基于RE的汽車鈑金設(shè)計

王　喆

(天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津　300131)

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基于RE的汽車鈑金設(shè)計

王喆

(天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津300131)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展戰(zhàn)略升級，裝備制造業(yè)在設(shè)計創(chuàng)新中也有了新的發(fā)展訴求，逆向設(shè)計在汽車研發(fā)中的作用尤為明顯，文本通過對汽車鈑金件設(shè)計過程的分析進一步明確了RE設(shè)計在研發(fā)過程中需要注意的問題及處理意見，為工業(yè)現(xiàn)代化的升級與改造有所裨益。

逆向設(shè)計；三維掃描；工業(yè)設(shè)計；汽車鈑金件；點云數(shù)據(jù)

一、引言

RE的開發(fā)與設(shè)計過程是針對現(xiàn)有的樣品，運用3D數(shù)字化(接觸式或非接觸式)測量儀器，精準、快速測出樣品輪廓坐標以利用三維軟件進行曲面重構(gòu)，將點云數(shù)據(jù)進行再設(shè)計的過程，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的不斷“創(chuàng)新”。

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，對于產(chǎn)品測量精度要求的不斷提高，通過各種三維掃描儀直接或間接獲取的“點云”數(shù)據(jù)量日益增多，其中包含大量的冗余數(shù)據(jù)，因此需要對“點云”進行壓縮。最簡單常用的壓縮方法是分別沿經(jīng)、緯線兩個方向進行稀疏采樣，即降低空間中象素分辨率。這種方法直接的提高了壓縮比，但是不能保證模型重建的質(zhì)量，因此不適合復(fù)雜形體的表面重建與光順。

為了滿足用戶對計算機圖形真實感增長的迫切需求，建立的三維幾何模型所包含的三角網(wǎng)格數(shù)目會越來越多，但是復(fù)雜的網(wǎng)格模型占用內(nèi)存太大，不利于數(shù)據(jù)的改進繪制、存儲和傳輸，因此網(wǎng)格簡化和分級多層次模型(LOD)等方法相繼出現(xiàn)。其中，漸進網(wǎng)格技術(shù)是網(wǎng)格簡化技術(shù)中目前被廣泛應(yīng)用的一種方法，如果對分裂的網(wǎng)格不滿意，它可以動態(tài)實時地恢復(fù)成原始網(wǎng)格。這種方法不僅能夠提供一組連續(xù)的多分辨率模型，還支持漸進方式傳輸，并提供一種有效的網(wǎng)格壓縮方式。

三維掃描技術(shù)真正的實現(xiàn)了模擬“實物的數(shù)字化”。從而為虛擬物品的線上產(chǎn)品開發(fā)提供了可能。目前，根據(jù)對實物的掃描來獲取產(chǎn)品數(shù)學模型的技術(shù)，業(yè)已成為 CAD/CAM應(yīng)用中不可替代的技術(shù)。逆向工程(Reverse Engineering)也被大眾稱為反向工程或反求工程。適合本文探討的產(chǎn)品逆向是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。除了包括形狀(幾何)反求，還包括工藝反求等。

二、汽車鈑金件的設(shè)計過程

(一)樣件的掃描

測試時根據(jù)標定板的范圍，在其范圍內(nèi)分為居中、中上、中下、左上、左中、左下、右上、右中和右下九個位置。當標準件在居中位置時可根據(jù)相機與標準件間的距離分為：居中標距、居中近距和居中遠距三個位置。

忽略不計環(huán)境溫度、濕度的影響，其它影響攝影測量系統(tǒng)(包括TRITOP和XJTUDP)精度的因素可能會涉及如下幾個方面：

1. 光線條件；

2. 基本長度；

3. 標志點精度；

4. 標尺精度；

5. 照片組攝像站位置的選??；

6. 照片組中照片的數(shù)目，基本上是越多越好，但同時要兼顧測量效率。

在實際工作中，產(chǎn)品檢測也遇到了標定困難、精度誤差大、掃描時，需考慮以下因素：

對于非鐵質(zhì)的物體表面粘貼編碼點粘貼不牢，在拍攝中容易掉，影響XJTUDP的計算；應(yīng)考慮非鐵物體編碼點放置方案。

攝影測量中，拍攝4組照片，其中一組標尺無法應(yīng)用，兩組綁定調(diào)整失敗，一幅計算成功；非編碼點重復(fù)識別，一個點有兩個編號；

重疊面刪除軟件中出現(xiàn)的問題：讀入點云超過15副，點云無法顯示；對于有細節(jié)特征部位的點云在進行重疊面刪除時候容易刪除特征點云；同一幅點云在重疊刪除軟件中不能顯示一些細節(jié)性特征點云，但是在Geomagic中可以顯示；在重疊面刪除之后，點云抽稀功能不能使用，顯示為灰色；

