步骤Fraunhofer IPK运用了自行开发的算法,这样可以确定点云网格数据中相同的几何特征并在它们的基础上自动输出零件数据集。这个算法基于为应用目的改良的点云数据库(PCL)功能。数据集自动生成之后,下一步就是将数据集导入Siemens NX软件中建立一个差异模型。这一步中,数据集将通过布尔运算相减,得到的值就是现有和应得模型之间的体积差。这些数据值随后会被构建成体积模型并通过文件转换平台交换到CAM分析系统上。在CAM系统里将生成控制设备的机器语言,并用于操作设备维修零件。

“未来生产环境ProMo”项目的总结

ProMo项目展示了如何通过对需要维修的零件位置定点使用材料来降低维修材料消耗。除此之外还减少了后续加工中需要去除的多余材料量,从而减少机床工作时间。再者,通过降低维修成本,使得一些至今为止费用高昂的维修工作比重新购买更加便宜,维修的经济效益也将大于重新采购。这样可以帮助企业节约资源,减少浪费。基于5G网络的生产数据联网也将帮助企业搭建完美的生产流程。

该项目选择的3D扫描也展现出了足够的经济性,相对于投资昂贵的工业扫描设施,投资先临三维EinScan Pro 2X手持3D扫描仪投入小,性价比高,足以满足中小企业需求。其次,这套扫描系统的自动化程度相对于传统手动建模有显著提高。这样不仅减少了工作时间,也减小了因为零件损坏等待维修过程中造成的设备停工时间,因此也能获得更好的OEE(设备效率评价)指数。同时,考虑到专业技术人员资源紧缺的大环境,这项技术也可以减轻专业人员和专家做重复性劳动的负担。

模块化、可调整的生产步骤使得生产流程可以灵活适应不同的应用环境。通过直觉性、用户友好的操作设计可以极大缓解操作者的使用压力,使用者始终充当着决策者的角色。

通过这样一个多种技术的共生系统构建的自动化逆向工程解决方案,使MRO(维护,维修,操作)流程的效率得到了极大的提高,并且促进了人对生产流程的理解和掌控。

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