肖建忠，苗 盈，鄒子為，李宇東，晏子翔

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214121）

0 引言

逆向工程是通過現(xiàn)代測量手段獲取產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字模型重構(gòu)的過程，是消化吸收先進(jìn)技術(shù)和縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期的重要手段，在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。王超等[2]利用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)對汽車前大燈反射鏡產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和質(zhì)量檢驗(yàn)進(jìn)行了研究。陳堰芳[3]基于Geomagic Studio軟件研究了汽車引擎蓋的曲面逆向造型設(shè)計(jì)。武振鋒等[4]介紹了CATIA軟件在引擎蓋逆向設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用方法與技術(shù)要點(diǎn)。王春香等[5]利用Geomagic Design X軟件實(shí)現(xiàn)了汽車懸架下彎臂的實(shí)體模型重構(gòu)并用Geomagic Control X 軟件進(jìn)行了精度分析驗(yàn)證。黃育飛等[6]基于Alias 實(shí)現(xiàn)了汽車自由曲面的逆向造型設(shè)計(jì)。本文運(yùn)用逆向工程技術(shù)在ICEM Surf軟件中完成了汽車引擎蓋的曲面造型設(shè)計(jì)。

1 ICEM Surf軟件

ICEM Surf在自由曲面設(shè)計(jì)領(lǐng)域是公認(rèn)的主流設(shè)計(jì)軟件之一。ICEM Surf軟件被很多著名汽車制造商作為產(chǎn)品開發(fā)中的高質(zhì)量自由曲面（A級(jí)曲面）制作工具[7]。ICEM Surf軟件具有的特點(diǎn)：（1）曲面生成方式靈活自由，容易獲得簡潔流暢的高質(zhì)量曲面模型；（2）提供嚴(yán)格的數(shù)據(jù)檢查方法，有助于獲得高品質(zhì)曲面數(shù)據(jù)；（3）具有顯示效果接近真實(shí)模型的展示功能；（4）數(shù)據(jù)兼容性好，通過數(shù)據(jù)接口可以方便地與其他常用CAD系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

在ICEM Surf軟件中構(gòu)建曲面需要遵循基本原則：（1）曲線是制作曲面的基礎(chǔ)，很大程度上影響曲面品質(zhì)，曲線應(yīng)具有良好的形狀，沒有過于平坦、尖凸區(qū)域或多余的曲率拐點(diǎn)；（2）為確切描述物體外形，曲面片需足夠大，對其進(jìn)行裁剪后得到所需的區(qū)域；（3）在足以描述形狀的前提下，曲面片階數(shù)盡可能低；（4）曲面片應(yīng)是接近矩形、扇形等規(guī)則形狀；（5）曲面片控制點(diǎn)分布應(yīng)盡可能規(guī)則，盡量避免控制點(diǎn)突出或波動(dòng)；（6）相鄰曲面間應(yīng)達(dá)到足夠的位置連續(xù)和相切連續(xù)精度，確保能生成實(shí)體模型。

在ICEM Surf軟件中構(gòu)建曲面的基本流程：（1）根據(jù)原始數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）生成主要曲面片；（2）檢查曲面邊界和控制點(diǎn)在各視圖方向上形態(tài)是否良好；（3）對曲面進(jìn)行曲率檢查；（4）對鄰近曲面重復(fù)以上步驟；（5）延長2個(gè)鄰近曲面直至相交，并確保不發(fā)生不規(guī)則變形；（6）用交線裁剪曲面片；（7）分析曲面片邊界曲率，確保曲率分布良好；（8）對鄰近曲面重復(fù)以上步驟；（9）檢查鄰近曲面之間的位置、相切、曲率連續(xù)性；（10）生成和調(diào)整主要曲面之間的過渡曲面。

2 引擎蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是從已有產(chǎn)品原型表面獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程[8]。這里采用手持激光掃描儀采集汽車引擎蓋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在開始掃描之前，需要在引擎蓋上黏貼標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)可以使掃描系統(tǒng)在空間中完成自定位。標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)盡量貼在工件上平整以及無細(xì)節(jié)特征的表面；不宜貼在工件邊緣，須離開邊緣2 mm 以上；標(biāo)記點(diǎn)的距離與表面曲率變化有關(guān)，一般在30～100 mm。由于引擎蓋表面曲率變化較小，所以標(biāo)記點(diǎn)之間的距離約為100 mm，隨機(jī)均勻地黏貼在引擎蓋表面，如圖1所示。掃描汽車引擎蓋時(shí)要從中間向兩邊掃描，因?yàn)橐苿?dòng)時(shí)有誤差，從中間向兩邊掃描可以減少誤差。

