基于逆向工程的汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件快速建模

趙楠

摘要：逆向工程可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，在工程實際中發(fā)揮著重要作用。本文以汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件逆向設(shè)計為例，詳細(xì)地闡述了參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)等關(guān)鍵步驟，并最終得到三維數(shù)字模型的設(shè)計過程。這種設(shè)計方式，能夠避免傳統(tǒng)正向設(shè)計時間長、成本高等問題，能夠為逆向工程技術(shù)在汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：逆向工程;復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件;三維實體模型;模型重建

中圖分類號：TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0046-03

0? 引言

逆向工程（Reverse Engineering，也叫反求工程）是把先進(jìn)產(chǎn)品的實物或影像作為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行的系統(tǒng)分析和研究，進(jìn)而開發(fā)出同類的更為先進(jìn)的產(chǎn)品或技術(shù)[1-2]。工業(yè)產(chǎn)品傳統(tǒng)的設(shè)計方法是從設(shè)計思路入手，結(jié)合實踐經(jīng)驗、設(shè)計手冊等形成方案、圖紙，最后完成實體制造，即從想法到模型，再到產(chǎn)品。而逆向工程是從現(xiàn)有的產(chǎn)品入手，到數(shù)字模型，再到新產(chǎn)品的設(shè)計過程，在整個過程中設(shè)計信息不能精確表示出來，具體流程如圖1所示。

逆向工程作為一種新興技術(shù)，可以大幅縮短產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)周期，使生產(chǎn)效率得到了極大地提高。逆向工程技術(shù)可以方便、快捷地實現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計，它通過先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)手段，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計新產(chǎn)品，縮短開發(fā)周期，可以使企業(yè)適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，從而使企業(yè)在激烈的市場競爭中處于有利的地位[3]。逆向工程技術(shù)的應(yīng)用對新產(chǎn)品的開發(fā)、加快企業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及我國企業(yè)的快速發(fā)展具有特別重要的意義[4]。

本文基于逆向工程技術(shù)對汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件進(jìn)行逆向設(shè)計，最終獲得其三維實體模型。

1? 汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件三維數(shù)據(jù)采集

逆向工程的第一步，就是要對汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。工程上，獲取被測物體表面三維坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有：三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)、光柵式三維掃描儀以及激光掃描測量儀等。本項目中汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的形狀，由大的流線曲面組成，且內(nèi)外特征不同，需要掃描內(nèi)、外兩面，細(xì)節(jié)過渡特征不明顯，最好能夠自動拼接，為此通過貼專用的標(biāo)記點(diǎn)，自動拼合。因此，綜合考慮汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的形貌與各數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本項目選用手持式激光掃描儀。

手持式激光掃描儀是利用激光三角法實現(xiàn)對被測物體表面信息的采集。該掃描儀結(jié)構(gòu)簡單，只需將工作站或者配備的筆記本電腦與掃描儀連接在一起，就可以以任意角度移動該掃描儀對被測物體進(jìn)行全方位360度的掃描，從而迅速得到被測物體的完整三維數(shù)據(jù)信息。在汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，經(jīng)過掃描，系統(tǒng)最終得到了準(zhǔn)備、均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并保存為.asc格式。汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

2? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于環(huán)境光、掃描背景、軟件算法錯誤等原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中經(jīng)常會出現(xiàn)一些孤立的跳點(diǎn)、雜點(diǎn)、壞點(diǎn)等錯誤的數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)會影響后續(xù)封裝成三角面片或者曲面重構(gòu)的準(zhǔn)確性。因此，將數(shù)據(jù)采集所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件后，首先要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，從而將采集到的數(shù)據(jù)變?yōu)檎R、均勻、精簡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體處理過程包括：

①選擇體外孤點(diǎn)、非連接項，刪除偏離主點(diǎn)云距離比較大的點(diǎn)云數(shù)據(jù);②進(jìn)行曲率、等距、統(tǒng)一或者隨機(jī)采樣，在保證精度的條件下減少點(diǎn)的數(shù)量;③進(jìn)行封裝處理，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)變?yōu)槿敲嫫Ｐ?。最后，將?jīng)過一些列處理后的得到的三角面片數(shù)據(jù)保存為.stl格式文件，以便進(jìn)行后續(xù)逆向建模設(shè)計。汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件處理后的數(shù)據(jù)見圖3。

3? 曲面重構(gòu)

通過復(fù)雜曲面產(chǎn)品來反求工程的CAD模型，進(jìn)而通過建模得到該復(fù)雜曲面數(shù)字化模型是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。將已經(jīng)封裝完成的汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件.stl格式文件導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件。

首先，在領(lǐng)域模塊選擇自動分割，將復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件分割成若干模型特征，其中敏感度選擇中間位置（圖4）;其次，選擇結(jié)構(gòu)件底面作為基準(zhǔn)面，進(jìn)行手動對齊操作。選擇面片草圖，利用自動草圖功能勾勒線條，回轉(zhuǎn)生成結(jié)構(gòu)體主體結(jié)構(gòu)（圖5）;同樣，利用面片草圖和圓形陣列繪制螺栓安裝部分（圖6）。按照上述方法，重復(fù)步驟，利用拉伸、切割、回轉(zhuǎn)、曲面偏移、延長曲面等命令得到汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的實體模型。（圖7）

4? 偏差分析

將逆向設(shè)計得到的汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件三維實體模型導(dǎo)出，并保存為.stp格式。把導(dǎo)出的三維實體模型與處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均導(dǎo)入到Geomagic Control 軟件中進(jìn)行對比，以此來實現(xiàn)對逆向設(shè)計的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價，偏差結(jié)果將通過色譜圖表示出來（圖8），并生成檢測報告（圖9）。根據(jù)檢測報告可以得出，本次逆向設(shè)計最大正偏差為0.4889mm，最大負(fù)偏差為 -0.4893mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.0848 mm，整體誤差較小，滿足設(shè)計要求的精度。

5? 結(jié)語

逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)過程中具有重要的實際意義。文章以“汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件”為載體，使用手持式三維激光掃描儀對汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件進(jìn)行全尺寸掃描從而得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后借助于逆向建模軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，通過曲面重構(gòu)得到完整的三維實體模型，最后利用Geomagic Control對逆向的結(jié)果進(jìn)行了評價。檢測報告表明，逆向設(shè)計得到的汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件三維模型可以精確顯示實際零件的幾何特征。這種逆向設(shè)計方式，能夠避免傳統(tǒng)正向設(shè)計時間長、成本高等問題，同時也為利用逆向工程技術(shù)完成汽車復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國亮.PRO/ENGINEER逆向工程專家實例精講（中文野火版）（附光盤）[M].中國青年出版社，2007.

[2]陳永東，鐘紹華.逆向工程在汽車零部件設(shè)計中的應(yīng)用[J].輕型汽車技術(shù)，2006（008）：23-25.

[3]葉德輝.基于逆向工程技術(shù)的改良性產(chǎn)品設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2011（24）：128-130.

[4]蔚敬斌.逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2006（002）：45-46.

[5]姚瑞敏，秦衛(wèi)偉，張艷崗，劉步遠(yuǎn).基于逆向工程的拖拉機(jī)附加驅(qū)動葉輪設(shè)計與制造[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，36（03）：69-72.