對于XJTUOM軟件文件保存的默認格式建議改成PLY格式，現(xiàn)場測量中由于工作量大，常常保存成默認格式ASC，但ASC文件不能進行重疊面刪除；

面掃描軟件XJTUOM出現(xiàn)導(dǎo)入的全局標志點在相機顯示窗口中不能顯示，造成掃描窗口定位錯誤，無法選擇每次掃描的面；

三腳架使用不方便，尤其對于高度超過2m，縱深很深的部位無法測量，三腳架伸到最高時設(shè)備抖動厲害，影響測量精度；

導(dǎo)入的全局標志點能顯示，但是在某些部位不能實現(xiàn)自動拼接。

標尺及標定板標定值的可信度有待進一步檢測，考慮用其它測量方法(軟件、基準)來驗證標尺的精度；本次測量為2000*1400*1400mm，而標尺只有4根，且長度都在1000mm內(nèi)，不能有效控制立體各個方向的精度。應(yīng)考慮使用2000mm以上可伸縮標尺；

攝影測量中由于現(xiàn)場環(huán)境較暗，所以有部分編碼/非編點不能認出，或者被誤認成非編碼點的情況；

操作的方便性，盡量減小測量頭的尺寸，使其輕巧，應(yīng)該考慮扳手位置。對于大尺寸掃描，應(yīng)考慮線控或者遙控；電源開關(guān)可以考慮不用插線板，而采用固定在移動工作臺上的插座，提高其可靠性。

由于本次顯影劑的問題耽誤了大量的工作時間，應(yīng)考慮在說明書中列出幾種推薦使用的顯影劑；

汽車鈑金件的測量、掃描：在樣件定位找正后，通過激光掃描儀、三坐標測量儀和攝影測量系統(tǒng)對汽車鈑金件進行掃描，通過掃描測量獲得車身內(nèi)外表面點云數(shù)據(jù)文件。

車身鈑金件的拆解及測量、掃描：要獲得車身所有零部件的三維信息，通過對樣車的拆卸與分解，掃描得到每個零件的點云數(shù)據(jù)，為裝配工藝過程得到一個比較全面的認知過程。

(二)點云數(shù)據(jù)的處理

汽車鈑金件相對較大，對于攝影測量系統(tǒng)的要求也較高，如后側(cè)門板，因為白光激光掃描儀不能一次定位而獲得門板的全部點云數(shù)據(jù)，就需要對不同位置進行多次掃描，尤其是曲面不能一次覆蓋的地方，需要無縫銜接的掃描數(shù)據(jù)，將得到的這些文件合成并在點云處理軟件中。為了便于觀察將點云著色后，首先選擇體外孤點，將冗余的數(shù)據(jù)除去，通過減少噪音使一些掃描點的誤差降低到我們允許的范圍；最后對數(shù)據(jù)進行封裝，使點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形模型。對點云進行采樣是通過設(shè)置點間距人為設(shè)定目標三角形數(shù)量，設(shè)置的值越大，封裝之后的多邊形網(wǎng)格就越緊密生成的文件就越大。

在掃描過程中，需要注意：

系統(tǒng)在導(dǎo)入全局點后，掃描第一幅點云前不識別標志點，掃描完成后才能開始識別；

進行自動拼接后，相鄰兩幅點云之間距離(用Qualify截面后測距)過大，最大出現(xiàn)過0.6mm，點云的精度就無法保證；

兩套系統(tǒng)的標志點匹配時誤差較大，造成點云之間距離較大；

大幅面的測20mm的球時，半徑誤差達到0.5mm；

兩幅點云拼接時有5個以上的標志點，但是拼接錯誤(法向相反)，需要進行重新調(diào)整；

被測對象如果有投影時，掃描出來的點云大面積缺失。比如掃描小球時，小球球面點云只有一條帶狀點云；

大幅面掃描的預(yù)覽框過大，實際生成的點云可能只是框中中心位置很小的一塊，預(yù)覽框過大容易誤導(dǎo)掃描區(qū)域的劃分；如果邊緣部分點云精度不能保證的話，可以只生成中心位置部分的點云，其余的舍掉。

