逆向工(gong)程技術（ReverseEngineering）作為工(gong)程師重要的研(yan)發(fa)工(gong)具，在近幾(ji)年來變(bian)得越(yue)來越(yue)舉(ju)足輕重。

在非自動(dong)化(hua)的(de)逆向工程(cheng)(cheng)流程(cheng)(cheng)中，工程(cheng)(cheng)師(shi)需要耗費(fei)大量人(ren)工重復勞動(dong)，并(bing)且需要具有(you)(you)相當(dang)多的(de)專業(ye)知識。而已有(you)(you)的(de)一些自動(dong)化(hua)的(de)流程(cheng)(cheng)則(ze)通常價格(ge)高(gao)昂，或者技術還(huan)不足以滿足工業(ye)化(hua)生產。

德國柏林的(de)弗勞恩霍夫協會(hui)（Fraunhofer）在(zai)自(zi)動化逆向工程解(jie)決方(fang)案的(de)研究(jiu)中(zhong)，將不同(tong)技(ji)(ji)術整合(he)到一系列MRO（維(wei)護，維(wei)修，操(cao)作）的(de)生產流程中(zhong)，來(lai)向工業界展示，如(ru)何通過多技(ji)(ji)術的(de)靈活組合(he)使用來(lai)降低成本，提(ti)高自(zi)動化水平(ping)，并創(chuang)造更大的(de)附加值。

德(de)國弗勞恩霍(huo)夫應(ying)(ying)用研(yan)(yan)(yan)究促進(jin)協會（Fraunhofer）是(shi)歐洲最(zui)大的(de)(de)應(ying)(ying)用科(ke)研(yan)(yan)(yan)機構，是(shi)公(gong)益、非(fei)盈利的(de)(de)科(ke)研(yan)(yan)(yan)機構，為企(qi)(qi)業(ye)（特別是(shi)中(zhong)、小(xiao)企(qi)(qi)業(ye)）開(kai)(kai)發新(xin)(xin)技術、新(xin)(xin)產(chan)品、新(xin)(xin)工藝，協助他(ta)們解(jie)決自(zi)身創(chuang)新(xin)(xin)發展(zhan)中(zhong)面(mian)臨的(de)(de)各(ge)種問(wen)題。其(qi)(qi)(qi)研(yan)(yan)(yan)發人員(yuan)所開(kai)(kai)展(zhan)的(de)(de)工作極富創(chuang)造性和(he)創(chuang)新(xin)(xin)性，近(jin)24000科(ke)研(yan)(yan)(yan)人員(yuan)（包含(han)德(de)國合(he)作院校的(de)(de)教授與參與實(shi)習的(de)(de)學(xue)生與研(yan)(yan)(yan)究生）一年能夠服務3000多名企(qi)(qi)業(ye)客(ke)戶的(de)(de)委托(tuo)，并完成(cheng)近(jin)萬項研(yan)(yan)(yan)發項目，其(qi)(qi)(qi)中(zhong)2/3來自(zi)企(qi)(qi)業(ye)和(he)公(gong)助科(ke)研(yan)(yan)(yan)委托(tuo)項目，另外(wai)1/3來自(zi)聯邦(bang)和(he)各(ge)州政府，前瞻性的(de)(de)研(yan)(yan)(yan)發工作，確(que)保其(qi)(qi)(qi)科(ke)研(yan)(yan)(yan)水平處于(yu)領先地位。

德國弗勞恩(en)霍夫(fu)應用研究促進協會（Fraunhofer）

可以說，也正是(shi)因為弗勞恩霍夫協會這樣的(de)(de)產學研機構的(de)(de)持(chi)續活躍，讓德(de)國工業在國際市場上一直保(bao)持(chi)著較高的(de)(de)創新能力。