圖1 黏貼標(biāo)記點(diǎn)并掃描引擎蓋

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在逆向重構(gòu)之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得完整、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)[9]。這里使用Geomagic Design X軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，具體操作步驟如圖2所示。其中，修補(bǔ)精靈用來檢索面片模型上的缺陷，如重疊單元面、懸掛的單元面、非流形單元面、交差單元面等，并自動(dòng)修復(fù)各種缺陷；加強(qiáng)形狀用于銳化面片上的尖銳區(qū)域（棱角），同時(shí)平滑平面或圓柱面區(qū)域，從而提高面片的質(zhì)量；面片的優(yōu)化是根據(jù)面片的曲率大小，改善單元面的分布疏密程度；通過平滑操作可以消除面片上的雜點(diǎn)，降低面片的粗糙度。

3 引擎蓋曲面逆向重構(gòu)

3.1 曲面特征分析

處理后的汽車引擎蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示，從圖中可以看出引擎蓋有3條特征線，這3條特征將引擎蓋分成了3塊大的區(qū)域。由于特征線2前端的消失點(diǎn)等原因，引擎蓋模型還可以進(jìn)一步細(xì)分，最終分解成如圖4所示的7組曲面。由于汽車引擎蓋是對稱件，因此在模型重構(gòu)時(shí)只要做其中1/2，然后再鏡像。7組曲面制作完成之后，在3條特征線所在的位置進(jìn)行倒圓角，最后裁剪邊界曲線。

圖3 處理后的引擎蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 引擎蓋模型曲面分解

3.2 曲面重構(gòu)流程

使用ICEM Surf軟件對汽車引擎蓋進(jìn)行模型重構(gòu)的基本流程如圖5所示。在制作曲面的過程中，需要調(diào)整曲面控制點(diǎn)，使其排布規(guī)則、變化均勻有規(guī)律，從而提高曲面光順度、降低形狀復(fù)雜度，最終獲得高質(zhì)量曲面。由于引擎蓋曲面由若干個(gè)曲面拼接而成，為滿足外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)具體實(shí)際情況，使曲面之間達(dá)到位置連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)等連續(xù)性要求。

圖5 引擎蓋逆向重構(gòu)的基本流程

3.3 曲面質(zhì)量評價(jià)

高光線的分布反映了曲面形體特征和曲面之間的連續(xù)性關(guān)系。如圖6所示，上方曲面為點(diǎn)云曲面，下方曲面為制作曲面，通過對比可以評價(jià)曲面質(zhì)量。圖6（a）所示為X方向的高光線，在方框區(qū)域內(nèi)，點(diǎn)云曲面的高光線比重構(gòu)曲面更密，原因是原始曲面在該區(qū)域處有一道翻邊；圖6（b）所示為Y方向的高光線，在方框區(qū)域內(nèi)，點(diǎn)云曲面的高光線與重構(gòu)曲面不同的原因是，重構(gòu)曲面將最中間的圓角貫穿了整個(gè)曲面，如果能夠在引擎蓋前側(cè)使這道圓角逐漸消失，可能就不會(huì)有此處的差異；圖6（c）所示為Z方向的高光線，點(diǎn)云曲面的高光線與重構(gòu)曲面基本一致，重構(gòu)曲面的質(zhì)量比點(diǎn)云曲面更優(yōu)。

圖6 用高光線評價(jià)曲面質(zhì)量

4 結(jié)束語

本文從點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面特征分析、曲面逆向重構(gòu)和曲面質(zhì)量評價(jià)5個(gè)方面，系統(tǒng)介紹了汽車引擎蓋逆向設(shè)計(jì)的方法流程和技術(shù)要點(diǎn)。結(jié)果表明，采用逆向設(shè)計(jì)方法，以專業(yè)級(jí)曲面設(shè)計(jì)軟件ICEM Surf為工具，能夠快速準(zhǔn)確地還原引擎蓋曲面的形狀特征，為其后續(xù)的分析優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了高質(zhì)量的曲面模型。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到具有復(fù)雜自由曲面外形的汽車零部件產(chǎn)品，能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對實(shí)際車型的數(shù)字化設(shè)計(jì)和改型升級(jí)具有重要應(yīng)用價(jià)值。