目前結(jié)構(gòu)實驗中用位移計和電阻片測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移與應(yīng)變的方法存在局限性，有時也會出現(xiàn)測量誤差。三維數(shù)字攝影測量技術(shù)可以在適當?shù)姆秶鷥?nèi)彌補這些不足，尤其適用于復(fù)雜受力情況下的位移場和變形場量測。能夠直接通過數(shù)字影像來識別人工標志點隨構(gòu)件變形的運動來獲得觀測范圍內(nèi)構(gòu)件的位移場與應(yīng)變場。運用數(shù)字攝影測量中的影像定向與定位理論，可以有效的消除實驗觀測過程中人為因素引起的誤差。這項技術(shù)費用比其他測量費用低，能夠為研究復(fù)雜受力的汽車鈑金件提供了可靠的依據(jù)，在結(jié)構(gòu)實驗中有較大的應(yīng)用前景。

(三)車身表面數(shù)據(jù)處理及表面制作

為了得到一個好的面片，需要對掃描測量并處理后的文件進行全面的數(shù)字化信息處理，對存在缺陷的地方需要對其曲面進行擬合、光順處理。

1.汽車鈑金零部件三維設(shè)計建模：經(jīng)過表面光順處理后，根據(jù)零件的特征，利用軟件中的B樣條曲線、NURBS曲線、曲面設(shè)計等應(yīng)用軟件對鈑金件進行三維逆向建模，從而獲得每個零件的數(shù)字化信息，是接下來的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參考依據(jù)，同時它本身也可以作為零件加工的依據(jù)。

2.三維模型的虛擬裝配與核查：汽車鈑金件的逆向設(shè)計過程中，由于零部件復(fù)雜多樣，需要由工程師們對拆解的汽車鈑金件同時進行三維曲面建模，工作任務(wù)繁重，為了表達汽車鈑金件裝配關(guān)系，需要對各零部件進行虛擬裝配，通過裝配檢查各零部件間的關(guān)系。特別是在正向設(shè)計中對那些不變或基本不變的零部件，需要像凍結(jié)數(shù)模一樣通過校核完成設(shè)計。

綜上，汽車鈑金件逆向工程中，關(guān)鍵在于：獲取各種形式的數(shù)字化掃描測量技術(shù)和降低噪音提高表面光滑度技術(shù)及鈑金件的曲面重構(gòu)技術(shù)。

(四)正逆向結(jié)合設(shè)計

在逆向設(shè)計過程中，我們還要考慮到人體工程學的有關(guān)參數(shù)，進行尺寸的契合微調(diào)，造型時放置假人進行姿態(tài)修正，保證設(shè)計能夠滿足人們的需求，包括：

1. 座椅的人體工程學設(shè)計：

HIP ANGLE 臀角：100°

KNEE ANGLE 膝角：116°

FOOT ANGLE 足跟角：91°

TORSO ANGLE 軀干線角：25°(前座椅)；20°(后座椅)

HEEL POINT 足跟點：暫定[534(x),37(z)]

座椅向下平移8mm，向后平移56mm平移，并確保調(diào)整后，仍能滿足其他要求。

2.鈑金件倒角設(shè)計。在建模時，就需要考慮鈑金件倒角在工作中的狀態(tài)，避免零件的邊界在倒角后與倒角面發(fā)生干涉。對實際生產(chǎn)產(chǎn)生不利的影響。

在倒角困難的情況下，需要注意與之配合的配合面、配合件的修改。

(五)逆向設(shè)計中的注意事項：

逆向設(shè)計部分必須保證和測量點云的貼合精度，不遺漏細微特征，但是同時必須保證基本的設(shè)計要素：

對稱部分以Y0平面左右對稱；

同一部件的安裝孔的法向矢量必須保證平行；

底盤零件的安裝孔必須保證左右孔距及主要對角線孔距的尺寸圓整；

注意左右非對稱零件，避免錯誤對稱操作；

零件孔間距及孔徑的圓整；

左右件如為同件，必須保證左右件的通用性；

所有安裝及維護工藝孔保證其可實施性；

合理的斷面結(jié)構(gòu)，保證工藝實施、強度，斷面尺寸盡可能參考原型車。

不改變原型車的零件分塊特征、搭接關(guān)系、焊點布置等設(shè)計要素，不改變原型車的孔位功能布局和結(jié)構(gòu)特征布局。

三、基于RE的汽車鈑金件的建模標準及要求

通過正逆向結(jié)合的曲面設(shè)計得到的零部件模型，在配合和虛擬裝配后還需要對數(shù)模進行必要的修正，以利出模，具體要求：

其一，數(shù)模提交形式為曲面，同時必須包含一根直線，其顏色為紅色，線形為3類粗的實線。該直線的所指示方向為料厚增長方向，其長度為料厚的100倍，同時還表示該零件的主要加工(脫模)方向。

其二，所有提交數(shù)模必須是完全導(dǎo)圓角后的數(shù)模，所有內(nèi)板零件的圓角大小必須是以半徑軌從實物測得數(shù)據(jù)為準。零件構(gòu)建基面不能使用FILL方式構(gòu)建；除特殊情況，圓角部分不得使用BLEND方式構(gòu)建。