“未來生產環境ProMo”項目

而此次弗(fu)勞恩霍夫協會旗下(xia)的IPK（Institutefor Production Systems and DesignTechnology生(sheng)產和設計技(ji)術(shu)研(yan)(yan)(yan)究院(yuan)）、Fokus（Fraunhoferfor open communicationsystems開放性(xing)通(tong)信系統研(yan)(yan)(yan)究院(yuan)）、HHI（Heinrich-Hertz-Institut信息技(ji)術(shu)研(yan)(yan)(yan)究院(yuan)）和IZM（Institutefor Reliability andMicrointegration可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)與微(wei)整合(he)技(ji)術(shu)研(yan)(yan)(yan)究院(yuan)）四個(ge)研(yan)(yan)(yan)究所協同(tong)，在LZDV數據聯網研(yan)(yan)(yan)究中(zhong)心的合(he)作(zuo)項目(mu)“未來生(sheng)產環境ProMo”中(zhong)，決定(ding)用自動化(hua)逆向(xiang)工程實例展示一套(tao)覆蓋了物聯交互(hu)、可(ke)(ke)視(shi)化(hua)和智(zhi)能制造技(ji)術(shu)的解決方案。

在這個項目(mu)中(zhong)，3D掃(sao)描被(bei)用于檢測實際(ji)模型與產(chan)品數(shu)據模型的偏差。

在數據時代的商(shang)業模式下，個性化(hua)和(he)差異(yi)化(hua)的產品(pin)(pin)設計成為大(da)勢所(suo)趨。而產品(pin)(pin)設計的第一步(bu)是數據化(hua)，就需(xu)要用到(dao)3D掃描技術。

3D掃描為創(chuang)建產品的(de)(de)(de)(de)虛(xu)擬模(mo)型提供(gong)了具有完(wan)整產品特(te)征的(de)(de)(de)(de)3D數據。不僅如此(ci)，3D掃描還是循(xun)環經濟中不可或缺的(de)(de)(de)(de)一環。在(zai)產品修(xiu)復、再利用(yong)和再循(xun)環的(de)(de)(de)(de)環節中，出于調整和維修(xiu)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)，都需要用(yong)到實際產品的(de)(de)(de)(de)數據備份，即(ji)3d數字檔案。

在數字孿生(sheng)領(ling)域，創建虛擬(ni)(ni)生(sheng)產(chan)設備來(lai)模擬(ni)(ni)數據映射系統和(he)服(fu)務已經得到了(le)廣泛應用。基(ji)于(yu)此的智能生(sheng)產(chan)有以(yi)下三個特征：實(shi)時狀態監測，控制和(he)模擬(ni)(ni)。

因此，3D掃描技術實現了生(sheng)產(chan)流程中的(de)(de)產(chan)品設計數(shu)字化(hua)、數(shu)據聯網、數(shu)據共享和(he)產(chan)品的(de)(de)個(ge)性化(hua)建模(mo)，這些必將推動未來工(gong)廠的(de)(de)發展。

然而(er)，很長時間以(yi)來，許(xu)多生產零件模(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)過(guo)程(cheng)都強(qiang)烈依賴(lai)于具有豐(feng)富專業(ye)知識的(de)技術工(gong)(gong)程(cheng)師手工(gong)(gong)作業(ye)，對(dui)掃(sao)(sao)描(miao)(miao)數(shu)據(ju)的(de)處理通常也是(shi)手動進行的(de)。掃(sao)(sao)描(miao)(miao)數(shu)據(ju)構建(jian)出被(bei)掃(sao)(sao)描(miao)(miao)物體(ti)表面(mian)的(de)網(wang)(wang)格(ge)信息，如果(guo)要(yao)繼續使用這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)，就必須將其轉化為數(shu)學模(mo)(mo)型(xing)(xing)。而(er)這(zhe)個(ge)轉化過(guo)程(cheng)，以(yi)往(wang)基本都是(shi)人工(gong)(gong)基于網(wang)(wang)格(ge)表面(mian)模(mo)(mo)型(xing)(xing)重新建(jian)模(mo)(mo)。建(jian)模(mo)(mo)師的(de)知識儲備和(he)水平(ping)的(de)差(cha)異導(dao)致(zhi)了工(gong)(gong)作時間和(he)導(dao)出模(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)質量(liang)參差(cha)不齊。

