2024年 10月 21日
MetraSCAN 3D 助力改进管道机械 阅读全文计算机辅助设计（CAD）是使用电脑来协助创建、修改或优化设计的工具。CAD 软件帮助设计师和工程师对形状进行建模并添加特征，以便最终生产零部件。然而，CAD 过程是一个封闭的数字过程，也就是说所有的运行都是电脑自行以数字方式进行。但是，我们如何介入这个过程呢？要知道，我们也没法把一个实物塞到电脑里呀！
您完全可以直接在 CAD 软件中设计一个新零件，也可以用粘土或其他材料手工雕刻一个新零件。老旧的零件和损坏的部件不能随意丢弃，因为经常需要改造、更换，或将它们安装到一个新的设备或环境中。因此，在现实世界和数字世界之间架起一座桥梁是非常有必要的，以便将一个现有的物体转化为 CAD 模型。将实物转化为虚拟 3D 模型的过程被称为逆向工程，而现实和数字世界之间的桥梁可以通过三维扫描来建立。
在设计新产品或改造现有部件时，工程师和设计师喜欢使用三维扫描仪来将粘土模型数字化或测量实物，以建造他们的 3D 模型并将其纳入他们的设计中。
但是三维扫描仪的用途并不仅限于设计阶段。其用途贯穿整个产品开发过程。生产结束后，三维扫描通过检查零部件是否精确以及是否符合 CAD 模型来进行质量控制。接下来，随着零件的使用，三维扫描可以检测是否发生任何变形，让工程师和设计师知道他们应该在下一个版本中加固、改进或修改哪些地方。
本文旨在向您介绍逆向工程的过程，并揭开“从三维扫描到 CAD 模型”过程的神秘面纱。我们还想探讨用三维扫描仪生成的 3D 模型的质量。最后，我们想根据您的需求和预算，帮助您选择合适的三维扫描仪和 扫描到 CAD 软件。
通往 CAD 之路
假设您必须更换一个损坏的零部件或改造一个老旧的零部件，而这个零部件的原始 CAD 模型不存在或无法得到。因此，您必须创建一个新的 CAD 模型来生产制造。您可以从零开始您的 CAD 设计，这很可能是一个漫长的、不堪重负的迭代过程，或者您可以利用现存对象的数据，将这些信息作为设计的基础，这将使您的工作更加准确和高效。这个过程就涉及三维扫描。
以下是利用现有实物创建虚拟 3D 模型的典型步骤：
- 通过对零部件进行三维扫描获取 3D 扫描网格数据（STL）。
- 提取尺寸信息，如几何图形、尺寸和横截面。
- 将模型导入 CAD 软件并进行 CAD 建模。
- 将生成的 CAD 模型（STEP 或 IGES）与初始三维扫描网格数据进行比较。
- 分析反馈信息，并利用比较结果来优化 CAD 逆向建模。
- 导出零部件的最终 CAD 模型以便进行生产制造。
三维扫描仪能否直接输出 CAD 模型？
简单来说，三维扫描仪生成一个网格或点云，提供关于零件表面几何形状的所有必要的尺寸信息。然后这个网格可以作为一个模板来绘制新的 CAD 模型。CAD 模型通常是使用非均匀有理基样条（NURBS）来创建的，由曲线连接在一起的点组成，而三维扫描通常以网格形式导出，由数百万个小三角形组成。
因此，三维扫描仪并不能直接输出 CAD 模型。我们需要一个中间的 扫描到 CAD 建模阶段来搭建桥梁，将不可编辑的三角形转换成可编辑的 NURBS 曲面，然后您就可以利用这些 NURBS 曲面来创建一个具有可编辑特征的实体 CAD 模型。
生成的 3D 模型有多好，是否需要后期处理？
您可以根据需要使用不同的方法来创建现有物体的 CAD 模型。您可能想 (1) 创建一个具有准确尺寸和精确角度的 CAD 模型，以开发和制造新的零部件，或 (2) 按原样创建一个零部件（通常由有机形状组成）的精确模型。方法一会创建一个设计意图并输出一个参数化模型。方法二是原样再现，会输出一个表面模型。混合模型也是存在的，即结合使用这两种方法，将它们分别用于物体的不同区域。
要从三维扫描网格数据中得到一个参数化模型，您首先需要了解物体是如何被设计出来的。为此，您必须通过在网格上创建实体，如平面、圆柱体或横截面，从扫描数据中提取信息。这些操作直接在如 VXModel 这样的扫描到 CAD软件中进行 。然后，参数化模型及其实体可以被转移到您的首选 CAD 软件中。
同样，为了根据优化的三维扫描网格得到一个自由曲面模型，您需要重新创建被扫描物体的确切形状。为此，您必须通过填补孔洞、平滑表面和修剪边界来改善和优化网格数据。然后，在优化后的网格数据上，您可以用控制点创建精确的自由曲面（NURBS）。同样，在将自由曲面模型导入 CAD 软件之前，所有这些操作都直接在扫描到 CAD软件中进行。
