肖冰,孟凡榮

(長春汽車工業(yè)高等?？茖W(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)

針對汽車設(shè)計中所存在的周期長、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，對逆向工程的點云處理過程進(jìn)行說明。通過點云采集、點云處理、曲面構(gòu)建以及模型質(zhì)量評價等，最終形成新產(chǎn)品。

逆向工程；汽車制造；CATIA軟件；點云處理；模型質(zhì)量評價

0 引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計往往是一個由概念設(shè)計到圖紙，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)品模型或者實物但沒有產(chǎn)品的定義和圖紙的情況下，通過測量建立起數(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、制造等一系列的方法、手段以及技術(shù)等。

近年來，隨著計算機(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、模具設(shè)計、快速成型以及NC加工等。

1 逆向工程在汽車制造中的實現(xiàn)

在當(dāng)下汽車的造型設(shè)計中，設(shè)計者往往在概念設(shè)計部分使用油泥模型對車身進(jìn)行設(shè)計，不斷完善后，利用3D掃描技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;隨后，經(jīng)過一系列步驟對點云進(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)對提高反求精度非常重要[1]。采集的數(shù)據(jù)通常是點云數(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。接觸式測量往往是對待測目標(biāo)采用點測試，通過測量探頭與待測目標(biāo)進(jìn)行表面接觸，記錄目標(biāo)物體X、Y、Z的坐標(biāo)值，通過每一次的測量點反映物體表面特征，從而實現(xiàn)物體數(shù)據(jù)的測量。設(shè)備一般有三坐標(biāo)測量儀和柔性關(guān)節(jié)臂。其中，三坐標(biāo)測量儀的精度較高，適用于高精度的產(chǎn)品檢測領(lǐng)域，但測量速度緩慢，并不適用于大數(shù)量的數(shù)據(jù)采集，對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量計算待測目標(biāo)表面三維坐標(biāo)點，目前市場上常用的有臺式激光三維掃描儀、手持式三維掃描儀、附加式激光測量頭等,其精度相對較差，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)志點全自動拼接、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 點云的處理

點云數(shù)據(jù)在采集的過程中，受到測量設(shè)備、待測目標(biāo)不規(guī)則性等的影響，往往不能一次成功。這就需要對采集到的點云進(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)計功能[4]，文中將以CATIA進(jìn)行舉例說明。

1.2.1 點云預(yù)處理

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

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

1.2.2 點云網(wǎng)格化

點云處理的最后一步是生成網(wǎng)格化點云。所謂網(wǎng)格化點云是點云中所有數(shù)據(jù)點均與參數(shù)域中一個均勻網(wǎng)格的頂點相對應(yīng)，對采集的散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化插值，即為點云網(wǎng)格化[5]。點云的網(wǎng)格化將直接影響數(shù)據(jù)分塊和曲面創(chuàng)建，因此正確建立各點之間拓?fù)潢P(guān)系，形成三角平面是網(wǎng)格化點云的關(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，原始點云與經(jīng)過預(yù)處理、網(wǎng)格化所得的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)原始點云數(shù)據(jù)量較大、存在噪點和缺陷；預(yù)處理后，可以將缺陷與噪點去除，得到均勻、平滑的點云；在網(wǎng)格化后，可以形成能夠進(jìn)行曲面構(gòu)建的點云。

圖3 點云的預(yù)處理

2 曲面構(gòu)建

在點云網(wǎng)格化之后，由點云一次生成曲面實現(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)量評價

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

如圖4所示的汽車內(nèi)腹板精度檢測中，大多數(shù)點為綠色和淺藍(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)計員提供了偏差指標(biāo)，為模型的質(zhì)量評價提供有力依據(jù)。通過尋找壞點等方式進(jìn)行曲面調(diào)整，對模型進(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

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)計的周期，提高了汽車造型以及零部件的設(shè)計效率，節(jié)約了成本，在未來具有巨大的發(fā)展前景。

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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，研究方向為逆向工程、3D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