“未來生產(chan)環境ProMo”項(xiang)目(mu)（以下(xia)簡(jian)稱(cheng)ProMo項(xiang)目(mu)），基于3D掃描技術的(de)逆向工程系統，致力(li)于將(jiang)3D掃描、CAD建模和為下(xia)游環節做的(de)數(shu)據準(zhun)備過程自動化，從(cong)而減少人工的(de)參與(yu)，確保數(shu)據準(zhun)備的(de)可靠(kao)性和一(yi)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(de)(de)研究者發現(xian)，一套符合工業(ye)標準的(de)(de)掃(sao)描(miao)系統價格通常超過10萬歐元，這對于許多中小型企業(ye)來說是很難接(jie)受(shou)的(de)(de)。

例(li)如(ru)，在(zai)2019年(nian)，柏林的(de)中(zhong)小企業投資興趣低靡(mi)，在(zai)所有(you)投資行(xing)為中(zhong)，擴(kuo)大生產的(de)投資僅占57.8%，比(bi)去年(nian)下降了(le)6.4%之(zhi)多(duo)。特別是(shi)小企業總是(shi)傾向于(yu)使用(yong)風險最小的(de)解決(jue)方案，在(zai)沒有(you)看到(dao)可行(xing)先例(li)的(de)條件(jian)下，他們很少愿意付出高昂的(de)經濟(ji)代價投資這樣一套系(xi)統。

基于(yu)方案(an)最終(zhong)能夠落(luo)地(di)實施(shi)的(de)目標，ProMo項目團(tuan)隊選擇了(le)先臨(lin)三維公司的(de)EinScan Pro 2X掃描儀。

項(xiang)目研究員Stephan M?nchinger經過一段時間(jian)的仔細甄選使用對比后，對EinScanPro 2X掃描儀非常滿意。

他總結了該款3D掃描儀的四個優勢：

1. EinScan Pro 2X這款掃描(miao)儀(yi)作為非接觸型掃描(miao)系統，擁有高速(su)的(de)(de)數據采(cai)集效(xiao)率，不(bu)高的(de)(de)價(jia)格(ge)和極高的(de)(de)精(jing)度(du)這幾個特(te)點。相比(bi)其他工業掃描(miao)系統超過10萬(wan)歐元的(de)(de)報價(jia)，這款掃描(miao)儀(yi)一萬(wan)歐元的(de)(de)價(jia)格(ge)具有明顯的(de)(de)價(jia)格(ge)優勢。

2. EinScan Pro 2X的(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)精度高達0.04毫米，這個(ge)精度還可以(yi)通過(guo)合適(shi)的(de)(de)(de)校(xiao)準方法提高到0.02毫米。3D點云(yun)數(shu)據最(zui)小(xiao)點距(ju)為0.2毫米，到被(bei)掃(sao)描(miao)物體的(de)(de)(de)最(zui)近(jin)掃(sao)描(miao)距(ju)離為360毫米。這些(xie)特性使(shi)得這款掃(sao)描(miao)儀非常適(shi)合用(yong)于(yu)產品(pin)的(de)(de)(de)3D數(shu)據化(hua)以(yi)及數(shu)據模(mo)型的(de)(de)(de)后(hou)續應用(yong)，重建出來的(de)(de)(de)數(shu)據模(mo)型足(zu)(zu)以(yi)滿足(zu)(zu)接(jie)下來的(de)(de)(de)加工制造要求。

3. 這款掃(sao)描儀是(shi)基于(yu)結(jie)構(gou)光的手持掃(sao)描系統(tong)，相比于(yu)激光掃(sao)描系統(tong)，機(ji)構(gou)光3D掃(sao)描擁有更高的分辨率（測量點(dian)(dian)點(dian)(dian)距）和絕對精度。

