肖冰,孟凡榮

(長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林長春 130000)

逆向工程在汽車制造中的應(yīng)用

肖冰,孟凡榮

(長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林長春 130000)

針對(duì)汽車設(shè)計(jì)中所存在的周期長、成本高等問題，介紹逆向工程在汽車制造方面的應(yīng)用流程。以CATIA逆向處理模塊為例，對(duì)逆向工程的點(diǎn)云處理過程進(jìn)行說明。通過點(diǎn)云采集、點(diǎn)云處理、曲面構(gòu)建以及模型質(zhì)量評(píng)價(jià)等，最終形成新產(chǎn)品。

逆向工程；汽車制造；CATIA軟件；點(diǎn)云處理；模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

0 引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往是一個(gè)由概念設(shè)計(jì)到圖紙，最后加工成產(chǎn)品的過程。而逆向工程恰好相反，它是在只有產(chǎn)品模型或者實(shí)物但沒有產(chǎn)品的定義和圖紙的情況下，通過測(cè)量建立起數(shù)學(xué)模型，然后將這些模型和表征用于產(chǎn)品的分析、模具制造和加工生產(chǎn)的過程。它不僅可以重塑產(chǎn)品原型，還可以挖掘原產(chǎn)品的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等一系列的方法、手段以及技術(shù)等。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逆向工程在制造業(yè)中得到了迅猛發(fā)展。在汽車制造方面也得到了廣泛應(yīng)用，例如車身設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、快速成型以及NC加工等。

1 逆向工程在汽車制造中的實(shí)現(xiàn)

在當(dāng)下汽車的造型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者往往在概念設(shè)計(jì)部分使用油泥模型對(duì)車身進(jìn)行設(shè)計(jì)，不斷完善后，利用3D掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;隨后，經(jīng)過一系列步驟對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，經(jīng)過快速成型等新制作方法最終形成新產(chǎn)品。逆向工程流程如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指通過測(cè)量設(shè)備把產(chǎn)品表面轉(zhuǎn)化成離散的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集精度直接影響到建模精度，所以采集高精度的數(shù)據(jù)對(duì)提高反求精度非常重要[1]。采集的數(shù)據(jù)通常是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 逆向工程流程圖

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集方法通常分為接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量往往是對(duì)待測(cè)目標(biāo)采用點(diǎn)測(cè)試，通過測(cè)量探頭與待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行表面接觸，記錄目標(biāo)物體X、Y、Z的坐標(biāo)值，通過每一次的測(cè)量點(diǎn)反映物體表面特征，從而實(shí)現(xiàn)物體數(shù)據(jù)的測(cè)量。設(shè)備一般有三坐標(biāo)測(cè)量儀和柔性關(guān)節(jié)臂。其中，三坐標(biāo)測(cè)量儀的精度較高，適用于高精度的產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域，但測(cè)量速度緩慢，并不適用于大數(shù)量的數(shù)據(jù)采集，對(duì)于采集物體的形狀也具有一定局限性。

圖2 數(shù)據(jù)采集常用方法

非接觸式測(cè)量近年來發(fā)展迅速，目前常用的有激光掃描和面掃描兩種。激光掃描采用激光三角法位移測(cè)量計(jì)算待測(cè)目標(biāo)表面三維坐標(biāo)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上常用的有臺(tái)式激光三維掃描儀、手持式三維掃描儀、附加式激光測(cè)量頭等,其精度相對(duì)較差，只適用于中小型物體。面掃描則利用條紋光柵圖像的相移和解相技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其精度較高，速度快，數(shù)據(jù)信息量大。隨著新技術(shù)發(fā)展，新型設(shè)備還具有標(biāo)志點(diǎn)全自動(dòng)拼接、全局誤差控制等功能來保證數(shù)據(jù)的完整性和精確性。

1.2 點(diǎn)云的處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集的過程中，受到測(cè)量設(shè)備、待測(cè)目標(biāo)不規(guī)則性等的影響，往往不能一次成功。這就需要對(duì)采集到的點(diǎn)云進(jìn)行一系列的處理。這是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期曲面重構(gòu)的質(zhì)量[3]。隨著當(dāng)前逆向工程的發(fā)展，各種點(diǎn)云處理的軟件應(yīng)運(yùn)而生。在CATIA、Geomagic Studio、ImageWave、RapidForm等中都集成了點(diǎn)云處理模塊。由于CATIA軟件在汽車制造領(lǐng)域的特殊地位，以及其強(qiáng)大的集成設(shè)計(jì)功能[4]，文中將以CATIA進(jìn)行舉例說明。

1.2.1 點(diǎn)云預(yù)處理

點(diǎn)云的預(yù)處理是處理點(diǎn)云的前期工作，包括點(diǎn)云拼合、噪點(diǎn)去除、點(diǎn)云勻化、過濾等。

點(diǎn)云拼合是將兩個(gè)或者多個(gè)獲取的點(diǎn)云，根據(jù)其局部明顯的幾何特征，經(jīng)過一定的計(jì)算方法進(jìn)行拼合得到整體點(diǎn)云。在得到整個(gè)點(diǎn)云的同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與模型無關(guān)的噪點(diǎn)，這時(shí)候就需要進(jìn)行噪點(diǎn)去除。如果得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大，或者密度不均勻，往往會(huì)加大計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，影響計(jì)算速度，這時(shí)候就需要進(jìn)行點(diǎn)云勻化和過濾。此外，有些情況還需要人為進(jìn)行點(diǎn)云補(bǔ)充、點(diǎn)云調(diào)整等，最后得到所需要的點(diǎn)云，為點(diǎn)云網(wǎng)格化做準(zhǔn)備。