三维扫描仪不能直接生成 NURBS 曲面（STEP 或 IGES），但扫描到 CAD软件可以。尽管如此，然后仍必须将 3D 模型导入 CAD 软件，以获取符合设计意图的参数化模型。
选择三维扫描仪和扫描到 CAD 软件
在选择三维扫描仪和扫描到 CAD 软件之前，您必须确定您的需求。
- 您需要扫描的零部件尺寸是多少？
- 其几何形状是简单还是复杂？
- 您能轻松地把零部件搬到扫描工作区吗？
- 您需要什么样的精度和细节清晰程度？
- 您的预算是多少？
您需要一台固定式还是移动式的三维扫描仪？
固定式扫描系统适合那些预算有限的人群，但正如其名称所示，零部件需要搬到系统设备所在位置，而且固定式扫描系统大多只适用于小尺寸的零部件。移动式扫描仪，包括铰接臂和手持式扫描仪，通常更准确，更适合于大型部件，而且正如其名称，它们可以带到零部件所在位置，而不是反过来。
用于 CAD 和逆向工程的三维扫描仪
Creaform 形创提供各种手持式三维扫描仪，但其中有三个系列特别适合产品开发和逆向工程应用。Creaform 形创三维扫描仪肯定可以满足您在预算、速度和精度方面的要求。
HandySCAN 3D|SILVER 系列是一个性价比非常高的系列，适合那些希望根据客户需求开发出更好产品的技术创新人员。预算较低的人也能负担得起这款经过验证和值得信赖的技术产品，它可以缩短开发过程。
Go!SCAN SPARK 专为那些从事产品开发、设计和逆向工程的人员提供了快速又便捷的三维体验。它可以帮助开发具有更复杂的形状和设计的新产品，加快上市时间，创造竞争优势。
HandySCAN 3D|BLACK 系列是市场上的一款非常可靠和准确的、通过 ISO 17025 认证的便携式三维扫描仪。它可以生成高精度的三维测量数据和高分辨率的结果，具有优异的扫描质量。
从三维扫描到获取最终 CAD 模型的方法
如前所述，三维扫描和 CAD 建模就像两条不同的地铁线，需要三维扫描到 CAD 软件来有效地将它们连接起来。
一种方法是选择功能齐全的逆向工程（RE）软件，如 Geomagic Design X，它能提供高性能的对齐、信息提取和特征建模功能。功能齐全的 RE 软件基本上取代了用于逆向工程的 CAD 软件。事实上，对于每天或每周需要做逆向工程的设计师来说，它是一个“高端解决方案”。这导致通常已经习惯于使用某个 CAD 软件的设计师不得不学习使用这个具有不同功能的新软件。它也比其他软件更昂贵。
另一种方法是直接在 CAD 软件中从零开始设计模型，而不求助于逆向工程。众所周知，CAD 软件是设计师最喜欢的特征建模软件，但从零开始绘制一个草图可能是一个漫长而枯燥的过程。此外，CAD 软件在网格编辑、对齐和从网格中提取信息方面的功能有限。
还有一种更吸引人的方法，是选择扫描到 CAD 软件，如 Creaform 形创的 Vxmodel 软件模块，它包括对齐、清理和优化网格以及在将实体和横截面传输到 CAD 软件（如 SOLIDWORKS、Autodesk Inventor 和 Solid Edge）之前提取尺寸属性在内的所有功能，设计师可以用它来轻松地进行特征建模。这种方法更有吸引力，因为它比功能齐全的 RE 软件更便宜；使用起来也更方便，而且更容易学会。
三维扫描对 CAD 设计人员来说的优势
使用扫描到 CAD 软件的逆向工程功能来创建 CAD 模型有诸多优势。它赋能设计师和工程师在更短的时间内创建现有零部件的 3D 模型，减少在获取一个可直接制造的零部件之前的迭代次数，并在第一时间获得理想的改装零部件。它还可以缩短产品开发和上市时间。但是，更重要的是，它为设计师和工程师提供了一个精确的建模基础，使他们能够在此基础上建立和改进他们的模型，而不是从零开始绘制模型，这使他们有更多的时间来构思复杂的几何形状、现代形状和有机表面。
扫描到 CAD 软件也是 CAD 专家的理想选择，因为它可以使他们很快回到自己原来的工作流程中，并继续使用他们首选的 CAD 建模软件。如果您已经掌握了 SOLIDWORKS、Autodesk Inventor 和 Solid Edge 的用法，那为什么还要学习全新的 RE 软件呢？
简而言之，通过扫描到 CAD 的逆向工程功能不仅可以设计出更好的产品质量，而且可以通过更少的迭代次数在更短的时间之内让它们上市。这对具有复杂几何形状的复杂部件尤其有效。Creaform 形创的专业级三维扫描仪，如 Go!SCAN SPARK，使逆向工程更有效、更快、更简单。与其他解决方案相比，如 VXModel这样的扫描到 CAD 软件，可以帮助您更快地回到您常用的 CAD 软件中去，以继续享受设计和创新的乐趣！