4. EinScan Pro 2X是一(yi)款輕(qing)(qing)便小巧的(de)手持(chi)掃(sao)描儀，可以靈活應對各種工(gong)(gong)作空間。在(zai)此次(ci)項目中，我們使用了(le)一(yi)個(ge)快速成(cheng)型(xing)加工(gong)(gong)的(de)連接(jie)頭(tou)把(ba)這款掃(sao)描儀連接(jie)在(zai)一(yi)個(ge)機械臂上，由(you)于其比(bi)較輕(qing)(qing)巧，連接(jie)頭(tou)能夠安(an)全完成(cheng)工(gong)(gong)作。

自動化逆向工程流程

通(tong)常，基于3D掃描的(de)自動化逆向工程流程有六(liu)個(ge)步驟（如下圖所(suo)示）。首先需要掃描產品的(de)幾(ji)何數(shu)據(ju)，掃描完成之后，這些(xie)數(shu)據(ju)需要被處理(li)和分區。處理(li)好(hao)的(de)數(shu)據(ju)就可以導入電腦，用于構建CAD模(mo)型(xing)了(le)。

機械臂操作使得3D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(xin)號觸發和停(ting)止。機(ji)械臂和掃描儀實時交換(huan)這些信(xin)號，機(ji)器人的運動路徑可以通過重新(xin)編程實現個性化配置。

若機(ji)械臂處于停(ting)泊位置，使用者(zhe)可以操作系統，讓機(ji)械臂回到初始(shi)位置準備掃描。

掃(sao)描開始(shi)時，會啟動(dong)一個(ge)自主(zhu)研發的(de)(de)(de)Python腳本(ben)，從而連接(jie)ZeroQM消(xiao)息庫，選擇(ze)合適的(de)(de)(de)掃(sao)描儀(yi)內置軟(ruan)(ruan)件(jian)。由于生產商(shang)不提供配套的(de)(de)(de)可視(shi)化軟(ruan)(ruan)件(jian)，掃(sao)描過(guo)程將通過(guo)一個(ge)本(ben)項(xiang)目自主(zhu)研發的(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)件(jian)實時展示(shi)。

一(yi)旦(dan)軟件開始運行，機械臂就帶動(dong)(dong)掃(sao)(sao)描儀沿著(zhu)自(zi)動(dong)(dong)計算出(chu)的(de)掃(sao)(sao)描路徑(jing)進(jin)行掃(sao)(sao)描。運動(dong)(dong)結(jie)束后(hou)掃(sao)(sao)描儀會給機械臂一(yi)個信(xin)號，機械臂收(shou)到信(xin)號后(hou)回到停泊位置。

掃描(miao)過程結束后，掃描(miao)數(shu)據將上傳(chuan)到(dao)生產商提供的軟件(jian)中產生點云數(shu)據網格(ge)，并(bing)輸出stl格(ge)式的文件(jian)準備進(jin)行下(xia)一個處理步(bu)驟。

數據傳輸可(ke)以(yi)(yi)通過(guo)5G技術上傳到云端(duan)，海量(liang)的(de)模型數據可(ke)以(yi)(yi)在中央計算機中心處理完畢并提供給下游(you)步驟，這樣就不需要在終端(duan)擁有(you)運算能力(li)了。

為(wei)了(le)建模(mo)需要先將現有數(shu)(shu)據(ju)集和應得數(shu)(shu)據(ju)集進行疊加，這(zhe)個過程叫(jiao)做全局定位。為(wei)了(le)完成這(zhe)個步驟(zou)，FraunhoferIPK運用(yong)(yong)了(le)自行開發的(de)(de)算(suan)法，這(zhe)樣(yang)可以確定點云網(wang)格數(shu)(shu)據(ju)中相同的(de)(de)幾何(he)特征并在它們的(de)(de)基礎上自動輸出零(ling)件(jian)數(shu)(shu)據(ju)集。這(zhe)個算(suan)法基于為(wei)應用(yong)(yong)目的(de)(de)改良的(de)(de)點云數(shu)(shu)據(ju)庫(ku)（PCL）功能。