1.2.2 點(diǎn)云網(wǎng)格化

點(diǎn)云處理的最后一步是生成網(wǎng)格化點(diǎn)云。所謂網(wǎng)格化點(diǎn)云是點(diǎn)云中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均與參數(shù)域中一個(gè)均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，對(duì)采集的散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化插值，即為點(diǎn)云網(wǎng)格化[5]。點(diǎn)云的網(wǎng)格化將直接影響數(shù)據(jù)分塊和曲面創(chuàng)建，因此正確建立各點(diǎn)之間拓?fù)潢P(guān)系，形成三角平面是網(wǎng)格化點(diǎn)云的關(guān)鍵。在曲面曲率比較大的范圍內(nèi)合理增加三角面片的密度。

圖3是汽車整體掃描后，原始點(diǎn)云與經(jīng)過預(yù)處理、網(wǎng)格化所得的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大、存在噪點(diǎn)和缺陷；預(yù)處理后，可以將缺陷與噪點(diǎn)去除，得到均勻、平滑的點(diǎn)云；在網(wǎng)格化后，可以形成能夠進(jìn)行曲面構(gòu)建的點(diǎn)云。

圖3 點(diǎn)云的預(yù)處理

2 曲面構(gòu)建

在點(diǎn)云網(wǎng)格化之后，由點(diǎn)云一次生成曲面實(shí)現(xiàn)起來有一定困難，而且即便生成了在光順性上也得不到保證，因此，需要在CATIA中將所處理過的面片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)于特征明顯的部分可以進(jìn)行特征提取，例如平面、柱面、球面等二次曲面的識(shí)別；將所有特征進(jìn)行分塊，分別構(gòu)造這些二次曲面；最后，對(duì)所構(gòu)造的各種曲面通過橋接、過渡、裁剪等細(xì)節(jié)特征處理，最終得到大部分曲面。對(duì)于特征不明顯的部分進(jìn)行人為的曲線構(gòu)造，在保證其曲線連續(xù)性的前提下，創(chuàng)建復(fù)雜曲面，再將所有曲面進(jìn)行編輯，形成最終的模型。

3 模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

初步得到模型后，需要對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，主要方法是進(jìn)行精度檢測(cè)。CATIA的精度檢測(cè)功能可以用不同的色塊來比較模型與點(diǎn)云的幾何偏差情況。

如圖4所示的汽車內(nèi)腹板精度檢測(cè)中，大多數(shù)點(diǎn)為綠色和淺藍(lán)色，表示偏差在-0.1～0.1 mm之間，有極少數(shù)偏差為0.5～0.8 mm，這些都為設(shè)計(jì)員提供了偏差指標(biāo)，為模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供有力依據(jù)。通過尋找壞點(diǎn)等方式進(jìn)行曲面調(diào)整，對(duì)模型進(jìn)行修改，最終得到符合標(biāo)準(zhǔn)的模型，為制造部分做準(zhǔn)備。

圖4 汽車內(nèi)腹板精度檢測(cè)

4 結(jié)論

逆向技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用，在很大程度上縮短了汽車設(shè)計(jì)的周期，提高了汽車造型以及零部件的設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了成本，在未來具有巨大的發(fā)展前景。

[1]彭燕軍,王霜,彭小歐.UG、Imageware在逆向工程三維模型重構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(5)：85-87.

PENG Y J，WANG S，PENG X O.Applied Research of UG and Imageware in 3-D Model Reconstruction of Reverse Engineering[J].Machinery Design & Manufacture,2011(5):85-87.

[2]田濤,陳揚(yáng),史延春.逆向工程與新產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,28(4):37-41.

TIAN T,CHEN Y,SHI Y C.Reverse Engineering and Redesign[J].Journal of Hebei United University(Natural Science Edition)，2006,28(4):37-41.

[3]繆華,霍有朝.漫談CATIA與逆向工程[J].智能制造,2008(12):21-23.

[4]高向敏.散亂點(diǎn)云模型三角網(wǎng)格化處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京師范大學(xué)，2011:25-30.

ApplicationofReverseEngineeringinAutomobileManufacturing

XIAO Bing, MENG Fanrong

(Changchun Automobile Industry Institute,Changchun Jilin 130000,China)

For the problems of long cycle, high cost in automotive designing, the application of reverse engineering in automobile manufacturing was introduced.Taking CATIA reverse processing module as an example,the process of reverse-processing point cloud was described.Through the point cloud collection, point cloud processing, surface construction and model quality evaluation,new products could be produced finally.

Reverse engineering; Automobile manufacturing; CATIA software; Point cloud processing; Model quality evaluation

2017-09-20

肖冰(1987—)，男，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ獭?D打印技術(shù)。E-mail：403337008@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.020

U466

A

1674-1986(2017)12-083-03