汽車零部件參數(shù)化逆向設(shè)計研究

陳建洲 吳婷

摘 要：針對傳統(tǒng)逆向工程設(shè)計無法參數(shù)化的問題，利用正逆向相結(jié)合的設(shè)計思想，對某汽車零部件的參數(shù)化逆向設(shè)計建模進(jìn)行研究。通過點(diǎn)云預(yù)處理、區(qū)域劃分、特征提取、實(shí)體重建，有效提取出各部分結(jié)構(gòu)單元的原始特征信息，重構(gòu)出較高準(zhǔn)確的產(chǎn)品參數(shù)化實(shí)體模型。研究結(jié)果表明，該方法具有進(jìn)一步參數(shù)化的修改能力，能夠?yàn)楹罄m(xù)產(chǎn)品的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)，對于提高汽車零部件新產(chǎn)品開發(fā)的速度和質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：逆向工程；參數(shù)化；特征提取；汽車零部件

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0134-03

Abstract： For the problem that the traditional reverse engineering design can not be parameterized， the parametric reverse design modeling of some automobile parts is studied using the idea of combining positive and reverse design. Through point cloud preprocessing， region division， feature extraction and entity reconstruction， the original feature information of each part of the structure unit is extracted effectively， and the product parameterized entity model with high accuracy is reconstructed. The results show that the method has the ability of further parameterization modification and can provide the basis for the innovation and optimization design of subsequent products， which is of great significance to improving the speed and quality of the new product development of automobile parts.

Keywords： reverse engineering； parameterization； feature extraction； automotive parts

1 概述

隨著計算機(jī)技術(shù)和汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，逆向工程技術(shù)在汽車產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛。逆向工程是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品實(shí)物模型，通過三維掃描和重構(gòu)形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的過程[1]。運(yùn)用逆向工程可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力，拓展設(shè)計師的設(shè)計思維，同時可對工藝產(chǎn)品的改良或再開發(fā)設(shè)計具有高效的便捷性和操作性[2]。

目前，逆向工程設(shè)計流程大部分是將掃描儀獲得的零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，以重建出產(chǎn)品的CAD模型[3-5]。這種方法雖然簡單快速，但無法進(jìn)行參數(shù)化編輯，對后續(xù)的生產(chǎn)和創(chuàng)新造成很大的不便[6]。將正向設(shè)計和逆向設(shè)計有機(jī)的結(jié)合起來的參數(shù)化設(shè)計方法是設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域的必然趨勢[7]。

2 汽車零部件參數(shù)化逆向設(shè)計

本文以某汽車差速器殼為例，對其參數(shù)化的逆向設(shè)計問題展開研究，運(yùn)用正逆向相結(jié)合的設(shè)計思想，在Geomagic Design X軟件平臺下實(shí)現(xiàn)該零件的參數(shù)化逆向建模。

2.1 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

差速器殼是一種外部形狀復(fù)雜，內(nèi)部為厚度均勻的回轉(zhuǎn)表面零件，因此對此類零件的數(shù)據(jù)采集只需利用掃描儀掃描外部表面數(shù)據(jù)，薄殼厚度可通過測量工具獲得，這樣可以減少掃描時間以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件的大小。掃描完成后，通過降噪、網(wǎng)格封裝、修補(bǔ)等功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，最后得到精簡的差速器網(wǎng)格模型如圖1所示。

2.2 區(qū)域劃分和特征提取

由于掃描后的模型坐標(biāo)系為設(shè)備全局坐標(biāo)系，遠(yuǎn)離物體表面，因此對該模型的表面形態(tài)特征進(jìn)行分析和提取，方便后續(xù)建模。首先對該差速器殼網(wǎng)格模型進(jìn)行曲率分析，以將模型表面形態(tài)特征進(jìn)行區(qū)域劃分，將相同類型的特征區(qū)域進(jìn)行合并組合，對不同類型的特征區(qū)域進(jìn)行手動調(diào)整，其結(jié)果如圖2所示。分別將區(qū)域1和區(qū)域2 擬合為平面，由于這兩個平面相互垂直，因此可以基于它們作為坐標(biāo)系中的兩個坐標(biāo)面方向；然后，提取區(qū)域3回轉(zhuǎn)面的回轉(zhuǎn)軸作為坐標(biāo)軸。最后利用這三個特征將模型對齊到世界坐標(biāo)系方向。

2.3 參數(shù)化實(shí)體結(jié)構(gòu)重建

差速器殼的主體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體，首先利用過回轉(zhuǎn)軸的平面截取網(wǎng)格模型來獲得初始截面輪廓，并進(jìn)行輪廓曲線擬合和參數(shù)化修改以及添加約束關(guān)系，來勾勒出精確的回轉(zhuǎn)輪廓，如圖3（a）所示。利用該輪廓，在“回轉(zhuǎn)”命令下進(jìn)行回轉(zhuǎn)建模重建出差速器殼主體結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

差速器殼的內(nèi)部表面，根據(jù)測量得到的薄殼厚度對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽殼處理。對于零件兩側(cè)的平面凸臺以及圓弧狀凹面結(jié)構(gòu)，首先截取該位置的截面輪廓，然后利用拉伸和鏡像來獲得，如圖4（a）所示。差速器殼的所有孔特征，同樣利用拉伸切割功能來實(shí)現(xiàn)。對于差速器殼的鑄造圓角特征，利用軟件中的 “面片估算圓角”測量功能估算圓角區(qū)域的曲率半徑，進(jìn)行參數(shù)化倒圓角，其最終結(jié)果如圖4（b）所示。

2.4 誤差分析

為保證重構(gòu)后的產(chǎn)品CAD模型符合精度要求，需要對重構(gòu)后的CAD模型進(jìn)行誤差檢測。誤差分析主要是從定量的角度實(shí)現(xiàn)對逆向模型的質(zhì)量檢查，即原有模型與逆向模型之間到底偏離了多少，在實(shí)際應(yīng)用中是否可被接受[8]。

將重構(gòu)的差速器殼實(shí)體模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出如圖5所示的誤差分布圖。可以看出，本研究重構(gòu)的模型外表面與原始點(diǎn)云之間的偏差大部分在±0.1mm的公差范圍內(nèi)，設(shè)計精度要求較高。對于偏差較大的區(qū)域，其原因可能是在特征提取以及輪廓擬合過程中存在一定的誤差，因此，可以返回到設(shè)計界面對所構(gòu)建的特征進(jìn)行參數(shù)化局部調(diào)整，直到滿足要求為止。

3 結(jié)束語

隨著數(shù)字化的高速發(fā)展，逆向工程不管是在創(chuàng)新型企業(yè)或者非創(chuàng)新型企業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。本文以 Geomagic Design X 軟件為平臺，通過分析某汽車差速器殼的表面形態(tài)特征，有效地提取出各個結(jié)構(gòu)單元的原始形狀特征，重構(gòu)出較高準(zhǔn)確的產(chǎn)品參數(shù)化實(shí)體模型；并以原始采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，對參數(shù)化模型進(jìn)行了誤差分析。該方法可使工程師更加清楚的了解產(chǎn)品的原始設(shè)計意圖，從而對模型的信息掌握更加明確，結(jié)合正向建模思路可以解決一些復(fù)雜模型的創(chuàng)新設(shè)計，有效提高產(chǎn)品的開發(fā)速度，縮短開發(fā)周期，具有較好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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