數(shu)據集自動生成(cheng)之(zhi)后，下一(yi)(yi)步就(jiu)是(shi)將數(shu)據集導入(ru)Siemens NX軟(ruan)件中建(jian)立一(yi)(yi)個(ge)差(cha)異模(mo)(mo)型(xing)。這一(yi)(yi)步中，數(shu)據集將通過(guo)布(bu)爾運算(suan)相減(jian)，得到的值(zhi)就(jiu)是(shi)現有和(he)應(ying)得模(mo)(mo)型(xing)之(zhi)間的體(ti)積差(cha)。這些數(shu)據值(zhi)隨后會被構建(jian)成(cheng)體(ti)積模(mo)(mo)型(xing)并(bing)通過(guo)文件轉換(huan)平(ping)臺交換(huan)到CAM分析系統上。

在CAM系(xi)統里將(jiang)生(sheng)成控制設(she)備(bei)的機器語言，并用于操作(zuo)設(she)備(bei)維修零件。

“未來生產環境ProMo”項目的總結

ProMo項目展示了如何(he)通過對(dui)需要(yao)維修(xiu)的零(ling)件(jian)位置定點使(shi)用材料來降低維修(xiu)材料消耗。除此之外(wai)，還減少了后續加工中需要(yao)去除的多余(yu)材料量，從而減少機(ji)床工作時間。

再(zai)者(zhe)，通過降低維(wei)修(xiu)(xiu)成本，使得(de)一些(xie)至今為(wei)止(zhi)費(fei)用高昂的(de)(de)維(wei)修(xiu)(xiu)工作比(bi)重(zhong)新購買更加便宜(yi)，維(wei)修(xiu)(xiu)的(de)(de)經濟效益也(ye)將大于(yu)重(zhong)新采購。這(zhe)樣(yang)可以幫助(zhu)企業節約(yue)資(zi)源，減(jian)少浪(lang)費(fei)。基于(yu)5G網(wang)絡的(de)(de)生產數據聯網(wang)也(ye)將幫助(zhu)企業搭建完美的(de)(de)生產流(liu)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(ci)，這套掃描系統的自動化程度相對(dui)于傳統手動建模有(you)顯著提高。這樣不僅減少(shao)了工(gong)(gong)作時間(jian)，也減小(xiao)了因為零件損(sun)壞等待(dai)維(wei)修過程中造成(cheng)的設備停工(gong)(gong)時間(jian)，因此也能獲得更(geng)好的OEE（設備效率(lv)評(ping)價）指(zhi)數。

同時(shi)，考慮到專(zhuan)業(ye)技(ji)(ji)術人員(yuan)(yuan)資源(yuan)緊(jin)缺的大環境，這項(xiang)技(ji)(ji)術也(ye)可(ke)以減輕專(zhuan)業(ye)人員(yuan)(yuan)和專(zhuan)家做重(zhong)復性勞動的負擔。

模(mo)塊(kuai)化、可(ke)調整的生產步驟使得生產流程可(ke)以(yi)靈活適應不同的應用環境。通過直覺性、用戶友(you)好的操作(zuo)設計可(ke)以(yi)極大(da)緩解操作(zuo)者的使用壓(ya)力，使用者始(shi)終充(chong)當著(zhu)決策者的角色。

通過這樣一個多(duo)種技術(shu)的(de)(de)共生(sheng)系(xi)統構建(jian)的(de)(de)自動化逆向工程(cheng)解(jie)決(jue)方案，使MRO（維護，維修(xiu)，操作）流程(cheng)的(de)(de)效率(lv)得到了極大的(de)(de)提(ti)高(gao)，并(bing)且促(cu)進了人對(dui)生(sheng)產流程(cheng)的(de)(de)理(li)解(jie)和掌控。

注：此(ci)文信息(xi)來源于(yu)2020年3月ZWF（Zeitschriftfuer Wirtschaftlichen Fabrikbetrieb）上發表的文章(zhang)。

DOI碼：10.3139/104.112252

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//www.researchgate.net/publication/340235639_Digital_vernetztes_automatisiertes_3D-Scanning_mit_CAD-Ruckfuhrung

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