其三，所有零件的邊界必須經(jīng)過修整，除分次切變部分可以產(chǎn)生點連續(xù)尖角，其于一次完成切變部分的邊界必須是一根切向連續(xù)的曲面，同時從加工方向視角看，該曲線必須是光順的無過多扭曲。

其四，所有數(shù)模提交前必須完成上述內(nèi)容自檢。

其五，完整的數(shù)模提交前，必須完成總成內(nèi)及總成間的料厚干涉檢查。在內(nèi)外嵌套的零件中的圓角必須保證內(nèi)部零件相應(yīng)的圓角大于等于外部零件相應(yīng)的圓角，保證圓角部分不干涉且有足夠間隙。連續(xù)搭接邊上產(chǎn)生嵌套關(guān)系，在布置焊點的型面保證面與面的貼合，其余型面必須保證2MM以上的間隙。搭接邊的第一道圓角邊界與其搭接的零件邊界至少保證2MM以上的間隙。

此外，對于焊裝工藝性的檢查。檢查內(nèi)容包括：

所有零件在搭接且布置有焊點的位置，至少保證有10-12MM的零件搭接寬度；

按照焊接次序，零件的搭接關(guān)系準確，不能出現(xiàn)后一序零件的搭接邊插入前一序零件搭接邊內(nèi)的情況出現(xiàn)；

后序零件在定位往被焊工位直線移動過程中，前序零件不得有阻擋其直線運動的部分存在；

每個需要工裝定位的零件，必須保證有兩個以上的工裝定位孔，且這兩個孔的法向矢量方向盡可能保證平行。如果零件內(nèi)無法布置兩個圓孔，可采用長腰孔定位設(shè)計；

利用同一位置定位的零件，其在該位置的工裝定位孔必須為同心；后序零件的圓半徑必須大于前序零件的圓半徑；

所有焊點位置必須保證焊鉗的運動空間，如果出現(xiàn)零件的阻擋，該零件上必須保證足夠大小的焊接工藝孔；

設(shè)計數(shù)模滿足車身外飾件及車身附件安裝要求。

通過激光測量或者光柵照相測量后得到的白車身的點云在IMAGEWARE軟件中處理和曲面重構(gòu)。

重構(gòu)過程中，必須保證特征的完整和正確。型面在1∶1狀況下與點云的偏差不能大于1MM，對于部分確實需要光順調(diào)整的位置可以通過技術(shù)討論會形式進行討論并適當放寬精度要求。

構(gòu)建完成的外表面模型的表面型面必須符合公司關(guān)于CLASS A曲面的定義標準。通過下列幾種基本檢驗：目視高光效果，斑馬反射條紋，高光反射等高線，曲率梳、高斯曲率分析、型面之間的連續(xù)性檢查等。

四、 總結(jié)及展望

通過正逆向結(jié)合，設(shè)計越來越適合國人的需求，汽車鈑金件的制作工藝也更加精良，在重構(gòu)的基礎(chǔ)上進行再設(shè)計，相信互聯(lián)網(wǎng)+測量能夠?qū)ξ覈b備制造業(yè)的發(fā)展起到更大的推動作用！

[1]胡寅.三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學，2005.

[2]閆華，林巨廣，蔡樹煌，濮林.汽車覆蓋件逆向工程中的若干關(guān)鍵技術(shù)探討[J].模具技術(shù)，2001，(06).

[3]胡寅.三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學,2005.

[4]張志亮.逆向工程開發(fā)技術(shù)及其在福田重卡車身開發(fā)中應(yīng)用[D].大連理工大學,2003.

[5]張志亮,逆向工程技術(shù)及其在福田重卡車身開發(fā)中應(yīng)用[J].輕型汽車技術(shù),2005，(03).

[6]袁俊榮.沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)在前圍上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].吉林大學,2011.

Design of Automobile Metal Plate based on RE

WANG Zhe

(Tianjin Engineering Vocational Technical College, Tianjin, 300131)

with the upgrade of development strategy of “Internet +”, the equipment manufacturing industry has a new development demand in the design innovation. The reverse design plays an important role in the R & D of automobiles. By analyzing the design process of automobile sheet metal parts, this paper pinpoints the RE design problems that requires attention during the R&D process and proposes suggestions for bringing benefit to the upgrading and transformation of industrial modernization.

reverse design; 3D scanning; industrial design; automobile sheet metal parts; point cloud data

2016-04-12

王喆(1982-)，女，天津市人，天津機電職業(yè)技術(shù)學院電氣系講師，主要從事工業(yè)設(shè)計研究。

U466

A

1673-582X(2016)11-0084-06