逆向工程技术在车门设计中的运用

摘要：以车门为例，采用三维激光扫描方式提取三维数据信息及进行数据化预处理，用UG软件实现模型重建，并对其中的关键技术作进一步的分析与研究。实践证明，基于逆向工程技术的产品重构可提高产品的研发速度，缩短产品上市的周期。

关键词：逆向工程；车门；数字化处理；UG软件；三维重建

1前言

传统的产品设计是从概念设计到产生工程图纸，通过工程图纸指导加工制造出产品，它是一个正向或顺向的设计过程。而逆向工程是相对于传统的产品设计流程提出的，它是先有实物模型（产品原型或油泥模型），通过相关的数字化技术采集到实物表面的点云数据，经过相关逆向软件处理后导入三维几何造型软件建立CAD数字模型，然后根据CAD模型仿造出相同的实物产品或在原有设计基础上制作出功能相近，但又不完全一样的新产品。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，逆向工程技术在航天、汽车、电子产品、工艺品行业及医学等方面得到了较大程度的应用，特别适合具有复杂形状的零部件产品设计，它在提高产品设计的精度、修复还原损坏或磨损零件、检测产品、缩短新产品设计周期、加快产品的更新换代速度及减少企业设计开发新产品的成本等方面起到了举足轻重的作用。逆向工程技术被企业接受已有近十年左右的时间，历史虽短，但是它具有广阔的应用前景和抢占市场先机的优势，特别是对提高企业产品竞争力方面具有巨大的推动作用，已经引起了国内外众多企业的关注和应用。在产品开发过程中，逆向工程技术常被企业认为是消化、吸收先进技术的重要方法之一，是企业推进自身快速发展的一条捷径，更是企业实现新产品快速开发并迅速推向市场的一种技术手段。本文以某企业项目中的车门零件开发为例，通过对其产品原型进行数据采集、预处理、CAD模型重建及优化设计，详细分析了逆向工程在产品设计中的应用。

2数据采集与预处理

2.1数据采集

在逆向工程技术设计时，需要从样件中提取三维数据信息。样件表面的空间数据采集是逆向工程中的重要阶段，它是用一定的设备对样件进行测量来获取物体的空间表面数据，目前常用的采集方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触式测量常用的设备有三坐标测量机和机械手等，主要依靠测头与模型表面相接触进行扫描获取零件的表面数据，其测量精度高、成本低，缺点是测量速度慢，接触扫描过程中因摩擦力和弹性变形的存在易引起模型产生变形从而导致测量误差，对细微部分的测量也受到限制，因此适合扫描材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体。非接触式测量方法有激光扫描、照片扫描和断层扫描，其中激光测量速度快、精度高，不会产生由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，获得的点云信息量大，精度高，能最大限度地反映被测表面的真实形状，适用于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。本文采用GOM公司生产的ATOS光学扫描仪来进行扫描，该系统采用的是结构光投影测量法，它被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一。它拥有扫描速度较快，对于大曲面的扫描精度较高。由于测量设备有一定的测量范围限制，数据采集过程中不可能通过一次定位获取待测模型所有表面的数据点信息，必须经过仔细分析选择尽可能少的装夹次数进行装夹，分块测量。由于扫描是采用光学原理，为了反光，扫描前在可在模型表面均匀喷涂一层显影剂，并在平缓的样件表上上粘贴上参考点。参考点的布置应保证被测物转到任意角度后系统在此位置上能找到多于4个以上的参照点，保证测量系统在任意位置随机扫描时各次所扫得的数据能重合成一整体，保证测量坐标系的准确定位及分部分扫描的合并数据能构成整个样件的数值模型。对于大件物体，结合GOM公司的TRITOP照相技术，能够轻易扫描完整的零件表面。

2.2数据预处理

Imageware和Geomagic是著名的专用逆向工程软件，其中Imageware软件具有强大的点云处理和NURBS曲面重构功能，被广泛应用于汽车、航空和消费家电等领域，Geomagic软件具有NURBS曲面重构功能，人工参与较少，主要应用于玩具和工艺品等领域。根据软件的特点，本文选择Imageware软件对点云数据进行处理，具体步骤如下：（1）首先导入由扫描仪处理后的数据。合并点云，删除多余点云，删除零件体外的杂点。（2)本次扫描是车门内外板一起进行扫描，所以需要对点云进行分割。其中内板、外板的点云需分开单独进行存放，方便后续的模型重构。（3）由于整个扫描数据是由一张张图像拼接而成，且在扫描过程中不可避免受到振动、镜面反射或零件粗糙的表面等因素的影响，测量中会产生数据噪声，噪声不仅会增加曲率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且还会破坏曲面模型的光顺性，需对点云进行数据除噪。（4）降噪后的点云有可能存在大量的冗余数据，过密的点云不但存在计算工作量大，而且可能影响其光顺性。因此，在曲面造型前需要按一定要求进行数据采样，减少测量点的数量，以便后续建模的需要。

3实体造型重构和检查

3.1实体造型重构

实体造型重构是逆向工程的最关键、最复杂的环节，因为后续的产品加工制造、快速成型与虚拟仿真都需要CAD模型的支持。实体造型重构不仅需要设计师能熟练应用软件，还要尽可能地了解到原有产品的设计思想，分析模型的类型、品质与建模思路。好的逆向设计，需要对产品有足够的理解，需要了解零件及零件特征的使用功能、判断零件是否存在变形等多方面因素。比如，零件在焊接成总成后，原来是平面的地方会变形为曲面，因此就需要多方面评估此处是按照曲面构建还是按照平面构建。这样做出的逆向模型，才能符合原设计者的设计意图。在逆向设计时，首先了解其曲面是自由或初等解析曲面（如平面、圆柱面或圆锥面等），对自由曲面考虑具有方便调整曲线和曲面的模块，对初等解析曲面件则考虑直接利用旋转、拉伸、扫描、混合等简单的建模命令完成。其次了解样件曲面是A级曲面（如汽车、摩托车的车身外表件）、B级曲面（不重要的表面，比如汽车的内饰件表面）或其他要求更低的曲面，对于A级曲面考虑对曲面调整的同时动态更新检测结果。最后结合样件的特点选择合理的建模方法，必要时再进行改进实现创新设计，工作中尽可能地做到提高建模的质量与效率。常用的实体建模软件有Pro/E、UG、CATIA等，本案例主要采用UG软件创建三维实体造型。打开UG软件，选择“导入”——“STL”，将之前处理好的STL文件导入UG软件，使用软件中的“建模”模块进行逆向设计，可以方便而快速地创建曲面和特征。首先重构特征线并调整其光顺度，通过“扫掠”和“网格曲面”构建出产品的大体外观轮廓，其次构建细部特征，比如窗框等，最后进行适当的倒圆、裁剪，并将曲面进行加厚和实体化，得到车门零件的实体造型.

3.2模型检查

车门的造型曲面是由点云数据经过曲线提取、曲面构建、特征构建等逐步完成的，在各步骤中不可避免的会产生一些误差。所以利用点云分析功能，将最终逆向而得的产品表面与点云数据进行比较是很有必要的。通过云图将偏差显示出来，可直观地看到三维模型与点云之间的差别，如图5所示，最后由设计师根据设计经验并结合产品的特性，针对误差较大的区域进行分析，决定是否有必要进行修正和优化。

4结语

本文通过ATOS扫描仪对车门零件进行数据采集，利用Im-ageware软件对所获取的表面点云数据进行降噪和压缩处理，并利用UG软件强大的曲面造型和特征设计功能完成实体建模，整个设计过程需要多种设备和多种软件配合完成，软件集成化程度低，需要大量的人机交互工作，专业性很强，因此提高软件的智能化水平是今后逆向工程的一个发展趋势。其次，逆向工程技术与设计师的经验与水平有着密切的关系，但由于其蕴含着对已有科学、技术的继承和应用的借鉴，所设计的产品具有起点高、周期短、成效快、成本低等的优势。因此，在市场经济竞争机制日益激烈的未来，逆向工程将在制造业中必将得到更广泛的应用。

作者:林胜梁 金玲 朱向丽 张方磊 单位:广西机电职业技术学院 柳州五菱汽车工业有限公司

参考文献:

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